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功率发光二极管的寿命预测

摘   要:针对功率发光二极管(LED) 的使用寿命问题,提出了利用阿仑尼斯模型预测功率发光二极管器件寿命的方法,以器件输出光功率P下降到初始值P0的50%为失效判据, 通过对功率蓝光GaNLED芯片两个结温点的高温恒定应力加速寿命实验结果进行分析计算,求出了功率蓝光GaNLED器件在正常应力条件下的期望寿命,确定阿仑尼斯模型在功率发光二极管寿命实验过程中的适用性,为预测功率发光二极管寿命提供理论依据。

关键词:发光二极管;阿仑尼斯;寿命实验;结温;退化

引言

随着Ⅲ族氮化物外延及其LED制备技术的迅速发展,作为半导体照明光源的功率GaNLED的可靠性水平也不断提高。其超长的工作寿命,已不可能通过正常应力下的寿命实验来验证。如何通过加速寿命实验,对GaN功率LED寿命进行预测,成为学术和产业界共同关心的问题。通常情况下,加速寿命实验通过测试在高应力下的寿命特征再外推到正常应力下的寿命,这种反应速度论常见的模型有:阿仑尼斯(Arrhenius)模型、艾林(Eyring)模型和逆幂律(inversepowerlaw)模型等,其中以阿仑尼斯模型最为典型。本文将采用阿仑尼斯模型,以温度作为恒定加速应力,通过测试高温下功率蓝光GaNLED芯片的寿命,预测其常温下的工作寿命,探讨所用方法对功率LED芯片寿命预测的可靠性和合理性。

1   阿仑尼斯模型

微观分子和原子结构物理或化学变化将导致产品特征参数的退化,当这种退化超过了某一界限 时,产品将发生失效。退化所经历的时间,通常称之为产品寿命。LED器件输出光功率P的衰减是随通电工作时间t变化的慢退化过程,可表示成指数关系:

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式中,β为某一温度下的退化系数。一般定义LED器件使用寿命为:在工作电流If下,器件输出下降到初始值P0的50%时的工作时间,以Lc表示。

阿仑尼斯模型最为显著的特征是器件某性能退化速率具有热激活的函数形式,即与激活能Ea的指数成反比,与温度T倒数的指数成反比。对于LED器件,符合阿仑尼斯模型的参量有退化系数β,其与芯片结温Tj的关系可表示为:

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式中,β0为常数,k为波耳兹曼常数;Tj为芯片结温。

对于结温为Ti的LED ,由式(1)描述的工作时间为ti和Lc的输出光功率变化为 ln(Pi/P0)=-βtti和ln(P0.5/P0)=ln0.5=-βtLci;可测算对应寿命:

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同理,另一结温Ti+1下的LED寿命与输出光功率关系为-βt+1Lci+1=ln0.5,于是,有-βtL ci=-βt+1 Lci+1=ln0.5。根据方程式(2),有L ciexp(-Ea/kTj)=Lci+1exp(-Ea/kTj+1)。则激活能Ea可通过测量两个不同温度下LED的寿命来确定,即:

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由于室温Tc下LED器件性能退化速率缓慢,失效现象不明显,可以选择测量随温度退化速率变化较快特性的寿命,外推估算到室温LED器件寿命为:

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2   结温测算方法

样品采用同批次生产的功率蓝光GaNLED芯片,大小为1mm×1mm,正装同侧电极及背镀反射层结构,如图1所示。选用一般常见的封装管壳(图2),经银浆固晶和引线键合后,灌封薄层高温硅胶保护,以尽可能减少封装因素,意在突出考核芯片在实验中的作用.


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造成LED器件退化的主要应力来自结温的影响,故测算结温是整个实验的关键。因芯片结温Tj=Tk+VfIfRj-c,则芯片pn结到外壳的热阻:

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式中,Tk为器件的外壳温度,Vf为正向电压。

在恒定电流下,LED的正向电压Vf与芯片pn结温度Tj具有很好的线性关系,此特性被作为测量LED器件结温的物理基础。正向电压随温度的变化关系可近似为:

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式中:Vf1、Vf0分别是Tj、T0时的正向电压;K为热敏温度系数,它与LED芯片衬底材料、芯片结构、封装结构、发光波长等都有关系。图3为结温测算原理图,DUT为被测器件;K为切换开关,0为未加电,1为测试,2为加电工作状态;It为测试恒流源;Io为工作恒流源;Vf为正向电压测试系统;Tc为被测器件环境温度。采用常规的热电仪表和设备,将待测LED器件连接于图3所示电路中,不通电并置于特定温度下,热平衡后,将开关从0切换到1状态,测试正向电压Vf;选定不同的温度,重复测试Vf,即可得到LED器件Vf与Tj的关系。再使待测LED器件处于工作状态,即通电350mA并置于相应温度下,待热平衡后,将开关从2切换到1状态,测得正向电压并进行换算,即可得到LED器件在此状态下的结温Tj,根据式(6)计算可得器件热阻。经实验测算,本实验样品器件的热阻约为19~20℃/W。掌握壳温Tk、热阻Rj-c和结温Tj的对应关系,以便在实验过程中通过壳温Tk控制热应力的大小。


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3   加速寿命实验与结果

首先,通过摸底实验确定加速寿命实验的应力 水平,以保证高应力下产品的失效机理与正常应力水平的失效机理相同。对于电子产品高温应力一般不超过500K。本加速寿命实验采用自制实验针床(图4)使功率LED串联连接,器件背面涂敷散热硅油,弹性压力探针使器件与针床铝合金支架接触良好,铝合金支架体现热沉作用,因此认为器件的外壳温度近似于烘箱温度,则LED芯片结温的差异由热阻大小决定。采用高温恒定应力加速寿命实验,选取两个较高的热应力水平S1、S2,即实验烘箱温度为152℃和170℃,对应每组实验样品5只。将针床置于电热鼓风干燥箱中,按实验设计的高温应力设定烘箱温度,进行加温恒流(350mA)通电实验,通电实验时间分别为t1=240h和t2=168h。 


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对实验样品分别进行预处理、热阻和初始光电参数检测、加速实验、恢复和最后检测后,获得温度Ti组的实验数据 (P0,0)、(Pi,ti)和温度 Ti+1组的实验数据(P0,0)、(Pi+1,ti+1)。根据式(3)计算可求得各器件对应结温下的寿命Lci,包括热阻(Rj-c)、结温(Tj)、初始光功率(P0)、240h (表1)后光功率及168h(表2)后光功率(P)、加速寿命(Lci )实验数据和结果见表1、2,其平均寿命为Lc1=961h和Lc2=630.6h。

采用结温Tj和寿命Lci的平均值,通过式(4)计算激活能Ea=0.42eV。对应于某一失效机理,激活能是晶体中晶格点阵上的原子运动到另一点阵或间隙位置时所需的能量,是反映温度应力对产品寿命影响的一种指标。激活能越小,失效的过程越容易进行。 对于热阻Rj-c为19~20℃/W的实验样品,在室温Tc=25℃下的对应的结温Tjc=320K偏高,导致工作寿命减短:实验样品在Tjc=320K下,采用S1应力实验结果Lc1=961h和Tj1=447K,按式(5)计算,可得的期望寿命Lc=72692h;若采用S2应力实验结果Lc2、Tj2计算,则期望寿命Lc=72738h。考虑到目前封装工艺水平可使器件的热阻达到或低于Rj-c=10℃/W的因素,则以芯片结温Tjc=310K为正常应力,计算正常期望寿命分别为Lc=118871h和118795h。芯片结温Tj=310K和Tj=320K的期望寿命比较说明:当电流等条件不变时,封装技术造成的热阻和结温高低决定器件寿命的长短,故提高LED寿命的关键在于降低芯片结温及器件热阻。 


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加速因子τ也称加速系数,其定义为正常应力作用下的寿命Lc与加大应力下产品的寿命Lci之比:

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由此看出激活能越大,加速系数也越大,越容易被加速失效,加速寿命实验效果越明显。以芯片结温Tjc=310K为正常应力,由式(8)计算,S1应力(Tj1=447K)的加速系数τ=123;而S2应力(Tj2=465K)的加速系数τ=187。本实验所用器件的激活能较小(<0.5eV),加速系数也相对较小,若加速应力较低时,加速寿命实验效果不明显 ,需要较长的实验时间。

4   结语

通过建立LED寿命测量的阿仑尼斯模型,设计了高温恒定应力加速寿命实验方法。此方法简单、方便、实用,适用于缓慢退化和失效现象不明显的LED器件。所考虑的激活能是不随温度变化的常数,保证了加速寿命实验可行性。由于时间、实验器材等的限制,本文加速寿命实验中只选取了较高级的两个应力水平,预测了功率蓝光GaNLED器件的寿命,主要目的是为芯片设计和生产提供验证和参考。对于蓝光芯片激发荧光粉的白光LED器件及其应用产品的工作寿命预测,有待进一步深入地研究。








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