温州出租车公司电话:白光LED老化寿命试验分析研究

来源:百度文库 编辑:偶看新闻 时间:2024/03/29 09:12:27
白光LED老化寿命试验分析研究
logo设计分享到: 本站编辑:admin 日期: 2011-09-08 19:17 点击:179次  摘要:本文通过高温通电加速寿命实验法,着重研究了厦门华联电子有限公司专为照明用光源研制的LED:HDFL09RA-ZWH04(SK1)在80℃、90℃、100℃和350mA 驱动电流下的老化寿命试验特性。
  关键词:白光LED 老化 研究
  
  0 引言
  随着民众对环境保护越来越关注,传统型节能灯和日光灯由于存在生态环境中严重的汞污染问题,将不可避免被新型的绿色、环保型照明光源替代。以LED为代表的半导体照明光源,被认为完全可以解决节能灯汞污染的问题,因为不含汞,可以大幅度减少废旧灯具的环境污染,而且采用低压直流供电,没有红外、紫外辐射,可以节电80%,使用寿命长达8~10年,白光LED替代白炽灯、荧光灯进入普通照明已是不争的事实。
  1 论述
  虽然白光LED在寿命和节能方面有很大优势,但白光LED经过长时间连续工作难免会引起光衰,器件寿命与可靠性问题的矛盾显得非常突出。LED光源的寿命是直接影响其使用性能的关键因素,因此分析和研究LED光源的寿命和可靠性是保证产品性能的重要环节。
  LED光源的可靠性一般是通过产品在规定的条件下,其有效工作时间内光输出变化量来表征的。加速寿命试验是在不改变产品失效机理的前提下,利用加大应力(如温度、电流等)的方法来加快产品的老化,从而在短时间内获得产品失效信息,进而预测其在正常应力下的寿命特征。本文采用寿命试验数学模型,通过一些试验数据,对白光LED寿命和可靠性进行分析和探讨。
  2 论据
  本实验所用器件为厦门华联电子有限公司专为照明用光源研制的LED:HDFL09RA-ZWH04(SK1),试验器件是同一类型,取自同一生产线中。所有样本包括支架结构、芯片材料、荧光胶材料、装架、键合、封装工艺完全相同。其特点如下:采用大尺寸40mil×40mil蓝色芯片(波长455nm~457nm)、PPA 194铜合金支架、双半椭圆球形状模条、高性能硅胶一次性封装,出光为照明需求的矩形光斑,可耐受高温回流焊接而不会开裂,能满足贴片生产线的工艺要求,其结构如下图所示(1:支架、2:硅胶、3:荧光粉、4:蓝色芯片、5:金丝、6:齐纳芯片、7:银胶)。
  2.1 失效判据
  由于LED很少因停止发光而失效,但光输出却因其衰减而不能满足使用要求,一般把在25℃的环境温度时光通量(或光功率)衰减到初始值的70%的工作时间作为LED的使用寿命,因而光衰与其可靠性紧密相关。
  Pt/P0=C,取C=0.7作为失效判据
  式中:
  P0为初始光通量(或光功率);
  Pt为加温加电后对应某一工作时间的光通量(或光功率)。
  2.2 光功率衰减模型
  参照亚玛卡西(Yamakoshi)的LED处于缓慢衰减的模式时,输出功率随工作时间的变化用指数函数表示为:
  Pt=P0exp(-βt) <2.2-1>
  β=-ln(Pt/P0)/t
  式中:β为某一结温下的退化系数;t为某一结温下的工作时间。
  2.3 某一试验温度下的加速试验寿命LC,i:
  通过公式<2.2,转自[星论文网]www.starlunwen.net-1>和不同加速环境温度Ta,i下的试验数据(Pt,i 、ti),代入失效判据数值C,可以计算该试验环境温度下的加速平均寿命Lc,i。
  LC,i=tilnC/ln(Pt,i/P0,i)=-ln0.7/βi <2.3-1>
  式中:i为不同的试验环境温度的应力水平,可取为1、2、…r;βi为某一试验温度下的退化系数;ti为某一试验温度下的工作时间。
  2.4 结温(对于小功率LED结温可按以下公式求得):
  Tj=Tc VFIFRj-c<2.4-1>
  式中:Tj为结温;Tc为壳温;VF为正向电压;IF为正向电流;Rj-c为结到壳的热阻。
  2.5 温度应力加速模型
  退化系数与结温之间的关系可用阿仑尼斯(Arrhenius)方程表示:
  β=IFβ0exp(-Ea/KTj)<2.5-1>
  式中:IF为工作电流,β0为常数;Ea为激活能;K为波耳兹曼常数(8.62×10-5ev);Tj为结温(绝对温度)。
  2.6 激活能:
  通过公式<2.2-1>、<2.3-1>、<2.5-1>求出激活能Ea
  Ea=Kln(LC,i-1/LC,i)/(1/Tj,i-1-1/Tj,i)<2.6-1>
  式中:Tj,i-1、Tj,i为不同试验环境温度下的结温。
  2.7 常温(Ta=25℃)环境下的平均工作寿命LC,0:
  通过公式<2.6-1>求得
  LC,0=LC,iexp[Ea/K(1/Tj,0-1/Tj,i)]
  式中:Tj,0为正常工作环境温度下的结温。
  3 试验结果
  根据上述数学模型和失效判据,将白光LED在80℃、90℃、100℃和350mA 驱动电流下进行老化寿命试验,得出试验结果为:
  4 分析
  4.1 明确失效定义和失效判据 半导体器件的失效主要有:芯片失效、封装失效、电过应力失效、热应力失效、装配失效等。对于突变失效,容易区分正常状态与失效状态,而对于性能退化和参数漂移引起的渐变失效,则必须明确失效判据或极限状态的定义。这种失效定义可以是针对整个产品的,也可以是针对决定产品寿命的关键零部件的,视产品的特性而定。本文以在25℃的环境温度时,光通量(或光功率)衰减到初始值的70%作为器件的失效判据。
  4.2 影响白光LED寿命的因素分析 键合焊点质量:焊点质量与工艺条件的温度、时间、功率和压力关系密切,而温度、时间、功率、压力未调整合适则会使芯片和支架焊点质量差,甚至出现芯片暗裂的隐患,影响发光效率和寿命。
  封装材料和散热问题: 环氧系塑料的性能,包括光透过率、膨胀系数、玻璃转化点、气密性等会严重影响器件的寿命,实验表明在相同条件下硅胶的光衰相比环氧树脂要小很多。封装中的散热是一个重要问题,LED可靠性研究发现光衰的一个重要原因是由于芯片温度升高,导致芯片附近封装材料的变色导致透明度下降,另外长时间接受蓝光与紫外线的辐射也会降低化学聚合物的光学透明度并引起封装材料的缓慢退化。
  LED芯片材料中的缺陷:会引起器件光输出的衰减,半导体薄膜材料中的晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。由于缺陷对载流子具有较强的俘获作用,在LED芯片制备过程中引入缺陷将在有源层中形成无辐射复合中心,增加了光吸收,使得器件发光效率降低。而注入载流子的无辐射复合又会使能量转化为晶格振动,导致了缺陷的运动和增值。
  荧光粉的退化:在具有相同发射波长及初始光效的情况下,焠灭温度高的荧光粉可在一定程度上降低光衰,细粉径且窄分布的高光效荧光粉有利于获得良好的抗光衰特性。荧光粉与芯片的距离也是影响其光衰的重要因素。
  其它因素:封装体中各成分之间热膨胀系数不匹配引起的机械应力可能导致功率LED在高温下的失效。静电导致器件灾变性失效;电极性能不稳定导致器件失效等;都可能导致功率LED的失效。
  采用小功率单灯器件形式进行寿命试验,造成器件的光衰老化的因素复杂,可能有材料的因素,也有设备和工艺的因素。在试验过程中,采取多种措施,降低各种因素的影响,对可能影响寿命试验结果准确性的细节,逐一进行改善,保证了寿命试验结果的客观性和准确性。
  5 结论
  由于LED的平均寿命一般都在几万小时,因此一般的寿命试验已无法对其寿命进行评估。所谓加速试验是在比规定正常使用条件更短的时间内确保获得所需可靠信息的试验。对于大多数器件产品,其寿命试验只能进行加速试验,以节省费用和缩短产品开发周期。
  本文给出了采用加速寿命试验能够在较短时间内求取LED平均寿命的方法并对影响器件寿命的各种因素分析研究,是对LED长期使用可靠性进行评价的有效途径。通过试验表明厦门华联电子有限公司研制的白光小功率LED在25℃的环境温度时光通量(或光功率)衰减到初始值的70%的工作时间(LED的使用寿命)在10万小时左右,完全能满足于目前照明行业对光源的要求。
  
  参考文献:
  [1]NAKAMURA S.MUKAI T.SENOH M.candela-class high brightness InGaN/AlGaN double-hetero structure blue-light-emitting diodes[J]Applied physics Letters.1994.64(13):687-689.
  [2]陈贵楚,范广涵,陈练辉等.《掺杂与Al组分对AlGaInP四元系LED发光效率的影响》.光子学报,2004,33(3):310-313.
  [3]赵楚军,李宏建,崔昊杨等.《电场对单层有机电致发光二极等复合发光的影响》.应用光学,2005,26(2):47-50.
  [4]GB 2689.1-81.恒定加速寿命和加速寿命试验方法总则.
  [5]SJ/T11394-2009.半导体发光二极管测试方法.
  [6]SJ/T11393-2009.半导体光电子器件.功率发光二极管空白详细规范.
  [7]GB/T ××××-××××.LED加速寿命试验方法(草案稿).
  [8]第十一届全国LED产业与技术研讨会论文集.LED寿命试验方法的研究.赵敏,张万生,徐立生.
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文