LED可靠性

LED可靠性初探
一. 研究背景
1. LED：半导体发光二极管，即将成为21世纪的新一代光源——绿色固态照明光源。

●高效低耗，节能环保；
●低压驱动，响应速度快,安全性高；
●固体化封装，耐振动，体积小，便于装配组合；
●可见光区内颜色全系列化，色温、色纯、显色性、光指向性良好，便于照明应用组合；
●直流驱动，无频闪，用于照明有利于保护人眼视力；
●使用寿命长。

2. LED产业：商机巨大，朝阳无限，任重道远。

●LED应用极其广泛，一旦半导体照明应用启动，需求量将成爆发式增长；
●官产学研高度重视，大力推进，LED半导体照明应用已露曙光；
●业界(尤其在国内)水平参差不齐，尚未形成高水平的产业链群，普遍存在急于将尚未成
熟的LED匆匆推入照明领域的冒进心态。

3. 应用瓶颈：性价比、可靠性、认识误区。

●光效率偏低，价格偏高。

如目前白光POWER LED：10~35 lm/W，USD0.1~0.2/lm，综
合性价比暂时无法超越普通光源；
●业界上、中、下游对LED的可靠性（尤其是寿命）的认识和评判存在误区，缺乏有公
信力的可靠性评估标准和试验认证机构，造成芯片厂家不敢对封装厂家作可靠性承诺，封装厂家或无法、或不负责任地对用户作可靠性承诺，直接影响用户将LED应用于照明的信心；
●业内厂家（尤其在国内）大多数只追求LED的初始特性，甚至为求降低价格而不顾品
质，对LED的可靠性普遍重视不足。

若以这种思维定势和作法将LED推入照明领域，极有可能产生灾难性的后果。

●业界上、中、下游普遍缺乏沟通，对影响LED性能的因素认识不全面，各自本位地、
想当然地从自身的角度去制造和使用LED，使LED的性能得不到有效保障和充分发挥。

二. 研究目的：
明晰描述LED可靠性的相关概念，分析LED的失效机理，初探影响LED可靠性的因素，以期抛砖引玉，引起官产学研界对LED可靠性的充分重视，建立具有公信力的LED可靠性评估标准和试验认证机构，共同打造LED的良好性能、品质和形象，使其健康地步入照明领域。

三. 描述LED可靠性的相关概念
1. 失效：执行规定功能的能力的终止。

2. LED失效类别：
1)严重失效：关键的光电参数改变至LED不能点亮的程度。

2)参数失效：关键的光电参数由初始值改变至超过一定程度。

●一般正常轻微的不影响LED工作的光电参数随时间的变化，不被认作失效；
●I V/φ中等程度的下降、V F及I R中等程度的变化，可能被认做失效。

3. 失效率（λ）：单位工作时间内LED严重失效数的百分比。

典型LED失效率曲线
N
● 老化阶段（Burn-in Period ）——早期失效（early failures ）。

失效发生在产品使用的初期，失效率较高，随工作时间的延长而迅速下降。

造成早期失效的原因大多属生产型缺陷，由产品本身存在的缺陷所致。

通过可靠性设计、加强生产过程的质量控制可减少这一时期的失效。

进行合理的老化、筛选尽可能在交付使用前把早期失效的器件淘汰掉。

● 有效寿命阶段(Useful life Period)——随机失效(random failures)。

失效率很低且很稳定，近似为常数，器件失效往往带有偶然性。

这一时期是使用最佳阶段。

● 耗损阶段（Wear-out Period ）——耗损失效(wear-out failures)。

失效率明显上升，大部分器件相继出现失效。

一般出现在产品使用后期。

耗损失效多由于老化、磨损和疲劳等原因使器件性能恶化所致，应及早更换器件以保证设备的正常工作。

4. 平均无故障时间 (MTTF)：
注： N=元器件总数；n=失效元器件数 MTTF= = t=工作时间。

当n=0时，计算中取n=1。

5. 可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

⑴ 规定的工作条件：
● 环境条件：a 、气候环境：温度、湿度、气压、气氛、盐雾、霉菌、辐射等； b 、机械环境：振动、冲击、碰撞、跌落、离心、摇摆等。

； ● 负荷条件： 电、热、力等应力条件；
● 工作方式：a 、连续工作 b 、间断工作 c 、存储状态（不工作）。

⑵ 规定的时间：指评价电子元器件的可靠性和规定的时间有关，在同一工作条件下，保持的时间越长可靠性越高。

⑶ 可靠性=固有可靠性+应用可能性
● 固有可靠性：出厂前的设计制造过程中决定的元器件本身具有的可靠性特性； ● 应用可靠性：元器件交付使用后，由于电路的工作条件、环境条件、人为因素等引 发的可靠性问题；
● 国内外有关资料表明：在电子元器件的失效中，由于选择或使用不当等人为因素导
致失效的比例高达总失效数的50%~70%。

由此可见，LED 业界的上、中、下游必须加强沟通配合，共同解决可靠性问题。

LED 的制造者除了担负保证LED 的固有可靠性的责任外，还应指导用户提高LED 的应用可靠性，帮助用户解决以下问题： a 、 正确合理选用LED b 、降额使用 c 、热设计 d 、抗辐射
e 、防静电
f 、操作问题的损伤
g 、储存和保管
6. 可靠度R(t)：表示电子器件产品在规定条件下使用一段时间t 后，还能完成规定功能的概率。

（1）如果有N 个电子器件产品从开始工作到t 时刻的失效数为n (t), 当N 足够大时， 产品在
t 时刻的可靠度可近似表示为：
R （t ）≈
（2）在有效寿命阶段，失效率λ是一个常数；
a) R(t) = exp[-λt]
b) 一次严重失效的概率：P(t) = 1- R(t) (3) 失效率可以用不同的时间单位来描述。

（如右表） 7. 在不同温度上估算失效率：
λ1=结温T1的失效率
λ 1
n
Nt N - n (t)
-lnr
i n!
(n-x)!x! x n-x 1
λ
λ
-ln0.5
λ
k=波尔兹曼常数
8. 系统失效率：
● 通常，单独一个元件的失效导致系统失效的系统可靠度，可用以下公式计算：
R(t) = exp[-(∑λi) (t)]
（注：在很多系统里，多个LED 失效会被认为是总体光输出或系统光输出模式的一次失效）
● 由 n 个同样的元件组成的系统： R(t) = exp[-λnt]
● 在n 个失效率为p 的相同元器件组成的系统中有x 个元器件失效的概率：
P(nx) = p (1-p) 9. 寿命：在某一个特定电子元器件个体发生失效之前，难以标明其确切的寿命值，但明确了某一批电子元器件产品的失效率λ(t)特征后，就可以得到表征其可靠性的若干寿命特征量，如平均寿命、可靠寿命、中位寿命、特征寿命等。

● 平均寿命μ：指一批电子元器件产品寿命的平均值。

μ=MTTF= ● 可靠寿命T R ：指一批电子元器件产品的可靠度R(t)下降到r 时,所经历的工作时间。

T R=
● 中位寿命T 0.5：指产品的可靠度R(t)降为50%时的可靠寿命。

T 0.5=
● 特征寿命T 0.368：指产品的可靠度R(t)降为1/e 时的可靠寿命。

● LED 的寿命：业界通常默 认为IV/φ衰减至初始值 50%时的时数（其它参数未 失效）。

从美国Lumileds 公 司公布的5mm 白色LED （20mA ）和Power LED （350mA ）的常温老化曲线 中可看到5mm 白色LED 的
寿命大约只有6000小时。

四. LED 的失效分析
LED 失效机理（模式）： a. 封装失效
b. 芯片失效
c. 电过应力失效
d. 热过应力失效 影响LED 的应用可靠性
e. 装配失效
影响LED 的固有可靠性
五. 改善LED可靠性必须考虑的因素：
1. 封装失效:
1)结构设计
●整体外形
●出光通道：a. 透镜形状及透光率 b. 透镜界面及折射率的递变 c.透镜密封胶的选
择 d.固晶基座反射面
●电流通道：a.固晶基座的大小和材质 b.电流承受能力 c.电流密度分布
●散热通道：a. 固晶基座的大小和材质 b. 固晶方式 c. 界面物质的导热系数
d. 结温
e. 热阻
●应力保护
2)材料的评估与选用
●晶片：
a. 类别——GaP、ALAsGa、ALInGaP、InGaN/Al2O3、InGaN/SiC
b．结构——AuNi、ITO、Flip、Lift-off、AuSn
c．尺寸——电流承受能力d．导热系数
e．热阻
f．电极的结构、材质、
可焊性
g．抗静电能力（ESD）
h．Life Time
i．Iv/φ
j．λd/λp
h．V F/V F low
k．I R/V R/Vz
l. I F ~ V F
m. Iv ~ I F
n. λd/λp ~ I F
o. Δλ~ I F
p. I F ~ T
q. Iv ~ T
r. λd/λp ~ T
●固晶晶座/支架：
a. 材质
b. 导热系数
c. 尺寸大小
d. 电镀质量
e . 洁净度
f . 固晶方式的配合
g . 可焊性
●透镜/胶体：
a. 透光率
b. 折射率
c. 介电率
d.导热系数
e . 膨胀系数
f . T
g 点
g . 应力保护能力
h . 适应温度范围
●固晶胶：
a. 导电率/介电率 c. 粘度
b. 导热系数 d. 适应温度范围
●金线：
a. 电流承受能力 c.拉伸强度
b. 纯度
●荧光粉：
a. 激发效率
b. 受激波长
c. 衰减速率
d . 粒度大小
e . 离子含量
f . 吸潮性
●荧光粉调配胶/透镜密封胶：
a. 透光率
b. 折射率
c. 导热系数
d. 粘度
e. 兼容性
f. 可操作性
g . 适应温度范围
3）制程控制
●制程品质的重复性●固晶胶量●金球大小
●金球位置
●金线弧度
●ESD防护
●结净度
●温湿度
4）工艺条件
●固晶胶烘烤的温度、时间和进程
●焊线的加热温度、压力、超声强度、时间
●封胶的前、后固化温度、时间、进程（Tg）
●测试标准和条件
2. 芯片失效：
a)根据应用要求正确选用芯片；
b)严格按固晶、焊线的工艺条件和作
业标准控制固晶焊线制程；
c)必要时做好芯片表面的保护和欧姆
接触的应力保护；
d)对芯片的测试和使用必须按规定条
件进行；
e)做好ESD防护，如选用带ESD DIODE
的芯片(如右图)。

3. 电过应力失效
1)严格按规定条件驱动LED，
超出额定电流驱动LED将
严重影响LED的寿命和可靠
性；
2）在实际应用中，可根据电路的实际情况在LED正向加适当的限流电阻，在LED反向加适当的高电压硅二极管作保护，以防止瞬间大电流、高电压对LED的冲击；
3）切实做好ESD防护。

4. 热过应力失效
1) 必须在LED规定的结温范围内，超出规定结温范围使用LED将严重影响LED的寿命和
可靠性；
2)考虑可能出现的环境温度变化因素，使用必要的、适当的散热机构对LED作二次散热，
以确保LED在规定的结温范围内工作。

5. 装配失效
1) 组合装配使用LED必须考虑整体结构是否能满足LED的散热要求；
2）LED与二次散热板之间的介面必须选用适当的胶水粘合，否则会因胶水的导热不良而显著地增加介面的热阻，使二次散热的效果适得其反；
3）用金属夹层印刷线路板做POWER LED 的二次散热板时，务必考虑其夹层的介电能力，否则有产生短路的可能；
4）严格按规定的条件控制LED的焊接温度和时间。

六. 结束语
LED要真正进入大照明领域，除了要有高标准的初始特性和良好的性价比之外，还必须要有令人信服的可靠性作支撑。

只要我们彻底弄清影响LED可靠性的各种因素，针对其失效原因和机理，设计出合理的结构，选用适当的可靠性高的原材料，严格按工艺条件和作业标准控制制程，就一定期能够制造出高固有可靠性的LED，以满足日益增长的市场需求。