LED可靠性初探

LED可靠性初探

裴小明

广州市鸿利光电子有限公司 510820

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。

●

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

λ 1

Nt

典型LED 失效率曲线

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λa) R(t) = exp[-λt]

b) 一次严重失效的概率：(3) （如右表）

7. 在不同温度上估算失效率：

8.

9. 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 R(t)下降到r 时,

T ● 中位寿命T 0.5R(t)降为50%时的可靠寿命。 T 0.5● 特征寿命T 0.368R(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。