LED封装可靠性和寿命分析

LED的L-寿命的理解
同L-寿命相关的机理是光衰，或者反过来说，光维持。 LED的正常情形（非失效原因）的光衰同下述原因有关： 芯片结构 LED芯片PN结温 工作电流
根据美国ASSIST（Alliance for Solid-state Illumination Systems Technologies)的建议，L-寿命以LED光通下降到初 始70%为界限，记为L-70。当然在某些特殊应用上可以改变， 比如许多灯具连成一片的照明工程可以采用L-80；装饰性灯光 工程可以采用L-50。
Lifetime ExtrapolationⅡ（40mA on single chip）
L70和Tj的关系
Tj(℃) 83 100 113
Tj(K) 356 373 386
L70（hr） 62000 27000 9000
Lifetime Estimation and Analysis
LED灯具的寿命--- 系统概念
LED灯具成为一个系统，其可靠性几率同所有配件和 性能的失效率的加和有关：
R(t ) exp i t i
从上述公式中可以看出，如果某一因素的寿命特别 短，或者失效率特别高（寿命和失效率成反比）， 则系统可靠性只同这个因素有关。
影响LED灯具L-寿命的因素
LED封装可靠性和 寿命分析
钟群 博士
深圳中景科创光电科技有限公司
白光LED器件发光效率的发展和预测
白光LED同传统照明光源的比较
Lamp Type Power （ W） 15 60 10 50 28 58 5 Luminous Efficacy （lm/W） 10 15 12 18 80 90 50 System L/E （lm/W） 7 10 9 12 48 54 25 Lifetime （k hrs） 2 1 3 2 10 12 8 CRI （%） 98-100 98-100 98-100 98-100 50-90 50-90 65-88
15
75 400 400 n/a
70
75 100 110-140 120
35
40 50 50-64 75
5
15 10 20 50
65-88
70-85 70-85 25 80-90
LED（2012）
n/a
150
120
100
90-95
LED照明光源的环保特性
输入功率转化为： 白炽灯 可见光辐射能量 红外辐射能量 紫外辐射能量 辐射能量总和 5% 90% 0% 95% 荧光灯 23% 33% 3% 59% 金卤灯 27% 17% 19% 63% 白光LED （120 lm/W) 33% 0% 0% 33% 白光LED （240 lm/W) 66% 0% 0% 66%
其中：Ea：活化能，单位是电子伏特（eV） k：Boltzman常数（8.617 x 10-5 eV/K) Tj：结温，绝对温度
对于半导体材料来说，历史上Ea活化能定为0.43eV.但是对于AlGaInP和 InGaN这些LED材料来说，0.43eV已不合适，而且不同厂家生产的LED 材料的Ea都不相同。一般来说，Ea越大，则LED在低结温下寿命更长。
热能
总和
5%
100%
41%
100%
37%
100%
67%
100%
34%
100%
LED封装结构
DIP LED & Piranha
SMD LED LED Display
High Power LED
Βιβλιοθήκη Baidu
如何理解LED照明的寿命？

同LED器件,电源, 以及所有配件的寿命有关 寿命同可靠性有关，或者说同上述所有零部 件的失效有关： R(t) = 1 – P(t)
Junction Temperature (Tj) 40 ℃ 53 ℃ 70 ℃ 83 ℃ 100 ℃ 113 ℃
Drive Current on Single Chip (I) 20 m A 40 mA 20 m A 40 mA 20 m A 40 mA
Average Lumen Maintenance at 6000 hrs 101.9% 101.7% 102.3% 96.0% 93.5% 80.2%
6 7 8 9
Test time Case Temperature Temperature Measurement Measurement Tolerance & Instruments Temperature Current Lumen Output Forward Voltage Chromaticity Lumen maintenance data Junction Temperature
LED的L-寿命同LED-PN 结温有关
温度让材料中的原子互相扩散，破坏了LED PN结界面 的陡性，因此发光效率降低
LED的L-寿命同工作电流有关
工作电流的影响同芯片的结构有关。
电流扩散性影响芯片温度
LED器件寿命--- 同芯片和封装的关 系
1. LED寿命本质上是指芯片的寿命；
2. 在老化测试中，最先1000小时被认为是无效的。
中景LED器件的MTTF可达108device hrs； 单个器件使用10000小时的可靠性几率：
R(t) = exp{-10000/108} = exp {-10-4} = 99.99%
失效几率 P（t）= 1- R(t） = 0.01% or 100 ppm
传统照明工业的寿命标准
*B-寿命是指多少比例的产品毁坏性失效，比如开路，短路，不亮等
镍铬比例大则导热差
结温的推算--- 结温计算
1. 如果一个LED器件或LED灯具的从芯片PN结到环境的热阻是已知 的，而且功率是已知的，则结温可以通过上述公式知道。 2. TA代表所测点的温度，不一定是环境温度，可以是任何一个容易 测到而且温度能达到平衡的点。
LED器件寿命的测试--- TMP
TMP = 温度测量点 散热铜柱（Slug）上的温度 贴片LED的引脚上（Soldering Point）的温度 封装底座上的温度（Substrate)上的温度 LED模组上MCPCB（金属基PCB）的温度 电源外壳温度 电源基座温度
10 11
±2℃ ±0.1mA ±3.0% ±0.05V ±0.003 (See test reports) Tj is calculated by Tj = Ts + P*Θ (P: dissipation power; Θ : thermal resistance, ～50K/W)
12
Observation of LED failure
5050 3-chip PLCC6 SMD TOP LED，2700K，Ra≥80 (See test reports) Constant current at 20mA (Standard) & 40mA (maximum rated) Series connection of LED, individual connection of LED chips with current-limiting resistor to guarantee constant current passing every chip LEDs are operated in environmental control chambers. The temperature of the ambient air is actively controlled by air flowing through the chamber. Ta: 25, 55 & 85℃ RH: < 45% 6000 hrs The case temperature measurement point is the solder point of LED leads (cathode) Temperature is measure by K-type thermal couple (fine type).
TMP的测试示意图
LED器件的寿命评估--- IESNA LM80标准
美国新出台的IESNA LM80-08标准约定6000小时的 老化测试时间。
1 2 3 4 5
Description of LED light source Number of LEDs tested Operating cycle Electric Wiring Ambient conditions
LED器件寿命曲线的模拟和推导
Weibull Distribution
t f（t）
-1
e
t --
其中：β是无量纲，修正曲线的形状； λ是失效率； t 是时间。
Lifetime ExtrapolationⅠ（20mA on single chip）
结温的 推算
---热阻 定义
结温的推算 --- 热阻模 型
同电阻计算 完全一致！
结温的推算--- 热阻模型
R
1


L A
单一材料热阻计算
热阻计算公式： 一般材料的导热系数（W/mK）： 纯铝 220 120-180 纯氧化铝 ABS 37 0.25
L R A
其中： σ代表导热系数
LED的B-寿命的理解
同B-寿命相关的失效机理是Catastrophic Failure（崩溃失效） LED的崩溃失效有： • 开路或短路
•
灭光（或非正常的急剧光衰）
一般来说，如果以上述彻底毁坏的因素来定义LED器件的B-寿命， 则LED器件的寿命非常长，即使B-10都能超过10万小时。事实上， LED器件的B-10寿命必须同L-寿命结合起来考虑。
1
铝合金
纯铜
黄铜 纯金 纯银 纯铁 锡 钛
386
119 318 418 72 64 15.6
有机玻璃
PC PS PVC 硅橡胶 环氧树脂 玻璃
0.19
0.19 0.1 0.16 0.19 0.2 0.78
L：代表导热距离
A：代表导热截面积
金刚石
钨 不锈钢
2100
180 12-40
砖头
木头
0.69
0.1-0.15
R(t)：可靠性几率 P(t)：失效几率 t：时间
平均失效时间 MTTF
MTTF = Mean Time To Failure •可靠性几率同失效率λ成指数关系 R(t) = exp(-λt) •MTTF和失效率成反比 MTTF = 1/λ •寿命同MTTF成正比关系, 和失效率成反比关系
实例分析
Incandescent Incandescent Tungsten-halogen Tungsten-halogen Fluorescent Tube Fluorescent Tube Compact Fluorescent Lamp
Compact Fluorescent Lamp
Metal Halide Metal Halide High Pressure Sodium Vapor LED（2010）
影响LED器件可靠性的主要因素
封装材料的光热稳定性和应力：



应力小：热膨胀或收缩系数比较小 玻璃化温度（Tg）影响上述系数 高透光率而且无黄变 耐热耐紫外 无吸湿性
硅胶和环氧树脂的性能比较
硅胶针对不同波长的透光率
耐温实验
紫外稳定性
L-寿命--- 同LED PN结温的关系
L-寿命同LED结温的关系采用Arrhenius模型： Lifetime ∝ exp(Ea/kTj)



LED芯片的寿命 LED封装材料对光和热的抵抗性 LED灯具中光学系统和透光材料的透光率稳定性 LED驱动电源的寿命 LED灯具结构在恶劣环境中的寿命
LED灯具的L-寿命等于上述寿命中最短的一个！
延长LED系统寿命--- 降低LED结温
1. 降低LED芯片PN结和灯具外壳或散 热片之间的热阻。 2. 增加外壳或散热器对空气的散热能力， 降低外壳或散热器的温度。
No failures occurred during testing
老化测试数据总结
Data Set 1 2 3 4 5 6
Ambient Temperature (Ta) 25 ℃ 25 ℃ 55 ℃ 55 ℃ 85 ℃ 85 ℃
Case Temperature (Ts) 30 ℃ 33 ℃ 60 ℃ 63 ℃ 90 ℃ 93 ℃