-
LED的壽命試驗方法
LED的壽命試驗方法中電科技集團(tuán)第十三研究所 張萬生 趙敏國家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 徐立生2.適用范圍3.定義4.樣品及試驗應(yīng)力5.失效判據(jù)6.參數(shù)測試失效時間和失效數(shù)的確定7.數(shù)據(jù)處理方法8.試驗案例9.加速模型檢驗10.討論11.結(jié)語前 言平均壽命是電子元器件＊常用的可靠性參數(shù)，發(fā)光二極管的平均壽命一般以光通量（光 功率)的衰減值作為單一失效判據(jù)來獲取試驗數(shù)據(jù)，這時采用本標(biāo)準(zhǔn)給出的一種可縮短試 驗時間獲取試驗數(shù)據(jù)的方法和比較簡易的數(shù)據(jù)處理程序（簡稱退化系數(shù)外推解析法）。當(dāng) 白光LED需要考慮色溫漂移時，以色溫漂移為單一判據(jù)的白光LED或同時考慮色溫漂移和 光通量衰減具有2個失效判據(jù)的白光LED，則采用常規(guī)的定數(shù)截尾法獲取試驗數(shù)據(jù)，并采 用已有的國家標(biāo)準(zhǔn)：壽命試驗和加速壽命的簡單線性無偏估計法（GB 2689.3－81）、壽 命試驗和加速壽命的＊好線性無偏估計法（GB 2689.4－81）來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然而這 種情況則需要較長的試驗時間，而且數(shù)據(jù)處理的方法也比較復(fù)雜。 因此我們在制定“LED壽命試驗方法”的標(biāo)準(zhǔn)分為2個階段：（1）以光通量（光功率)的衰減值作為單一失效判據(jù)來獲取試驗數(shù)據(jù)，采用退化系數(shù)外推 解析法處理試驗數(shù)據(jù)（也可采用GB 2689.3－81 ）。這一部分適用于單色光和不考慮色 溫漂移的白光LED已較成熟，現(xiàn)已可形成標(biāo)準(zhǔn)申報實用。（2）當(dāng)白光LED需要考慮色溫漂移時，其失效判據(jù)及數(shù)據(jù)處理方法我們正處于 研究之中。 待成熟時，將采用線性無偏估計的方法單獨形成另一標(biāo)準(zhǔn)。31 適用范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了求取LED（以下簡稱產(chǎn)品）平均壽命的恒定應(yīng)力加速壽命試驗的數(shù)據(jù)獲 取和數(shù)據(jù)處理方法。它適用于各種單色光LED光輸出和不考慮色溫變化白光LED 的慢 退化模式。2 引用文件GB 2689.1－81 恒定應(yīng)力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則GB 2689.2－81 壽命試驗和加速壽命試驗的圖估計法（用于威布爾分布）GB 2689.3－81 壽命試驗和加速壽命試驗的簡單線性無偏估計法（用于威布爾分布） GB 2689.4－81 壽命試驗和加速壽命試驗的**線性無偏估計法（用于威布爾分布） GB/T 4589.1 －2006 分立器件和集成電路總規(guī)范SJ/T 2355-2006 半導(dǎo)體發(fā)光器件測試方法3 定義3.1 LED產(chǎn)品壽命 LED產(chǎn)品壽命是在規(guī)定的工作電流和環(huán)境溫度下，光輸出下降到規(guī) 定數(shù)值的工作時間，它是一個隨機(jī)變量，在掌握了一批產(chǎn)品的統(tǒng) 計規(guī)律后，可以得到其中某一個產(chǎn)品壽命小于某一數(shù)值的概率。3.2平均壽命 平均壽命是LED產(chǎn)品壽命的平均值，對于不可維修的LED產(chǎn)品，通 常用“失效前的平均工作時間”（MTTF）來表示，其意義是LED 產(chǎn)品失效前的工作時間的平均值(數(shù)學(xué)期望值)。4 樣品4.1抽樣參加試驗的樣品必須選擇同一設(shè)計的產(chǎn)品型號具有代表性的規(guī)格,在經(jīng)過老化 篩選和質(zhì)量一致性檢驗合格批的母體中一次隨機(jī)抽取。通過老化篩選剔除快退 化和突然失效器件。4.2樣品數(shù)量每個應(yīng)力水平下的小功率樣品數(shù)量不少于10只，功率型產(chǎn)品不少于5只。5 試驗應(yīng)力一般情況下，一個完整的加速壽命試驗其應(yīng)力水平應(yīng)不少于3個。為了保證試 驗的準(zhǔn)確性，**應(yīng)力和**應(yīng)力之間應(yīng)有較大的間隔。其中一個應(yīng)力水平應(yīng) 接近或等于該產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的額定值。**應(yīng)力水平不得大于該產(chǎn)品的 結(jié)構(gòu)材料、制造工藝所內(nèi)承受的極限應(yīng)力，以免帶進(jìn)新的失效機(jī)理。66 失效判據(jù)6.1光通量（或光功率）的衰減 對于單色光LED或白光LED（不考慮色溫時）可根據(jù)不同應(yīng)用要求，取光通量衰 減到初始值的50％或 70％作為失效判據(jù)。還可根據(jù)具體情況,取大于70％的加嚴(yán) 值。6.2 色溫漂移《見13.5（2）》7.1 試驗中應(yīng)測量的主要參數(shù)為光通量（或光功率）、色溫（色坐標(biāo)），其它 參數(shù)為熱阻、 正向電壓、色容差等。測量方法及要求應(yīng)符合SJ/T 2355－2006 中的相關(guān)規(guī)定。7.2 測試環(huán)境、測試儀器及測試設(shè)備的要求應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。7.3 在沒有自動記錄的試驗中，具體產(chǎn)品測試間隔時間的選擇，可通過摸底試 驗來確定。測試間隔時間的長短與施加應(yīng)力的大小有關(guān)，施加應(yīng)力小，則測 試間隔長；施加應(yīng)力大，則測試間隔短。每個加速應(yīng)力水平下的壽命試驗的 測試數(shù)據(jù)點數(shù)m不應(yīng)少于5個（m≥5）。 7.4在沒有自動記錄的試驗中取出樣品進(jìn)行測試到再次投入樣品繼續(xù)進(jìn)行試驗 的時間一般不應(yīng)超過24小時。7.5 試驗過程中，每次測試均應(yīng)使用同一測試儀器和工具，如必須更換時，則 必須經(jīng)過計量，以便保證測試精度。8失效時間和失效數(shù)的確定8 失效時間和失效數(shù)的確定8.1 有自動實時記錄裝置的，以自動記錄到的時間計算。8.2 對于以光通量衰減作為單一失效判據(jù)8.2.1 通過光通量衰減系數(shù)計算某一產(chǎn)品的試驗截止時間和某一結(jié)溫下的工作壽命（簡 稱退化系數(shù)外推解析法），按不同應(yīng)用要求，取光通量衰減到初始值的50％或70％作為失效判據(jù)。計算公式如下：Pt = P0 exp(-βt) <8.2-1>式中:P0為初始光通量(或光功率)；Pt為加溫加電后對應(yīng)某一工作時間的光通量（或光功率）；β為某一結(jié)溫下的退化系數(shù)；t為某一產(chǎn)品的試驗截止時間。Lc,i =tilnC<8.2-2>ln Pt,iP0,i式中：i為不同的試驗環(huán)境溫度的應(yīng)力水平，可取為1、2、…r；Lc,i為某一結(jié)溫下的工作壽命,C= Pt/ P0 ；8.2.2 試驗截止時間必須保證LED的初始光通量（或光功率）產(chǎn)生足夠的退化，為減少試驗數(shù)據(jù)的誤差，第一個數(shù)據(jù)點的退化量應(yīng)大于儀器測量誤差，可以采用 圖估法(在概率紙上描點劃線或運用計算機(jī))進(jìn)行線性擬合，選取偏離直線＊ 小、光輸出衰減較大的試驗數(shù)據(jù)點，該數(shù)據(jù)點的累計時間即為試驗截止時間， 通過公式<8.2-2>計算給定結(jié)溫下的失效時間（工作壽命Lc,i），這樣可以縮短 試驗時間。8.2.3通過某一產(chǎn)品光通量退化系數(shù)和試驗截止時間外推某一結(jié)溫下的加速壽命時， 可有以下2種方式：（1）若光功率的初始值一直下降，如圖8.2－1所示，則加速壽命為Lc,i＝ T，則可直 接用退化系數(shù)外推求得。圖8.2－1 光功率的初始 值一直處于下降時的加 速壽命示意圖（2）若光功率出現(xiàn)先上升再下降的情況，如圖7.2－2所示，則加速壽命為Lc,i＝ T1＋（T2－T1） <8.2-3>其中 光功率下降到初始值P0的試驗時間為T1，用退化系數(shù)外推法求得的壽命為T2－T1。圖8.2－2 光功率出現(xiàn)先上升再 下降時的加速壽命示意圖8.3 對于以色溫漂移為單一失效判據(jù)的白光LED或具有光通量衰減和色溫漂移2個 失效判據(jù)的白光LED，則需產(chǎn)品試驗到失效時方可截止， 試驗截止時間即為失效 時間(加速壽命)，這樣就需要較長的試驗時間。8.4 試驗采用定數(shù)截尾，一般情況下，試驗截尾時間應(yīng)使失效數(shù)r大于或等于投試 樣品數(shù)n 的30%，當(dāng)失效數(shù)無法達(dá)到30%n時，至少有r≥4。試驗過程中由于非產(chǎn)品 本身原因所造成的失效不應(yīng)計入失效數(shù)內(nèi)。119 數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)處理方法以光通量衰減作為單一失效判據(jù)采用退化系數(shù)外推解析法9.1.溫度應(yīng)力加速模型 退化系數(shù)與結(jié)溫之間的關(guān)系用阿侖尼斯（Arrhenius）方程表示β= IFβ0exp(-Ea/k Tj) <9.1-1>式中IF為工作電流，β0為常數(shù)；Ea為激活能；k為波耳茲曼常數(shù)(8.62×10-5ev)；Tj為結(jié)溫（**溫度）。 9.2 結(jié)溫 結(jié)溫可按以下公式求得：對于小功率LED Tj= Ta + VFIF Rj-a <9.1-2>對于功率型LED Tj= Ta +( VFIF－Pt )(Rj-c + Rc-h + Rh-a) <9.1-3>式中: Ta為環(huán)境溫度（本試驗的烘箱溫度為環(huán)境溫度）； VF為正向電壓；輸出 功率Pt較小時可以忽略不計。 Rj-c為結(jié)到殼的熱阻；Rc-h為殼到熱沉的熱阻， 當(dāng)Rc-h在＊佳情況下，計算時可以忽略不計；Rh-a為熱沉到環(huán)境的熱阻9.3 激活能通過公式<8.2-1>、<9.2-1>、 <9.2-2>求出激活能EaE = K ln 1 － 1<9.3-1>Tj,(i-1) Tj,i式中：Tj,(i-1)、Tj,i 為不同試驗環(huán)境溫度下的結(jié)溫。9.4正常工作環(huán)境溫度(Ta＝25℃)下的平均壽命Lc,0通過公式<9.3-1>求得ac，0 c,i1 － 1 )<9.4-1>K Tj，0 Tj,iLc,0為工作環(huán)境溫度（25℃）下的平均工作壽命；Tj,0 為某一工作環(huán)境溫度下的結(jié)溫。 10試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果有效性的判斷可按GB 2689.2－81采用圖估法檢驗加速模型和判斷失效數(shù)據(jù)的取舍是否 恰當(dāng)。11試驗報告 試驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容： a.試驗?zāi)康腷.失效判據(jù) c.試驗樣品及應(yīng)力的選擇和試驗說明 d.試驗和測試設(shè)備的名稱、型號及精度 e.試驗數(shù)據(jù)的處理及平均壽命計算 f.試驗的驗證及失效分析g.試驗結(jié)論12.1 樣品投試樣品為十三所研制的F008型功率型LED，采用大陸某廠家早期生產(chǎn)的1㎜×1㎜硅載體倒裝芯片封裝，其結(jié)構(gòu)如圖9.1所示。考慮到器件要在高溫 下試驗,可耐受較高的溫度應(yīng)力，芯片與管殼底盤采用高溫焊料共晶焊連 接，熒光粉用硅膠調(diào)配，并全部用硅膠灌封,由硅膠自然形成的拱形球面取 代玻璃透鏡或PC樹脂透鏡，以防止因“分層”而引起的光衰，所有封裝材料 均可承受高達(dá)200℃的高溫。投試樣品經(jīng)過一致性質(zhì)量檢驗和全部加電(加 溫)老化篩選。 試驗環(huán)境溫度分為3個應(yīng)力組，分別為165℃、175℃、185℃，每組的試驗 樣品均為5支（ni=5）,失效數(shù)為5支（ri=5）。試驗樣品均帶有尺寸較大的 銅熱沉，如圖9.2所示，以使熱沉至環(huán)境具有較低的熱阻。參數(shù)測試按8.1、 8.2、8.3、8.4。圖12-1 F008型功率型LED結(jié)構(gòu)示意 圖圖12-2 帶有熱沉的F008型功率型LED12.2 試驗數(shù)據(jù)獲取和處理12.2.1不同環(huán)境溫度Ta,i下165℃、175℃、185℃的試驗數(shù)據(jù)ti和Pt,i，由公式<8.2-1>、 <8.2-2>計算退化系數(shù)βi,并得到試驗壽命Lc,i（如表10.2.1-1、表 10.2.1-2、表10.2.1-3 所示）。管 號初始功率P0 (lm)加電180小時衰退系數(shù)加速壽命Pt (lm)β165t165(h)SA-131.5925.271.24╳10-3560SA-233.8426.391.38╳10-3502SA-331.0525.481.10╳10-3628SA-434.3226.081.52╳10-3455SA-531.5724.961.31╳10-3529平均值///535管 號初始功率P0 (lm)加電180小時衰退系數(shù)加速工作壽命Pt (lm)β175t175(h)SA-631.8924.551.45╳10-3484SA-730.9822.711.75╳10-3405SA-831.7323.161.70╳10-3396SA-933.2123.681.90╳10-3369SA-1032.1924.461.52╳10-3455平均值///422 管 號初始功率P0 (lm)加電120小 時衰退系數(shù)加速壽命Pt (lm)β185t185(h)SA-1133.0326.091.96╳10-3353SA-1230.1221.692.74╳10-3253SA-1332.5224.392.40╳10-3289SA-1434.4228.221.65╳10-3419SA-1532.6526.872.07╳10-3357平均值///334 12.2.2根據(jù)熱阻、正向電壓、正向電流為350 mA和環(huán)境溫度由公式<9.2-2>、求出結(jié)溫及其相關(guān)試驗數(shù)據(jù)（如表10.2-4.所示）。 由<9.3-1>、<9.4－1>計算激活能和平均壽命。 表12-4. 結(jié)溫及其相關(guān)試驗數(shù)據(jù) 管號 穩(wěn)態(tài) 熱阻1） (K/W)結(jié)溫(K)及正向電壓 (V)Vf25 (V)T 2） j25Vf165 (V)Tj165Vf175 (V)Tj175Vf185 (V)Tj185SA-114.773.493316.063.201454.553.181464.443.163474.35SA-215.833.523317.523.229455.893.211465.793.192475.69SA-313.983.495315.103.202453.673.179463.553.161473.47SA-416.763.546318.803.248457.053.229466.943.213476.85SA-515.463.515317.023.221455.433.201465.323.184475.23SA-614.313.497315.513.202454.043.182463.943.162473.84SA-715.783.514317.413.217455.773.197465.663.185475.59SA-815.983.526317.723.229456.063.212465.963.193475.86SA-916.243.531318.073.237456.403.223466.323.203476.21SA-1014.923.503316.293.212454.773.187464.643.177474.59SA-1114.443.504315.713.243454.393.223464.293.205474.20SA-1216.753.531318.703.248457.043.227466.923.214476.84SA-1316.023.524317.763.236456.143.214466.023.196475.92SA-1414.123.496315.283.203453.833.181463.723.165473.64SA-1515.563.519317.163.221455.543.202465.443.184475.34均值15.393.514316.933.223455.363.203465.253.190475.18 表12-5激活能的計算結(jié)果及其相關(guān)數(shù)據(jù) 結(jié)溫 (K)加速壽命（h）激活 能(ev)Tj165Tj175Tj185t165t175t185E t165/ t175E t175/ t185E t165/ t185均值455.36465.25475.185354223340.440.450.440.44 表12-6正常環(huán)境溫度（25℃）失效判據(jù)為50％的平均壽命及其相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)溫 (K)激活 能(ev)加速壽命（h）正常環(huán)境溫度1）（Ta＝25℃） 的平均壽命（╳104 h）Tj25Tj165Tj175Tj185Eat165t175t185t165t175t185平均 值316.93455.36465.25475.180.445354223347157171645713167.15注：1）不同工作環(huán)境溫度下的平均壽命分別為：Ta=45℃（Tj=64℃）, L0.5，45=2.75╳104 h； Ta=65℃（Tj=84℃）, L0.5，65=1.18╳104hTa=85℃（Tj=104℃）, L0.5，85=5508h;12.3 加速模型檢驗退化系數(shù)與溫度的關(guān)系圖12-3 退化系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線模型的驗證通過公式<9.1-1>驗證的關(guān)系曲線。在單對數(shù)坐標(biāo)紙上，以溫度為橫坐標(biāo)軸，退化系 數(shù)為縱坐標(biāo)軸，用<表12-1>、<表12-2>、<表12-3>中的相 關(guān)試驗數(shù)據(jù)(165℃、175℃、 185℃和其對應(yīng)的平均退化系數(shù)1.31×10-3、1.66×10-3、2.16×10-3))進(jìn)行描點劃線，如 圖9.3－1所示，數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)為一條直線。則表明：退化系數(shù)與溫 度的關(guān)系符合阿倫尼斯模型，試 驗結(jié)果有效。12.4威布爾 圖估驗證 加速壽命試驗中用概率紙圖估試驗結(jié)果直觀形象，一般用于監(jiān)視和驗證試驗過程是 否出現(xiàn)異常現(xiàn)象。我們從威布爾分布圖估法（GB 2689.2－81 ）驗證的案例結(jié)果可以看出：（1 ）由形狀參數(shù)m可以看失效模式。（當(dāng)m＜1時 為早期失效；m＝1為偶然失效工 作期，此時失效率接近于常數(shù)，此時樣品的壽命分布為指數(shù)分布）m＞1為磨損失效 期，（本案例m=6.64）。在高溫（165℃－185℃）下LED器件的芯片會加速退化， 而且封裝材料也會加速老化，使其透光性能變差，表現(xiàn)為光功率的加速衰退，這是 本案例的工作壽命進(jìn)入到磨損失效期m值較大的主要原因。（2）不同溫度下的LED壽命數(shù)據(jù)點的分布符合威布爾分布，即使在產(chǎn)品很少的取樣 數(shù)下(n=5)，數(shù)據(jù)點在威布爾分概率紙上均能夠呈現(xiàn)較好的線性擬合。（3）LED器件的失效雖受多種隨機(jī)變量的影響，這些變量包括電、熱失效機(jī)理的 芯片和熱失效機(jī)理的封裝材料，由它們組合的多重影響，在概率紙上能夠呈現(xiàn)符合 預(yù)期的威布爾分布。。12.5 用對數(shù)正態(tài)分布圖估法對求取LED平均壽命驗證 對數(shù)正態(tài)分布能夠較好的反映半導(dǎo)體器件的失效規(guī)律11)，在半導(dǎo)體器件可靠性試 驗中已得到了廣泛的應(yīng)用，但平均壽命計算比較復(fù)雜，一般采用圖估法估計用于驗證； 用常規(guī)的對數(shù)正態(tài)分布圖估法要用到對數(shù)正態(tài)概率紙和單對數(shù)坐標(biāo)紙。使用對數(shù)正 態(tài)分布概率紙可以分別得到在不同溫度應(yīng)力條件下各壽命試驗的壽命分布，使用單 對數(shù)坐標(biāo)紙可得到加速壽命曲線，由此在對數(shù)正態(tài)概率紙上估計出正常溫度應(yīng)力水 平條件下的壽命分布。? 繪制不同溫度應(yīng)力下的壽命分布曲線 在對數(shù)正態(tài)概率紙上繪制165℃、175℃、185℃三個溫度應(yīng)力下的壽命分布曲線（1）作數(shù)據(jù)表：把165℃、175℃、185℃試驗得到的失效時間（壽命）t165、t175、 t185 ，按時間從短到長的次序排列,如表9.3-1中失效時間T165,i 、T175,i 、T185,i 的一行數(shù)據(jù);（2）計算累計失效百分比F(ti ):由于n≤20，故需查“中位秩表” 17）（見附錄表1）得 到，如表9.3-1中F(t)行的數(shù)值；PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 試用版本創(chuàng)建 ?www.fineprint.com.cn次序號i12345失 效 時 間T165,i (小時)455502529560628失 效 時 間T175,i (小時)369396405455484失 效 時 間T185,i (小時)253289335357419累計失效百 分比（%） F(t)12.931.45068.687.1 （3）描點:在對數(shù)正態(tài)分布概率紙上用表10.3.2-1中的試驗數(shù)據(jù)描點。失效時間的 數(shù)值在對數(shù)正態(tài)概率紙的t 軸上取坐標(biāo)值，累計失效率的數(shù)值在F(t)軸上取坐標(biāo) 值，分別繪制出3個試驗環(huán)境溫度165℃、175℃、185℃下的分布曲線L1、L2 、L3，如圖10.3.2-1所示近似地呈現(xiàn)3條直線，這些直線就是該批試驗樣品在三個溫度應(yīng)力下的對數(shù)正態(tài)分布。如果不呈現(xiàn)直線，則認(rèn)為不是對數(shù)正態(tài)分 布。試驗環(huán)境溫度所對應(yīng)的結(jié)溫分別由公式<9.2-1>、<9.2-2>計算，采用表9.2- 4列出的結(jié)溫數(shù)據(jù)。（4）估計中位壽命 (0. 5) ：其足標(biāo)“i”表示在Ti溫度應(yīng)力下的中位壽命，t165(0.5)、 t175(0.5)、t185(0.5)分別是在給定溫度應(yīng)力下累計失效率為50％的時間，也是可 靠度為50％的時間。在圖紙的F(t)軸上，取F(t)＝50％的坐標(biāo)刻度，然后由此處右引水平線分別與分布直線L1、L2 、L3相交，得交點，再由交點分別下引垂線 與圖紙的t軸相交得到的3個坐標(biāo)刻度值即為估計的中位壽命t165(0.5)＝530h、 t175(0.5)＝420h、t185(0.5)＝320h， 如圖10.3.2-1所示;（5）估計對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差?i:其足標(biāo)“i”表示在Ti溫度應(yīng)力下的標(biāo)準(zhǔn)差。在圖紙的F(t)軸上取84％ 的坐標(biāo)刻度，由此處右引水平線分別與分布直線L1、L2 、L3相 交，得交點，再由交點分別下引垂線與圖紙的失效時間t軸相交得到的3個坐標(biāo) 刻度值即為失效時間t165(0.84)＝620h、t175(0.84)＝520 h、t185(0.84)＝ 390h， 如圖10.3.2-1所示。圖1.加速壽命在三個溫度應(yīng)力下的對數(shù)正態(tài)分布和t(0.5)、t(0.84)的圖估值對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差△i的數(shù)值按以下公式計算：??△i＝㏒i0.84-㏒i0.5 <10.3.2-1>其中的對數(shù)是以10為底的對數(shù);（6）列表：將得到的中位壽命和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值列成表2; 表10.3.2-2不同環(huán)境溫度下的中位壽命和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差 i環(huán)境溫度Ti(℃)25℃165℃175℃185℃結(jié)溫 Tj(K)316.93455.36465.25475.18中位壽命ti（0.5）(h)/530420320㏒ti（0.5）/2.7242762.6232492.505150對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差 σi/0.0681060.0927540.0859151/Ti×10431.5521.960621.493821.0447?繪制加速壽命曲線 將單邊對數(shù)紙的對數(shù)坐標(biāo)軸(縱軸)作為時間t軸，坐標(biāo)橫軸作為**溫度T的倒數(shù)1／T的坐標(biāo)軸，如圖10.3.2-2所示。（1）描點:由表10.3.2-2，將數(shù)據(jù)點T165、t165(0.5)，T175、t175(0.5)，T185、t185(0.5)依次繪制在單邊對數(shù)紙上，如圖10.3.2-2所示，近似地呈現(xiàn)為一條直線。否則將有兩種可能，一種是加速變量所遵從的規(guī)律不符合阿倫尼斯模型；另一種可 能是該加速壽命試驗不是真正的“加速”;（2）配置直線：在此圖紙上將數(shù)據(jù)點擬合成一條直線，此直線就是直線化了的加 速壽命曲線；（3）估計正常溫度應(yīng)力T0(25℃)下的中位壽命t0(0.5)：在1/T軸上取1/ T0的坐標(biāo)刻度，由此處上引垂線與加速壽命直線相交，再由交點左引水平線與t軸相交，得到的刻度即為中位壽命t0(0.5);由25℃時的1/T0= 31.7×10－4 ，得到：t0（0.5）=7.0×104(小時)，如圖10.3.2-2中T0處箭頭的指圖9.3-2 對數(shù)正態(tài)分布的加速壽命曲線 ?估計正常環(huán)境溫度應(yīng)力T0(25℃)條件下的平均壽命（1）計算在正常溫度T0(25℃)條件下壽命分布的對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ0：由表2中的σi（i=1、2、…i），按公式<2>計算在正常溫度T0(25℃)條件下的壽命分布的對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ0σ0＝[1／（n1+n2+…ni）]×(n1-1+n2-2+ni-i) <10.3.2-2>σ0=(σ1+σ2+σ3)/3= 0.246775/3= 0.082258（2）求正常環(huán)境溫度應(yīng)力T0(25℃)條件下的平均壽命t0E：平均壽命的計算可用公式<3>tE ＝㏒-1［ ㏒（0.5）+1.151σ0] <10.3.2-3>正常環(huán)境溫度應(yīng)力下(25℃)的平均壽命t0E=lg -1[lg t0（0.5）+1.151σ0 ]2-1 ×104)+1.151×(0.082258)2]= lg [lg (7.0= lg -1[4.84509+0.010217]= lg -1[4.855307]=7.17×104 (小時)在制定本標(biāo)準(zhǔn)的過程中我們進(jìn)行了多項專題研究，包括芯片封裝前后壽命的 對比、導(dǎo)電銀漿粘結(jié)與共晶焊接的對比、高溫存儲與高溫加電的對比、單一應(yīng) 力變量（溫度）和多應(yīng)力變量（電流、溫度）的對比以及色溫漂移摸底等。現(xiàn) 結(jié)合試驗結(jié)果主要從以下幾方面加以討論分析13.1 失效機(jī)理從失效機(jī)理上看，LED裸芯片和其封裝產(chǎn)品二者是不一樣的。(1) LED裸芯片的退化除與溫度應(yīng)力有關(guān)外，還有電應(yīng)力的作用，主要是體 內(nèi)缺陷和離子熱擴(kuò)散和電遷移的物理效應(yīng), 熱擴(kuò)散場和電漂移場同時并存，屬 于本質(zhì)失效。 LED芯片的平均壽命高達(dá)數(shù)十萬小時以上,可承受的溫度應(yīng)力大 于200℃(2) 封裝材料(導(dǎo)電銀漿、熒光粉膠、環(huán)氧樹脂、硅膠等)的退化主要是與溫度有關(guān)的化學(xué)作用, 屬于從屬失效。封裝器件，其平均壽命一般低于10萬小時, 而且其耐受的溫度因封裝材料有很大差異遠(yuǎn)低于200℃ 。 LED裸芯片與封裝器件的區(qū)別主要體現(xiàn)在激活能的數(shù)值不同；采用不同的高溫存儲可以得到封裝材 料的激活能。的強(qiáng)度。(3)在對LED封裝產(chǎn)品選取加速試驗應(yīng)力時，可通過高溫存儲試驗進(jìn)行摸底可確 定**試驗應(yīng)力。對強(qiáng)度低的封裝材料，例如粘結(jié)芯片的導(dǎo)電銀漿、灌封的環(huán) 氧樹脂，只能采用較低的溫度應(yīng)力，因而需要較長的試驗時間，試驗時間不夠 則會帶來較大的誤差。因此LED產(chǎn)品的壽命取決于所用封裝材料，應(yīng)力過大超出所承受極限強(qiáng)度時將會改變失效機(jī)理13.2 模型選擇在LED器件加速壽命試驗中溫度應(yīng)力和電流（非溫度）應(yīng)力同時并存，可有三 種模式:（1）溫度應(yīng)力為單一變量 此時適用于阿倫尼斯模型，電流應(yīng)力一般選定為正常工作的數(shù)值，通改變度應(yīng) 力來實現(xiàn)加速老化。用阿倫尼斯模型來處理加速壽命試驗數(shù)據(jù),既簡單又便,而 且也能較好的解釋試驗結(jié)果.半導(dǎo)體器件的加速壽命試驗一般多為這種模式，已被大陸的“半導(dǎo)體器件分立器件和集成電路總規(guī)范”（GB/T 4589.1-2006/IEC 60747-10:1991）所采用。以光通量緩慢退化的單一失效判據(jù)的試驗為例，阿倫尼斯模型模型驗證可通過 在單對數(shù)坐標(biāo)紙上，以溫度為橫坐標(biāo)軸，退化系數(shù)為縱坐標(biāo)軸，相關(guān)試驗數(shù)據(jù) 和其對應(yīng)的平均退化系數(shù)，進(jìn)行描點劃線，數(shù)據(jù)點分分布呈現(xiàn)為一條直線，則 表明符合阿倫尼斯模型。（2）電流應(yīng)力為單一變量LED在電流為變量時，采用逆冪律模型。 逆冪律模型模型驗證可通過圖估法用對數(shù)正態(tài)分布概率紙和雙對數(shù)坐標(biāo)紙進(jìn)驗 證,看其壽命分布的數(shù)據(jù)點在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上是否能夠擬合為一條直線，并以 此判斷電流加速變量所遵從的規(guī)律是否符合逆冪律模型，在以光通量緩慢退化的單一失效判據(jù)的試驗案例中目前我們尚未得到合理的驗證結(jié)果。實際上，此 時電流應(yīng)力已不是單一變量，除電流應(yīng)力外，還不能忽略因電流提高而產(chǎn)生的 結(jié)溫變化，因此采用逆冪律模型是不適合的。（3）溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力均為變量當(dāng)LED同時考慮溫度應(yīng)力和電流（非溫度）應(yīng)力兩個變量時，則應(yīng)采用愛林模 型。由于不是單一變量，非溫度應(yīng)力的存在要同時考慮因能量分布和激活能而調(diào)整修正因子，因此數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，這種情形很少用于電子元器件 的加速壽命試驗，常用于工程上的老化篩選。13..3 初始光功率 考慮到GaN基的LED在高溫加電的過程中會出現(xiàn)光功率先上升再下降的現(xiàn)象， 美 國ASSIST推薦的LED壽命試驗方法規(guī)定：樣品采用經(jīng)過1000小時后的光功率作為初始光功率P0，主要是為了避免出現(xiàn)異常的測試數(shù)據(jù)，這一規(guī)定沒有考慮溫度應(yīng)力大小，一律按1000小時計，隨著溫度應(yīng)力增大，則會有較大的誤差。而我們是采 用加大溫度應(yīng)力的辦法，使光功率先上升、所求的加速工作壽命為上升再下降的 過程時間縮短。再下降的光功率接近初始值所對應(yīng)的時間與用退化系數(shù)外推的有 效工作時間之和，這樣的誤差會比前者要小些。13.4 退化系數(shù)與試驗截止時間一般情況下，試驗截止時間可從LED的初始光輸出衰減的多個試驗數(shù)據(jù)點中來選 取,這些數(shù)據(jù)點具有一定的離散性，可以采用圖估法對退化系數(shù)進(jìn)行估算。除在單 對數(shù)概率紙上描點劃線外,還可以運用計算機(jī)進(jìn)行線性擬合(這樣可以避免人為因 素)。在擬合的直線上選取偏離直線＊小、光輸出衰減量較大的試驗數(shù)據(jù)點，該數(shù) 據(jù)點的累計時間即為估算退化系數(shù)的試驗截止時間，如圖11.6-1所示，圖中SA－ 14的試驗數(shù)據(jù)點列于表10.6-1，由圖可見，表中的10＃數(shù)據(jù)點（1744小時，0.82）被選取，數(shù)據(jù)圖中還給出了擬合的直線方程和＊小二乘擬合的相關(guān)系數(shù)。表13.4－1 SA－14藍(lán)光功率芯片的加速壽命試驗數(shù)據(jù) 165℃ 350mA序號＃123456789101112h（小時）0168432600768936120013681536174418722040Pt/P010.830.930.870.850.800.820.830.800.820.830.83圖13.4-1運用計算機(jī)對試驗 數(shù)據(jù)點的線性擬合13.5 色溫漂移（1）色溫漂移與封裝材料密切相關(guān) 在用熒光粉轉(zhuǎn)換的白光LED加速壽命試驗的器件中，發(fā)現(xiàn)試驗樣品伴隨著光功率 的衰退色溫均有或增或減的變化，圖13.5.-1示出了40只采用全硅膠封裝的功率 卻器件，在125℃下加速試驗色溫變化的分布。試驗結(jié)果表明：大部分器件呈現(xiàn) 為色溫下降，色溫變化率一般在5％－10％之間，只有個別器件呈現(xiàn)為色溫上 升，其變化率也在5％－10％之間。我們把這種或增或減的變化稱之為色溫漂移。 然而對于采用環(huán)氧封裝的Φ5白光小功率白光LED，在75℃下進(jìn)行1000h高溫存 儲試驗，試驗結(jié)果表明：色溫幾乎全部呈現(xiàn)為上升,上升幅度一般為5%－30％，。 色溫漂移不僅與封裝材料密切相關(guān)，而且與初始色溫也有關(guān)，初始色溫低，漂移小，初始色溫高，漂移大。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 試用版本創(chuàng)建 àw瀀wwà.fineprint.com.cn圖13-1加速壽命試驗中白光功率LED的色溫飄移（2）色溫漂移的失效判據(jù)當(dāng)白光LED應(yīng)用在對色溫漂移有特殊要求時，則失效判據(jù)則要考慮色溫漂 移，其失效判據(jù)可用以下2種方式用不同的色度參數(shù)數(shù)值來規(guī)定。。 美國能源之星（ENERGY STAR）和美國國家照明標(biāo)準(zhǔn)工作組（ANSI） 按照白光LED技術(shù)和顏色對現(xiàn)有熒光燈色度標(biāo)準(zhǔn)加以修正并重新分檔，這些 分檔在CIE1931或1976色度圖中以8個固定四邊形的形式出現(xiàn)， 8個四邊形 可以用色度坐標(biāo)或相關(guān)色溫來表示，如圖13－2、表13－1 表13－2所示， 白光LED按固定標(biāo)稱色型來規(guī)定失效判據(jù)，其相關(guān)色溫或色坐標(biāo)的變化應(yīng)落在規(guī)定的四邊形之內(nèi)，若超出標(biāo)稱固定色型的四邊形邊界則為失效。為使白 光LED的色溫均能在8個四邊形的區(qū)域內(nèi). 對于取代熒光燈的白光LED照明光 源，則應(yīng)選取熒光燈六種固定標(biāo)稱色型所對應(yīng)的6個四邊形，相當(dāng)于7步麥克 亞當(dāng)橢圓范圍（色容差為7SDCM）。圖13-2在 CIE1931色度圖中以8個四邊形的形式出現(xiàn)的白光LED色型表13-1. 以相關(guān)色溫CCT和DUV表示的8種白光LED色型表13-2 以色坐標(biāo)表示的8種白光LED色型2700K3000K3500K4000KXYXYXYXY中心點0.45780.41010.43380.40300.40730.39170.38180.3797四邊形邊.0.48130.43190.45620.42600.42990.41650.40060.4044界0.45620.42600.42990.41650.39960.40150.37360.3874頂點0.43730.38930.41470.38140.38890.36900.36700.35780.45930.39940.43730.38930.41470.38140.38980.37164500K5000K5700K6500KXYXYXYXY中心點0.36110.36580.34470.35530.32870.34170.31230.3283四邊形邊 界 頂點0.37360.36110.35510.37600.33760.36160.32050.34810.35480.37360.33760.36160.32070.34620.30280.33040.35120.34650.33660.33690.32220.32430.30680.31130.36700.35780.35150.34870.33660.33690.32210.3261。 美國ASSIST在考慮色移時，有效壽命的判據(jù)是指色溫漂移的色度坐標(biāo)變化 不超過初始色度坐標(biāo)的四步馬克亞當(dāng)（MacAdam）橢圓的范圍，相當(dāng)于色容差4SDCM。這個數(shù)值應(yīng)該是在合理的可感知色差的允許度內(nèi)。在此我們選取熒光燈 六種標(biāo)稱色型的7步或8步馬克亞當(dāng)（MacAdam）橢圓的范圍（色容差為7SDCM）圖13－3馬克亞當(dāng)（MacAdam）橢圓的加速 試驗色溫初始數(shù)據(jù)點示意圖圖13－4馬克亞當(dāng)（MacAdam）橢圓的加速試 驗色溫漂移試驗數(shù)據(jù)點示意圖（3）對于以色溫漂移為單一失效判據(jù)的白光LED或具有光通量衰減和色溫漂移2個 失效判據(jù)的白光LED，則采用“＊好線性無偏估計法”(GB 2689.4－81)結(jié)語（1）本標(biāo)準(zhǔn)給出了一種縮短試驗時間求取LED平均壽命的方法，利用LED光功率緩慢 退化公式，由退化系數(shù)外推不同應(yīng)力溫度下LED的失效時間（加速壽命），再用 數(shù)值解析法得到正常環(huán)境溫度應(yīng)力下的LED平均壽命。此法不僅適用于所有單色 光LED，而且對以光功率衰減作為單一失效判據(jù)（不考慮色溫飄移）的白光LED也 適用。用威布爾分布和對數(shù)正態(tài)分布圖估法進(jìn)行檢驗和驗證，在加速模型、失效 模式等方面未發(fā)現(xiàn)有異常。（2）當(dāng)白光LED取代熒光燈的應(yīng)用（對色溫漂移有特殊要求）時，不論是以色溫漂 移作為單一失效判據(jù)，還是同時具有光功率衰減和色溫漂移二個失效判據(jù) ，則需 用較長的試驗時間，按照常規(guī)的定數(shù)截尾來獲取試驗數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)的處理則采 用已有的國家標(biāo)準(zhǔn)：GB 2689.3－81 壽命試驗和加速壽命的簡單線性無偏估計法（用于威布爾分布）、GB 2689.4－81 壽命試驗和加速壽命的**線性無偏估計 法（用于威布爾分布）來求取白光LED的平均壽命.我們正在用威布爾分布圖估法 對色溫漂移的典型案例的失效模式進(jìn)行試驗和驗證。1、S.Yamakoshi，O.Hasegawa，H.Hamaguchi，M.Abo，T.Yamaoka “Degrada on of hi gh- radiance GaAlAs LED”；Appl.Phys.Le , Vol .31, pp.627, 19772、S.Yamakoshi，M.Abo，O.Wada ，S.Komiya ，T.Sakurai ；“Relaibility of High Radiance InGaAsP/InP LED in 1.2-1.3μm Wavelength ”IEEE VolQE-17 ，PP 187,19813、GB 2689.1－81 恒定加速壽命和加速壽命試驗方法總則4、ASSIST 通用照明 LED壽命及規(guī)范的介紹 2005.25、ASSIST 通用照明LED壽命－壽命定義 Vol 1 ,No.1 ,2005.26、ASSIST 通用照明LED壽命－LED器件的測試方法 Vol 1 ,No.2 ,2005.27、SJ/T 2355-2006 半導(dǎo)體發(fā)光器件測試方法8、GB/T 4589.1 －2006 分立器件和集成電路總規(guī)范9、GB 2689.2－81 壽命試驗和加速壽命的圖估法（用于威布爾分布）10、GB 2689.4－81 壽命試驗和加速壽命的＊好線性無偏估計法（用于威布爾分布）11、SJ/T 11099-96 壽命試驗用表 ＊好線性無偏估計用表（極值分布 威布爾分布）12、電子元器件可靠性試驗工程 羅 雯等編著 電子工業(yè)出版社13、GB 5080.4-5 設(shè)備可靠性試驗 可靠性試驗的點估計和區(qū)間估計方法（用于指數(shù)分 布） PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 試用版本創(chuàng)建 ?w?ww.fineprint.com.cnLED的壽命試驗方法
