高金环，彭浩，武红玉，刘东月，高兆丰，黄杰，徐立生
(国家半导体器件质量监督检验中心，石家庄050051)
摘要：概述了照明用功率LED的发展历程，遵循LED的退化规律和退化系数与结温间满足阿列尼斯方程的关系，提出了一种实用的温度应力加速寿命试验对功率LED寿命进行评价的试验方法，并利用上述方法对C REE公司生产的功率型红光LED的寿命进行评价，采用图估法和数值分析两种方法进行数据处理，获得了其工作结温不高于80 的使用寿命，对功率LED可靠性研究具有一定的意义。 关键词：功率发光二极管；加速寿命试验；加速系数；激活能；使用寿命
中图分类号:TN312 8 文献标识码:A 文章编号:1003 353X(2009)05 0452 03
导热油配方Evaluation of Power LED Operation Life
Gao Jinhuan,Peng Hao,Wu Hongyu,Liu Dongyue,Gao Zhaofeng,Huang Jie,Xu Lis heng (Nationa l Semiconductor De vice Quality Su p e rvise and Inspection Center,Shijiazhuang050051,China)
Abstract:The development of power LED was summarized.Following degradation mode of LED,a practical accelerate life test method which could be used to evaluate power LE D long term operation life was brought forward based on Arrhenius equation between degradation c oefficient and junction temperature.With the methods above,operation life of C REE power red light LED on the junc tion te mperature below80 was evaluated,and test data were processed by means of chart estimation and numerical analysis.And this research may do some advance to po wer LED reliability.
Key words:power LED;accelerate life test;accelerate fac tor;activation energy;operation life
EEAC C:4260D
0 引言
自2000年以来，照明用功率LED发展非常迅速。随着LED成本的降低、功率和发光效率的提高，其节能、环保、长寿命的优点更加突显，在移动照明、景观照明、LED路灯等方面开始了广泛的应用，预计在2010年左右，照明用白光LED将进入普通家用照明领域，其市场潜力十分巨大，预计会超过1500亿元。
成立于1999年的美国流明公司(LUMILEDS，已于2005年被飞利浦公司收购)最早推出了功率型白光LE
D Luxeon star!，光通量为15lm，在结温(T j)不大于90 下的寿命大于5∀104h[1]。Luxeon 系列的推出，迅速占领了LED照明市场, LUMILEDS公司成为行业龙头。2006年下半年，美国的克雷公司(CREE)后来居上，推出了7090XR E系列的功率LED，其发光效率比流明公司的同类产品高出一倍，在T j不大于80 下的寿命也大于5∀104h[2]。
目前，美国、日本、韩国、以及国内的厂家在照明用LED产品上竞争激烈，有利于LED的成本降低和推广应用。
排石床对于使用寿命达5∀104h的功率LED，用常规的寿命试验方法需要连续工作6年才能评价其寿命，显然是行不通的，国外厂家一般积累10000h 的寿命试验数据作为评估依据。根据近年来对国内外多种功率LED在不同应力下的寿命试验结果，推出了一种实用的加速寿命试验方法，可以用较少的样品在较短的时间内评估功率LED的长期使用寿命。
技术专栏
Technology Column
doi:10 3969/j issn 1003 353x 2009 05 015
452
半导体技术第34卷第5期2009年5月
1 加速寿命试验理论依据
LED的长期使用寿命，通常是指LED光通量衰减至初始值的70%即相对光输出衰减到70%所经历的时间。LE D的加速寿命则是指在某种加速应力作用下,LED相对光输出(P t/P0)衰减到70%所经历的时间。
LED的早期失效模式主要是开路和短路失效，与芯片的封装工艺有关，通过电老化、温冲试验和瞬态热阻测试等常规筛选试验，可以有效地剔除早期失效产品。正常LED使用过程中服从光输出功率随时间缓慢退化的失效模式。
国外主要厂商对其生产的照明用功率LED通常给出了5∀104~8∀104h的寿命预计，但要求用户使用结温不超过80~90 ，当用户在较高结温下使用时(如夏季的LED路灯)将缩短其使用寿命，故使用结温的高低直接影响LED的寿命。因此，可以在不改变LED器件缓慢退化失效机理的前提下，采取提高器件使用结温进行温度应力的加速寿命试验，在较短的时间内获得LED器件的长期使用寿命。
20世纪70年代，日本学者S Yamakosh等人[3 4]报道LE D输出功率与工作时间的关系可以用指数函数表示为
P t=P0exp(- t)(1)式中:P0为初始光功率(或光通量);t为某一结温下的工作时间; 为某一结温下的退化系数;P t 为某一结温下工作t时间后的光功率(或光通量)。式(1)被广泛用来描述各种LED的长期退化规律。
由于LED器件退化系数 与结温T j之间满足阿伦尼斯方程的关系[3 4]，如式(2)所示，可以进行三组不同温度应力(T(j、0)、T(j、1)、T(j、2))的加速寿命试验，依据三组试验数据( 1,T(j、1))、( 2,T(j、2))、( 3,T(j、3))求取激活能A E。
=I F 0exp(-A E/k T j)(2)式中:I F为工作电流; 0为常数;A E为激活能;k 为波尔兹曼常数;T j为器件结温(绝对温度)。
由式(1)、(2)和某一结温T(j、i)下经历t i时间的试验数据(P(t、i),t i)，可以推导出该温度应力下LED的加速寿命L(c、i)，即
L(c、i)=t i
ln70%
ln P(t、i)/P(0、i)(3)设器件正常使用时的结温为T(j、0)，根据激活能A E的数值，由式(4)计算结温T(j、i)相对于结温T(j、0)时的加速系数
摄像头识别，即
=exp-A E
k
1
T(j、0)
-
1
T(j、i)
(4)
从而得到LED器件工作在结温T(j、0)下的长期使用寿命L c= ∀L(c、j)。
2 加速寿命试验案例
由于功率LED的光通量随时间缓慢退化的失效模式单一，因此可以用指数函数拟合，用参数外推法进行数据处理，同时可以采用图估法予以对比验证。加速寿命试验一般采取恒定的温度应力，用一台恒流电源就可以对一组样品进行串联供电，对不带散热器的试验样品要准备专用的夹具作为热沉。试验中要准确测量壳温，结合LED稳态热阻R th(j c)推算出试验结温T j，环境温度T a可选择在50~100 范围。T a适当选高一些可以缩短试验周期，但要求试验不能引入新的失效机理(如烧毁样品等)。为保证LED光通量测试具有高的精度和好的重复性，可采用标准样品进行比对。
语音云平台2 1 试验
试验选取CREE公司功率型红光LED，工作电流I F=350m A，正向电压V F=2 1V。样品数量11只，为CREE公司2007年生产的X LAMP7090系列产品，其参数一致性较好，外形尺寸7mm∀9mm，适合于表面安装使用。
该加速寿命试验在T a=100 恒定温度应力下进行，总试验时间1500h，中间测试点分别设在100、200、500、700、1000h。
表1为C REE公司功率型红光LED在环境温度(T a)100 下、工作1500h的加速寿命试验数据。根据表1数据，第100h时测得的LED相对光通量P t/P0=0 866，为异常数据，在进行数据处理时应将其剔除。
高金环 等：功率LED使用寿命评价
Ma y 2009Semiconductor Technolog y Vol 34No 5 453
表1 CR E E 公司功率型红光LE D 加速寿命试验数据(T a =100 )
Tab 1 Accelerate li fe test data of CRE E power red li ght LE D
t i /h 010020050070010001500P t /l m 31 5127 3029 0428 6427 7626 4624 45P t /P 0
1 00
0 866
0 922
0 909
0 881
0 840
路径规划0 776
2 2 数据处理
根据表1中数据，通过式(3)可以得到T a =100 下的加速寿命L 0 7为2100h 。
根据表1中数据，描绘相对光输出P t /P 0与时间t i 的关系曲线，由图估法外推P t /P 0=0 7时的加速寿命L (0 7,100
),
如图1
所示。
图1 外推样品在T a 应力下的加速寿命
Fig 1 Accelerate life of extrapolated sample under T a stress
图1中粗线为试验数据的拟合曲线，细线为外推曲线。根据外推曲线，得到T a =100 下的加速寿命L (0 7,100
)约为2
100h，与公式计算得到的数据相符。因此，该批LED 工作在T a =100 下的加速寿命L (0 7,100
)为2
100h 。
经测试该功率型红光LED 热阻R th(j c)约12 /W，将其安装在合适夹具上，测得其结到环境的热阻R th(j a)=65 /W，在室温下加350mA 时，试验夹具的外壁温度约为51 ，考虑到试验夹具外壁与LED 基板之间的温升,T a 为100 时LED 结温T j 约为148 。
根据摸底试验的结果，红光系列LED 的激活能大于蓝光系列LED,A E 取保守估计值0 6eV，通过式(5)可以求得T j 为148~80 的加速系数 ，即
=e 6961
1353-1421
=24
故T j =80 时的使用寿命L 0 7=2100h ∀24#51000h，证明该批产品结温不高于80 的使用寿命达到50000h 的要求。3 结论
本文通过对C REE 公司功率型红光LED 进行加
速寿命试验，获得了其工作结温不高于80 的使用寿命，加速寿命试验能够在较短时间内预测出LED 产品正常应力条件下的寿命特征，是对LED 器件长期使用可靠性进行评价的有效途径。
在对小子样进行加速寿命试验时，可采用最佳线性无偏估计法(B LUE)进行数据处理[5]，为减小工作试验量，试验中测时间宜采用1,2,5,∃，指数系列。在对退化曲线作指数函数拟合时，需做必要的修正，如在低应力试验初期P t /P 0可能大于1，故ASSIST 建议取第1000h 的作为P 0；在高应力试验初期,P t /P 0会偏离指数函数，在拟合时可以加权处理。参考文献:
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[2]CREE Inc CREE X lamp LED reliabili ty applicati on note CLD
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[5]中国电子技术标准化研究所 可靠性试验用表[M] 北
卫生裤头
京：国防工业出版社,1987:220 250
(收稿日期:2009 01 20)
作者简介:
高金环(1982%)，女，河北人，硕士，助理工程师，目前主要从事半导体器件的可靠性研究、加速寿命试验及其失效分析工作。
高金环 等：功率LED 使用寿命评价
454 半导体技术第34卷第5期
2009年5月
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