可靠性-LED加速老化寿命试验方法概论

一、可靠性理论基础

1. 可靠度：

如果有N个LED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：

随时间的不断增长，将不断下降。它是介于1与0之间的数，即 。

2. 累积失效概率：

表示发光二极管在规定条件下工作到t这段时间内的失效概率，用F(t)表示，又称为失效分布函数。

如果N个LED产品从开始工作到t时刻的失效数为n(t)，则当N足够大时，产品在该时刻的累积失效概率可近似表示为：

3. 失效分布密度：

表示规定条件下工作的发光二极管在t时刻的失效概率。失效分布函数的导函数称为失效分布密度，其表达式如下：

• 早期失效期；

• 偶然失效期(或稳定使用期) ；

• 耗损失效期。

二、寿命

老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为：

Bt为t时间后的亮度，B0为初始亮度。通常把亮度降到Bt=0.5B0所经历的时间t称为二极管的寿命。

1. 平均寿命

如果已知总体的失效分布密度（ft），则可得到总体平均寿命的表达式如下：

2. 可靠寿命

可靠寿命TR是指一批LED产品的可靠度下降到r时，所经历的工作时间。TR可由R（TR）=r求解，假如该产品的失效分布属指数分布规律，则：

即可求得TR如下:

3. 中位寿命

中位寿命T0.5指产品的可靠度R(t)降为50%时的可靠寿命，即：布情况，可得：

对于指数分

二、LED寿命测试方法

LED寿命加速试验的目的概括起来有：

• 在较短时间内用较少的LED估计高可靠LED的可靠性水平

• 运用外推的方法快速预测LED在正常条件下的可靠度；

• 在较短时间内提供试验结果，检验工艺；

• 在较短时间内暴露LED的失效类型及形式，便于对失效机理进行研究，找出失效原因；

• 淘汰早期失效产品，测定元LED的极限使用条件

1. 温度加速寿命测试法

由于通常LED寿命达到10万小时左右，因此要测得其常温下的寿命时间太长，因此采用加速寿命的方法。

根据高温加速寿命得的结果外推其他温度下的寿命。LED温度加速老化寿命测试原理是基于Arrhenius 模型。

利用该模型可以发现由温度应力决定的反应速度的依赖关系，即

式中L为寿命，Ea为激活能，A为常数，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。

因此测试温度应有两个，即还需测得另一个温度T2下器件寿命为L2。可以求得激活能Ea。样便可以

求得温度T1对某温度T3下的加速系数K3 : 。有：

可见实验需要测得同一批器件在两个不同温度下的寿命，然后推得其他温度下的寿命。

这就要求被测器件的数量应足够多，才能避免个性影响，而得到共性，即得到统计寿命值才真实。

LED从正常状态进入劣化状态的过程中，存在能量势垒，跃过这个势垒所需要的能量必须由外部供给，这个能量势垒就称为激活能。

可以看出，激活能越大曲线倾斜越大，与温度关系越密切，加速系数越大，温度越高加速系数越大。

由于器件向失效发展的机理不同，其能量势垒的高度也不同，所以其激活能量值Ea也不一样，就像

其它半导体器件一样，根据激活能量值Ea推出失效机理，据此改进器件设计和生产工艺。某一批次器件的Ea可看出近似相同。

2.电流加速寿命测试法

从图中可以看到，当驱动电流较小时，在老化的初始阶段衰减幅度较小。

当相对光功率衰减到P/P0<0.8~0.9以后，相对光输出功率与老化时间之间满足关系式:

（1）

其中α是拟合直线的斜率，它与驱动电流无关是一个常数为0.27，将t0定义为P/P0=1时的点，它是与电流强度的大小有关，可表示为：

(2)

将（1）式进行适当的变换可以得到：（3）

联立 (2)、(3) 就可以计算出输出功率衰减到一半时(即P/P0=0.5)的寿命: （4）IF驱动电流强度，单位为mA；tF为老化时间，单位为小时。

以40mA为例，利用公式通过测量驱动电流为40mA时的寿命来推导LED在驱动电流为20mA时的寿命。

假设我们己经测得测量驱动电流为40mA时的寿命为，则驱动电流为20mA时的寿命为:

也就是说，驱动电流为20mA时的寿命为驱动电流为40mA时的寿命的6.498倍。

3. 普通条件外推法

当LED通过一定的电流时，认为它的光强随时间的衰减满足一定的指数关系，如下图所示。

其中Bt为老化t小时后的亮度，B0为LED的初始亮度，而τ为与LED和电流值有关的常数。

通常把亮度降到Bt=0.5B0所经历的时间T称为LED的寿命。测定T要花很长的时间，通常以推算求得寿命。

在实际的测量过程中，给LED通额定工作电流20mA恒流源，点燃t1小时(其中t1一般为1000-10000小时之间)。

先后测得Bt，B0，将这些数据代入

就可以求得常数τ，再把Bt=0.5B0 ，这样就可以求得寿命T。

造成功率LED光衰的应力主要来自于结温的影响，因此对白光LED寿命的测试采用温度作为恒定加速应力比较合适。

失效判据

考虑到白光功率LED光通量的衰减，一个白光功率LED照明光源的有效寿命可以采用两种判据：

• 一种是在25℃的环境温度时光通量衰减到初始值的50％ 的工作时间；

• 另一种是在同样工作条件下光通量衰减到初始值70％的工作时间。

3. 加速试验应力摸底

烘箱恒定温度Ta分别为85℃、125℃、150℃、165℃、175℃、185℃。恒定时间96小时取出样管。恢复1小时，再逐支测LED的光通量。

摸底试验结果表明：在125℃以下光通量在有限的时间内几乎没有变化，从150℃开始略有变化。直至185℃下出现有1支样品管光衰较大。

由此选定165℃和175℃、185℃、350mA、96-180小时作为恒定加速应力的试验条件。

4. 实验数据处理

由阿仑尼斯模型给出计算不同结温的期望工作寿命和激活能的公式：(1)

P0为初始光通量；P为加温加电后的光通量；β为某一温度下的衰退系数：t为某一温度下的加电工作时间；

由阿仑尼斯模型给出计算不同结温的期望工作寿命和激活能的公式： (2)

β0为常数；Ea为激活能；k为波耳兹曼常数；IF为工作电流；Tj为结温；结温可按公式（3）求得：

（3） Tc为壳温；VF为正向电压；Rj-c为结到壳的热阻。

1. LED的失效类别：

根据阿仑尼斯模型给出计算不同结温的期望工作寿命和激活

能的公式

P=P0exp(-βt)

β=β0Ifexp(-Ea/kTj)

式中： P0 为初始光通量; P 为加温加电后的光通量;β 为某一温度下的

衰减系数; t为某一温度下的加电工作时间;β0为常数; Ea为激活能;k为波耳兹曼

常数(8 62×10 5eV);If 为工作电流;Tj为结温;而

Tj=Tc+Vf*If*Rj-c

式中：Tc 为 DUA的外壳温度;Vf 为正向电压;Rj-c 为芯片结到壳的热阻

[3]。