1 程志刚 1010132217 -开题报告.docVIP

毕业设计（论文）学生开题报告课题名称LED可靠性试验在线检测系统设计课题来源老师拟定课题类型BX指导教师聂 磊 副教授学生姓名程志刚学 号1010132217专业班级测控（10质量2）一、本课题的研究现状、研究目的及意义作为新兴的行业、产业，我国光电技术的发展一日千里，光电产业对我国经济社会的巨大作用日益凸显，我国光电市场十几年来始终保持两位数的高速增长，2010年我国光电产业的市场规模已经突破千亿。LED就是其中的一个主要代表，即将成为21世纪的新一代光源绿色固态照明光源。人类第一次观察到半导体发光是在 1907 年，美国科学家 Henry Joseph Round在电子世界杂志上发表了一篇文章，他在 SiC 两端加上电极，从而观察到了半导体发光。但是，由于当时材料和技术的限制，最好的 LED 发光效率也只有0.03%，远远低于目前在照明领域广泛应用的 LED 的发光效率。因此，在当时并没有真正引起人们的重视。 LED 真正的商业应用出现在 20 世纪 60-70 年代，当时人们已经在 LED 中引入了、族元素，如 N 和 In，使 LED 能发出波长为 555 纳米的绿光、波长为590 纳米的黄光和波长为 610 纳米的橙光，同时，发光效率也提高到了 1 流明/瓦。这时 LED 的主要应用是在指示领域。随着新的发光材料和元素的不断被引进，LED 的光效和光谱宽度都有了很大提高，到了 1971 年，随着第一支蓝光 LED的问世，LED 已经能够发出红绿蓝三种基色光，通过这三种基色的不同配比，就可以显示各种彩色。1992 年，日本日亚公司的中村修二（Nakamura）等人用 MOCVD 法制备出了优质的蓝光 LED，并随后通过在蓝宝石衬底 GaN 基蓝光 LED 芯片涂敷钇铝石榴石（YAG）荧光粉制作出了白光 LED。随着白光 LED技术的进步，LED 的功率和光效都有了极大提升，已经被应用到了照明、显示、液晶显示器背光源等诸多领域。目前，功率为 13W 的大功率 LED 大量应用在普通照明和彩色装饰照明中。随着LED照明发展的日益成熟，当行业发展至今，其中上中下游都在巨资研发出了各种新技术、新产品、新工艺，主要是由于每一个分立元器件或原材料都拥有非常复杂和独特的加工工艺，因此LED行业高度细分，光学、色度学、电学、散热设计、配光设计、景观设计、电脑模拟、现场施工都需要专门的人才来完成。在目前的情况下，从外延、芯片、封装、到LED灯加工和灯具设计，一个人精通LED上中下游各个流程、各个工艺和各个原物料的性能已经变成几乎不可能完成的任务。因而，每个环节对上一个环节关注的重点就变成了如何使用好、发挥好产品的功能。而模组化产品正是解决这一问题的最佳方案。模组化产品规避了内部纷繁复杂的环节，展示给用户的就是功能化的器件，方便用户使用和开发新的产品，它将成为未来发展的必然趋势。LED模组就是把LED按一定的规则排列在一起，并封装起来，再加上一些防水处理组成的产品，在结构方面和电子方面存在很大差异，LED光模组已经成了企业展示自我形象的最重要选择之一。因此对其进行失效分析和建模有助于提高其可靠性，提高其产品质量。 1.LED模组发展现状目前行业内把高压LED灯珠(HV-LEDs)和高压线性IC芯片整合到一起做成一体化光电引擎，极大地提升了光源和电源的利用率，以确保用同样的物料能产生更好的光输出，也就是更好的光效和光品质。也就是说，如果客户要求一样的光品质和光输出的话，物料成本也就可以相应的降低了。首尔led光源模组的推出首尔半导体于9月10日正式推出了光效可达140lm/w的acrich2led模组。10w的acrich2led模组在冷白光的条件下可以达到1400流明，在暖白光的条件下则可以达到1250流明。新产品从原先的120lm/w提升至140lm/w，也降低了电力消耗。acrich2是首尔半导体在世界上最早发明的可直接连接在家用电源上进行工作的模组，该模组仅使用一颗简单的IC来控制，不需要电源，从而简化了设计；而其拥有的调光、感应等多种智能功能，还可以为客户提供更加灵活的设计方案。acrich2led模组重新排列了LED和零部件的摆放，使得应用在天花板灯（如卧室灯，玄关灯，感应灯等）上的模组能够提供最佳光束角度。首尔半导体正在布局室内照明领域，提高市场占有率。首尔半导体全球市场战略部副总裁马丁威廉姆森（martenwillemsen）表示，此次推出的光效高达140lm/w的acrich2模组在安全和设计的灵活性上做了极大的改善，能够为全球照明制造商提供高品质的照明产品和新的附加价值。图1. acrich2led模组科锐发布新型LED模组LED照明大厂科锐（CREE）近日发布了新型的LMH2LED模组。新的LMH2模组可以提供更高的效率，提供4000流明的亮度。LMH2LED模组的外形简洁又美观，照明制造商可以很方便地将LED添加到它们现有的照明组合中。只需采用一种工具和光学设计，就可以实现光通量从650流明至4000流明范围内不跳的照明效果。根据科锐公司的数据，新的LMH2模组可以达到与70W陶瓷金属灯相同的照明效果，也就是108lm/W的光效，同时将电力消耗降低到原来的50%。除此之外，新模组的显色指数（CRI）在所有的可选色温中都大于90，可以获得更好的照明体验，这也使得LMH2模组可以让制造商利用一个产品平台来创造出一系列的产品组合，这也可以更好地降低产品成本，满足更多的照明应用需求。科锐的LMH2模组可以提供包括850、1250、2000、3000和4000流明在内的多种亮度，产品色温也提供了2700K、3000K、3500K和4000K四种选择，用以满足不同照明环境的需求。LMH2模组的寿命长达50000小时以上，用户可以享受科锐的5年质保服务。所以为了节能与环保目标，传统白炽灯已在全球相继被禁用，为了满足环保照明需求，LED照明产品成为最有机会取而代之的照明技术，为了简化设计同时降低成本，采用模块化、电路载板一体化设计已经在照明产品形成一股潮流图2. LMH2LED模组2.LED模组的发展趋势 现有绝大多数的LED照明产品，大多仍会采用光源、控制电路、驱动电路各自独立的离散设计方案。采取离散设计并非不佳，只是离散设计会增加PCB与连接器用量，同时繁复的零组件亦不利大量生产，使用SoB设计方案将原本离散设计的产品一一整合，在制造端即把产品组构完成，可简省不必要的机壳与连接器使用，PCB面积更小自然可节省成本费用。SoB设计难度高电子电路必须高度简化整合但SoB设计并不简单，在开发端必须将相关线路进行简化，由于LED照明产品会在关键组件LED颗粒上产生高温，与电源与控制电路整合组件高温恐会影响电路正常运作，组件该怎么布局才不会出现线路、组件过热问题，必须在机构和电路设计上重新整体考虑。但透过SoB将光源的LED组件、驱动电路/组件整合在同一片PCB上，最直接的效益就是可在成本上更为节约，但前期的设计样式仍需要经过反复验证、修正，复杂度并不亚于离散式的电路配置设计。也因为如此使整合型态的设计在难度与复杂度也相对较高，多数的LED照明模块仍采用常见的分离设计，以较多的零件、连接器与机构设计整合灯具应有的各部分功能单元。LED照明模块导入SoB设计可增加产品优势现有市面的LED照明模块产品，在前面的论述也有提及，现存设计大部分仍使用独立模块架构设计，也就是说LED将发光部份(LED光源组件)与驱动部分(LED驱动电路)采分离式设计，即使现有相当多业者针对LED驱动电路开发各种高度整合的驱动组件，以减少离散式设计所造成的成本过高、线路较复杂等问题，但若仍采与LED光源区隔分开的分离式设计，即使驱动组件已大幅整合改善离散组件数量，对于实践设计的现况仍是驱动电路与光源分离的设计型态，PCB成本较高，产品的耐用度也增加更多风险。为求改善LED照明产品的成本架构、透过压低终端售价加速市场应用普及，发展LED照明应用的厂商纷纷积极发展光/电组件高度整合、一体化的设计模块！所谓的光/电整合设计，即是将LED照明光源的LED组件、与驱动电路/保护电路设置在同一片PCB电路板之上，如此一来PCB的用量从以往至少需要两片(LED组件照明模块、LED光源驱动模块)，若光源与驱动模块整合，就能减少一片PCB板，两个模块也能用PCB上的铜箔线路直接连接，而不需透过连接器与线路再进行组装。SoB设计方案可将PCB数量减少透过这种SoB形式，PCB等于直接焊上LED光源组件、被动组件、驱动IC等关键零组件，零件可以透过自动打件机在极短时间内完成，组件上料、打件可快速进行，不只是SoB整合设计省下了PCB与连接线、连接器成本，透过自动化生产机制，SoB可在单站或几个工站就能完成LED照明产品近7成的制作完成度，也因为SoB减少了大量的构装组件与程序，人力成本亦大幅减少。但实行SoB设计方案，也并非完全没有缺点，因为驱动IC、被动组件、LED光源组件都设计在单一载板，若对于要设计多照明方向或参照球泡灯的圆形光型设计方式，就会变成平面化的SoB设计在立体或是多样布局显得变化较有限。而SoB设计中，由于LED光源与驱动电路为共同焊在同一片PCB，选择光源LED就成为SoB单片设计中相当关键的事情，因为组件设置等于对光源基础也定了型，即便灯具可利用二次光源组件改善照明光型，但对于LED光源的基本布局就无法再进行修改。对于光/电一体化的LED照明模块方案中，LED与驱动组件可以布建在FR4PCB上面或是选用散热更佳的铝基板。驱动电路简化才能发挥SoB设计效益但对于高亮度的设计方案中，因为LED光源的驱动电流较高，在实际的SoB线路布局必须考虑LED光源组件本身的散热需求，在线路布局方面必须以LED颗粒的分散布建方式为主，使LED光源组件可利用足够空间进行散热，透过光源分布平均达到热能均匀分散，降低LED照明灯具本身的热处理难度。在实际设计SoB方案时，较常见的设计方式会是采取选用中功率的LED光源组件，藉此降低SoB设计的散热问题难度，利用中驱动电流搭配LED光源组件，可让LED颗粒排布较为紧密。在实务设计方面，SoB设计方案使用体积较小的驱动IC解决方案，可以让整体LED光源颗粒布局有更多弹性，因为驱动IC不会因为体积较大挡到LED排布设计，也可避免因为驱动IC阻挡影响了SoB光型排布的实际效益，除了驱动IC体积需注意外，事实上被动组件的尺寸也是关注重点。虽然采用双面PCB上料也可以将发光组件集中在一侧上料、驱动IC/被动组件集中在另一侧上料，但实际上为了自动化生产更单纯、快速，降低成本的作法多会采用单面上料，让流程更加简便，故LED发光组件布局就需要避开驱动IC/被动组件，或是选用小型化料件进行设计组构。对于光源/驱动电路一体化设计方案，因为驱动电路与光源都已经在设计时间就结合了，也会使得系统寿命只要驱动电路或是光源任一零组件出现问题，就等于此光源模块故障报废，需更注意系统有效使用寿命的设计，不仅在光源部分需要挑选寿命较长效的LED光源料件外，也必须更重视整合的驱动线路、料件的使用寿命问题。LED照明产品需选用体积小、组件少、寿命长的驱动方案常见的LED驱动电路架构大多可分数类，如搭配限流电阻的电路架构、或是使用交换式电源设计的电路架构、或选用线性电流驱动的LED驱动电路架构。但限流电阻的电路架构为透过线路中的串联电阻，进行控制流向LED光源器件的顺向电流量，但此种设计方式存在颇多缺点，已渐渐改用线性定电流驱动架构进行LED光源驱动设计。3.研究目的和意义目前，产品可靠性越来受到各国的重视，美国等技术先进国家开始把可靠性工作放在与产品性能、成本和开发周期同等重要的位置，并颁布一系列管理措施，推动 LED 模组可靠性技术的研究与应用。国内外在 LED 模组的可靠性设计方面的工作还很初步，没有适当的模型，现有的模型都借用电子系统的模型，不能考虑失效相关性的影响，不准确、不实用，也没有先进实用的软件。而且，LED模组可靠性的研究大多是针对 LED 各元器件，如单个芯片或电源的可靠性，没有能站在模组化，集体化，封装后的LED可靠性设计技术进行研究。本课题将展开对LED模组的可靠性的相关研究，特别是在老化试验条件下的LED模组，并分析LED模组在老化试验条件下的失效机理；设计、分析和优化系统的可靠性模型，以及抛砖引玉，引起学研界对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。课题类型：（1）A工程实践型；B理论研究型；C科研装置研制型；D计算机软件型；E综合应用型（2）X真实课题；Y模拟课题；（1）、（2）均要填，如AY、BX等。二、本课题的研究内容：1、 理解LED模组在老化试验条件下对可靠性试验的特别要求；2、 掌握LED模组在老化试验条件下的失效行为，初步建立失效模型。3、 设计、建立可靠性模型，并分析其可靠性。3、 本课题研究的实施方案、进度安排：1.老化试验的方案的确立通过查阅资料知道，影响LED模组老化失效的原因主要分为深能级和非复合辐射中心的产生、接触电极金属的电迁移、散热不良导致的缓慢或灾变性失效、封装材料的老化、荧光粉的劣变、静电等。随着LED生产技术水平的提高, 其理论寿命已达到10万小时, 而常规应力下的寿命试验很难对它的寿命和可靠性及时地做出客观的评价, 因此研究时通常采用加速老化实验方法。老化实验是在加大应力情况下加快LED内部物理化学的变化,能够在较短时间内暴露出器件结构设计和材料的缺陷,为LED结构设计和材料选择提供依据和参考。由于LED是功率型器件, 受电流和温度影响较大, 因此采用加大LED工作电流应力和环境温度应力的方法。常用的加速寿命实验分为恒定应力加速实验和步进应力加速实验。恒定应力寿命实验的实验方法是将LED样品在分别选定的大应力下进行实验,方法简单易行, 数据外推的准确性好,但是实验周期较长。步进应力加速实验的实验方法则是将某个应力水平按时间间隔逐步提高,直到大量器件失效为止, 实验结果准确性较差, 但实验时间较短。国内外众多科研机构利用这些实验方法老化LED模组, 并采用光谱波长分析系统、电流电压测试仪器、SEM、EBIC、EBIV、DLTS 等仪器观察LED模组在老化过程中光电参数和芯片形貌的变化, 并以此为依据对老化机理进行了多方面的深入研究。下面是老化实验的流程图。 图3.老化试验流程图2.失效机理分析失效分析是对判定为失效的器件进行的一种事后检查与分析工作，研究器件失效的发生和影响，确定失效模式，判断失效机理，评估失效后果，提出处理及防范措施，以提高器件可靠性的一种综合办法，通过对LED模组老化试验，分析其老化后的失效（机理）模式，建立恰当的失效模型，来掌握在老化条件下的失效行为，为后续的进一步研究奠定基础。图4. LED模组失效分析流程3. LED模组可靠性建模 为了设计、分析和评价一个系统的可靠性和维修性特征，就必须了解系统和它所有的子系统、组件和部件的关系。很多情况下这种关系可以通过系统逻辑或数学模型来实现，这些模型显示了所有部件、子系统和整个系统的函数关系。LED模组的一般模型有如下几种：（1）全部串联 在图5所示的串联电路中，流经每一颗 LED 的电流都相同，使串联电路两端的电压很大。根据欧盟 IEC 61347-2-13 (5/2006)标准，针对采用直流或交流供电的 LED 模块，要求在 LED 灯具中的电压不得超过最大安全特低电压(SELV)，所以串联的 LED 总数不得超过 10 个左右。这样一来，功率方面就得不到满足。又由于 LED 的失效方式以断路为主，一旦出现一个 LED 失效，则整个路灯就会因断路而整个熄灭，这在可靠性上也是不允许的。图5.多颗LED串联（2）全部并联 如图 6所示，将功率型LED并联起来，以满足功率要求，并联电路两端电压相等，但是因为每个LED的伏安特性不一样，如果这时候用恒压源来供电就会导致流经每个LED的电流不同，这就导致路灯的配光设计难度加大。这时也可以用大电流恒流驱动，但即便是这样，也不能保证流经每个 LED 的电流相同，通常需要对每个LED串联电阻来平衡电流，但那样会严重影响效率，所以并联的 LED 数目过多也是不建议的。图6.多颗LED并联（3）m 串 n 并模式 目前，功率 LED 阵列的主要是构成形式如图 2.11 所示，通常被称为几串几并。例如图7所示的就是一组 14 串 4 并的连接方式。这时候虽然也可以用一个恒流源供电，但是这时候的总流被根据各串中的 LED 伏安特性进行分配，且这三支串联线路的电压是相同的，同一串中的 LED 电流也是相同的。而且假如其中一串中的某一个 LED 发生断路，这一支路就会熄灭，相应的电流被分配到另外两个支路上去，造成另外两个去路电流过大，这对 LED 的使用寿命是有影响的。 图7.m 串 n（14 串 4 并）并模式（4）阵列化互连 如图8所示，这种是把串-并模式的各串中的所有 LED 都并联起来。 将 LED 分组并联,再将每组串联起来,每一个 LED 都是电路连接阵列中的一个节点,其中任何一只 LED 开路或短路都不会造成发光组件整体失效。对于 nn 的LED 阵列化互连电路,当用恒流源驱动时,电流经过每一组并联电路时都重新分配,每一组并联电路都是相互独立的。在大功率 LED 多芯片集成封装中若采用传统的串并联方式,不仅串联的多个电阻将会占用很大的空间,阻碍了模块向更小尺寸化发展,而且将会在电阻上消耗太多的功率。因此,在多芯片集成封装 LED 中采用阵列化互连电路结合电流降额使用,能更大限度地发挥多芯片封装技术的优点,并提高 LED 阵列模组的可靠性和使用寿命。 图8. LED 阵列化互连电路原理图 论文工作进度与安排： 起始日期 工作内容和要求 备注 2014.3-2014.4 收集、消化资料 2014.4 实验室操作分析 2011.4-2014.5实验结果分析、工作总结 2014.5-2014.6论文撰写、论文提交与答辩主要参考文献：1 Michael G. Pecht，康锐. 可靠性工程基础. 电子工业出版社,2011.52 陶春虎，和怀玉.失效分析新技术.国防工业出版社,2011.53 王赐然.大话LED.中国电力出版社，2008.124 陈宇彬，李炳乾，范广涵.白光LED 老化机理研究进展.华南师范大学，2007.15 刘学.LED路灯可靠性设计技术研究.沈阳理工大学，2012.36 杨绸绸，刘强.基于加速老化试验的失效分析对光电器件可靠性的影响.燕山大学信息科学与工程学院,2013.67 ELSAYED A.ELSAYED.可靠性工程. 电子工业出版社，2013.88 孔学东，恩云飞. 电子器件失效分析与典型案例.M.北京：国防工业出版社,20069 周跃平，郭霞，王海玲. GaN基发光二极管寿命测试及失效分析J. 半导体光电200710 Meneghesso , S. Levada , E. Zanoni et al.FailureModes and M