加速寿命试验方法演示幻灯片

1,LED的寿命试验方法中电科技集团第十三研究所张万生赵敏国家半导体器件质量监督检验中心徐立生,2,目录,1.前言2.适用范围3.定义4.样品及试验应力5.失效判据6.参数测试失效时间和失效数的确定7.数据处理方法8.试验案例9.加速模型检验10.讨论11.结语,前言,平均寿命是电子元器件最常用的可靠性参数，发光二极管的平均寿命一般以光通量（光功率)的衰减值作为单一失效判据来获取试验数据，这时采用本标准给出的一种可缩短试验时间获取试验数据的方法和比较简易的数据处理程序（简称退化系数外推解析法）。当白光LED需要考虑色温漂移时，以色温漂移为单一判据的白光LED或同时考虑色温漂移和光通量衰减具有2个失效判据的白光LED，则采用常规的定数截尾法获取试验数据，并采用已有的国家标准：寿命试验和加速寿命的简单线性无偏估计法（GB2689.381）、寿命试验和加速寿命的最好线性无偏估计法（GB2689.481）来进行数据处理，然而这种情况则需要较长的试验时间，而且数据处理的方法也比较复杂。因此我们在制定“LED寿命试验方法”的标准分为2个阶段：（1）以光通量（光功率)的衰减值作为单一失效判据来获取试验数据，采用退化系数外推解析法处理试验数据（也可采用GB2689.381）。这一部分适用于单色光和不考虑色温漂移的白光LED已较成熟，现已可形成标准申报实用。（2）当白光LED需要考虑色温漂移时，其失效判据及数据处理方法我们正处于研究之中。待成熟时，将采用线性无偏估计的方法单独形成另一标准。,4,LED寿命试验方法,1适用范围本标准规定了求取LED（以下简称产品）平均寿命的恒定应力加速寿命试验的数据获取和数据处理方法。它适用于各种单色光LED光输出和不考虑色温变化白光LED的慢退化模式。2引用文件GB2689.181恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则GB2689.281寿命试验和加速寿命试验的图估计法（用于威布尔分布）GB2689.381寿命试验和加速寿命试验的简单线性无偏估计法（用于威布尔分布）GB2689.481寿命试验和加速寿命试验的最好线性无偏估计法（用于威布尔分布）GB/T4589.12006分立器件和集成电路总规范SJ/T2355-2006半导体发光器件测试方法,4,5,定义,3定义3.1LED产品寿命LED产品寿命是在规定的工作电流和环境温度下，光输出下降到规定数值的工作时间，它是一个随机变量，在掌握了一批产品的统计规律后，可以得到其中某一个产品寿命小于某一数值的概率。3.2平均寿命平均寿命是LED产品寿命的平均值，对于不可维修的LED产品，通常用“失效前的平均工作时间”（MTTF）来表示，其意义是LED产品失效前的工作时间的平均值(数学期望值)。,5,6,样品及试验应力,4样品4.1抽样参加试验的样品必须选择同一设计的产品型号具有代表性的规格,在经过老化筛选和质量一致性检验合格批的母体中一次随机抽取。通过老化筛选剔除快退化和突然失效器件。4.2样品数量每个应力水平下的小功率样品数量不少于10只，功率型产品不少于5只。5试验应力一般情况下，一个完整的加速寿命试验其应力水平应不少于3个。为了保证试验的准确性，最高应力和最低应力之间应有较大的间隔。其中一个应力水平应接近或等于该产品技术标准中规定的额定值。最高应力水平不得大于该产品的结构材料、制造工艺所内承受的极限应力，以免带进新的失效机理。,7,失效判据,6失效判据6.1光通量（或光功率）的衰减对于单色光LED或白光LED（不考虑色温时）可根据不同应用要求，取光通量衰减到初始值的50或70作为失效判据。还可根据具体情况,取大于70的加严值。6.2色温漂移见13.5（2）,8,7.1试验中应测量的主要参数为光通量（或光功率）、色温（色坐标），其它参数为热阻、正向电压、色容差等。测量方法及要求应符合SJ/T23552006中的相关规定。7.2测试环境、测试仪器及测试设备的要求应符合产品技术标准的有关规定。7.3在没有自动记录的试验中，具体产品测试间隔时间的选择，可通过摸底试验来确定。测试间隔时间的长短与施加应力的大小有关，施加应力小，则测试间隔长；施加应力大，则测试间隔短。每个加速应力水平下的寿命试验的测试数据点数m不应少于5个（m5）。7.4在没有自动记录的试验中取出样品进行测试到再次投入样品继续进行试验的时间一般不应超过24小时。7.5试验过程中，每次测试均应使用同一测试仪器和工具，如必须更换时，则必须经过计量，以便保证测试精度。,参数测试,失效时间和失效数的确定,8失效时间和失效数的确定8.1有自动实时记录装置的，以自动记录到的时间计算。8.2对于以光通量衰减作为单一失效判据8.2.1通过光通量衰减系数计算某一产品的试验截止时间和某一结温下的工作寿命（简称退化系数外推解析法），按不同应用要求，取光通量衰减到初始值的50或70作为失效判据。计算公式如下：Pt=P0exp(-t)式中:P0为初始光通量(或光功率)；Pt为加温加电后对应某一工作时间的光通量（或光功率）；为某一结温下的退化系数；t为某一产品的试验截止时间。式中：i为不同的试验环境温度的应力水平，可取为1、2、r；Lc,i为某一结温下的工作寿命,C=Pt/P0；,8.2.2试验截止时间必须保证LED的初始光通量（或光功率）产生足够的退化，为减少试验数据的误差，第一个数据点的退化量应大于仪器测量误差，可以采用图估法(在概率纸上描点划线或运用计算机)进行线性拟合，选取偏离直线最小、光输出衰减较大的试验数据点，该数据点的累计时间即为试验截止时间，通过公式计算给定结温下的失效时间（工作寿命Lc,i），这样可以缩短试验时间。8.2.3通过某一产品光通量退化系数和试验截止时间外推某一结温下的加速寿命时，可有以下2种方式：（1）若光功率的初始值一直下降，如图8.21所示，则加速寿命为Lc,iT，则可直接用退化系数外推求得。,图8.21光功率的初始值一直处于下降时的加速寿命示意图,（2）若光功率出现先上升再下降的情况，如图7.22所示，则加速寿命为Lc,iT1（T2T1）其中光功率下降到初始值P0的试验时间为T1，用退化系数外推法求得的寿命为T2T1。,图8.22光功率出现先上升再下降时的加速寿命示意图,8.3对于以色温漂移为单一失效判据的白光LED或具有光通量衰减和色温漂移2个失效判据的白光LED，则需产品试验到失效时方可截止，试验截止时间即为失效时间(加速寿命)，这样就需要较长的试验时间。8.4试验采用定数截尾，一般情况下，试验截尾时间应使失效数r大于或等于投试样品数n的30%，当失效数无法达到30%n时，至少有r4。试验过程中由于非产品本身原因所造成的失效不应计入失效数内。,数据处理方法,9数据处理方法以光通量衰减作为单一失效判据采用退化系数外推解析法9.1.温度应力加速模型退化系数与结温之间的关系用阿仑尼斯（Arrhenius）方程表示=IF0exp(-Ea/kTj)式中IF为工作电流，0为常数；Ea为激活能；k为波耳兹曼常数(8.6210-5ev)；Tj为结温（绝对温度）。9.2结温结温可按以下公式求得：对于小功率LEDTj=Ta+VFIFRj-a对于功率型LEDTj=Ta+(VFIFPt)(Rj-c+Rc-h+Rh-a)式中:Ta为环境温度（本试验的烘箱温度为环境温度）；VF为正向电压；输出功率Pt较小时可以忽略不计。Rj-c为结到壳的热阻；Rc-h为壳到热沉的热阻，当Rc-h在最佳情况下，计算时可以忽略不计；Rh-a为热沉到环境的热阻,13,9.3激活能通过公式、求出激活能Ea式中：Tj,(i-1)、Tj,i为不同试验环境温度下的结温。9.4正常工作环境温度(Ta25)下的平均寿命Lc,0通过公式求得Lc,0为工作环境温度（25）下的平均工作寿命；Tj,0为某一工作环境温度下的结温。,10试验数据处理结果有效性的判断可按GB2689.281采用图估法检验加速模型和判断失效数据的取舍是否恰当。11试验报告试验报告应包括以下内容：a.试验目的b.失效判据c.试验样品及应力的选择和试验说明d.试验和测试设备的名称、型号及精度e.试验数据的处理及平均寿命计算f.试验的验证及失效分析g.试验结论,15,光功率缓慢衰退的单一失效判据试验案例,12.1样品投试样品为十三所研制的F008型功率型LED，采用大陆某厂家早期生产的11硅载体倒装芯片封装，其结构如图9.1所示。考虑到器件要在高温下试验,可耐受较高的温度应力，芯片与管壳底盘采用高温焊料共晶焊连接，荧光粉用硅胶调配，并全部用硅胶灌封,由硅胶自然形成的拱形球面取代玻璃透镜或PC树脂透镜，以防止因“分层”而引起的光衰，所有封装材料均可承受高达200的高温。投试样品经过一致性质量检验和全部加电(加温)老化筛选。试验环境温度分为3个应力组，分别为165、175、185，每组的试验样品均为5支（ni=5）,失效数为5支（ri=5）。试验样品均带有尺寸较大的铜热沉，如图9.2所示，以使热沉至环境具有较低的热阻。参数测试按8.1、8.2、8.3、8.4。,16,图12-1F008型功率型LED结构示意图,图12-2带有热沉的F008型功率型LED,12.2试验数据获取和处理12.2.1不同环境温度Ta,i下165、175、185的试验数据ti和Pt,i，由公式、计算退化系数i,并得到试验寿命Lc,i（如表10.2.1-1、表10.2.1-2、表10.2.1-3所示）。,表12-1165下的试验数据及加速寿命t165,18,表12-2.175下的试验结果和加速寿命t175,19,表12-3.185下的试验结果和加速寿命t185,12.2.2根据热阻、正向电压、正向电流为350mA和环境温度由公式、求出结温及其相关试验数据（如表10.2-4.所示）。由、计算激活能和平均寿命。,表12-4.结温及其相关试验数据,表12-5激活能的计算结果及其相关数据,表12-6正常环境温度（25）失效判据为50的平均寿命及其相关数据,注：1）不同工作环境温度下的平均寿命分别为：Ta=45（Tj=64）,L0.5，45=2.75104h；Ta=65（Tj=84）,L0.5，65=1.18104hTa=85（Tj=104）,L0.5，85=5508h;,22,加速模型检验,模型的验证通过公式验证的关系曲线。在单对数坐标纸上，以温度为横坐标轴，退化系数为纵坐标轴，用、中的相关试验数据(165、175、185和其对应的平均退化系数1.3110-3、1.6610-3、2.1610-3)进行描点划线，如图9.31所示，数据点呈现为一条直线。则表明：退化系数与温度的关系符合阿伦尼斯模型，试验结果有效。,12.3加速模型检验退化系数与温度的关系,图12-3退化系数与温度的关系曲线,=IF0exp(-Ea/kTj),12.4威布尔图估验证加速寿命试验中用概率纸图估试验结果直观形象，一般用于监视和验证试验过程是否出现异常现象。我们从威布尔分布图估法（GB2689.281）验证的案例结果可以看出：（1）由形状参数m可以看失效模式。（当m1时为早期失效；m1为偶然失效工作期，此时失效率接近于常数，此时样品的寿命分布为指数分布）m1为磨损失效期，（本案例m=6.64）。在高温（165185）下LED器件的芯片会加速退化，而且封装材料也会加速老化，使其透光性能变差，表现为光功率的加速衰退，这是本案例的工作寿命进入到磨损失效期m值较大的主要原因。（2）不同温度下的LED寿命数据点的分布符合威布尔分布，即使在产品很少的取样数下(n=5)，数据点在威布尔分概率纸上均能够呈现较好的线性拟合。（3）LED器件的失效虽受多种随机变量的影响，这些变量包括电、热失效机理的芯片和热失效机理的封装材料，由它们组合的多重影响，在概率纸上能够呈现符合预期的威布尔分布。,24,12.5用对数正态分布图估法对求取LED平均寿命验证对数正态分布能够较好的反映半导体器件的失效规律11)，在半导体器件可靠性试验中已得到了广泛的应用，但平均寿命计算比较复杂，一般采用图估法估计用于验证；用常规的对数正态分布图估法要用到对数正态概率纸和单对数坐标纸。使用对数正态分布概率纸可以分别得到在不同温度应力条件下各寿命试验的寿命分布，使用单对数坐标纸可得到加速寿命曲线，由此在对数正态概率纸上估计出正常温度应力水平条件下的寿命分布。绘制不同温度应力下的寿命分布曲线在对数正态概率纸上绘制165、175、185三个温度应力下的寿命分布曲线（1）作数据表：把165、175、185试验得到的失效时间（寿命）t165、t175、t185，按时间从短到长的次序排列,如表9.3-1中失效时间T165,i、T175,i、T185,i的一行数据;（2）计算累计失效百分比F(ti):由于n20，故需查“中位秩表”17）（见附录表1）得到，如表9.3-1中F(t)行的数值；,25,26,表10.3.2.不同温度应力下的失效时间和累计失效率,26,（3）描点:在对数正态分布概率纸上用表10.3.2-1中的试验数据描点。失效时间的数值在对数正态概率纸的t轴上取坐标值，累计失效率的数值在F(t)轴上取坐标值，分别绘制出3个试验环境温度165、175、185下的分布曲线L1、L2、L3，如图10.3.2-1所示近似地呈现3条直线，这些直线就是该批试验样品在三个温度应力下的对数正态分布。如果不呈现直线，则认为不是对数正态分布。试验环境温度所对应的结温分别由公式、计算，采用表9.2-4列出的结温数据。（4）估计中位寿命ti(0.5)：其足标“i”表示在Ti温度应力下的中位寿命，t165(0.5)、t175(0.5)、t185(0.5)分别是在给定温度应力下累计失效率为50的时间，也是可靠度为50的时间。在图纸的F(t)轴上，取F(t)50的坐标刻度，然后由此处右引水平线分别与分布直线L1、L2、L3相交，得交点，再由交点分别下引垂线与图纸的t轴相交得到的3个坐标刻度值即为估计的中位寿命t165(0.5)530h、t175(0.5)420h、t185(0.5)320h，如图10.3.2-1所示;,27,28,28,（5）估计对数标准差i:其足标“i”表示在Ti温度应力下的标准差。在图纸的F(t)轴上取84的坐标刻度，由此处右引水平线分别与分布直线L1、L2、L3相交，得交点，再由交点分别下引垂线与图纸的失效时间t轴相交得到的3个坐标刻度值即为失效时间t165(0.84)620h、t175(0.84)520h、t185(0.84)390h，如图10.3.2-1所示。,29,29,图1.加速寿命在三个温度应力下的对数正态分布和t(0.5)、t(0.84)的图估值,30,对数标准差i的数值按以下公式计算：,i,ii0.84-i0.5,其中的对数是以10为底的对数;（6）列表：将得到的中位寿命和对数标准差的数值列成表2;,表10.3.2-2不同环境温度下的中位寿命和对数标准差,31,绘制加速寿命曲线将单边对数纸的对数坐标轴(纵轴)作为时间t轴，坐标横轴作为绝对温度T的倒数1T的坐标轴，如图10.3.2-2所示。（1）描点:由表10.3.2-2，将数据点T165、t165(0.5)，T175、t175(0.5)，T185、t185(0.5)依次绘制在单边对数纸上，如图10.3.2-2所示，近似地呈现为一条直线。否则将有两种可能，一种是加速变量所遵从的规律不符合阿伦尼斯模型；另一种可能是该加速寿命试验不是真正的“加速”;（2）配置直线：在此图纸上将数据点拟合成一条直线，此直线就是直线化了的加速寿命曲线；（3）估计正常温度应力T0(25)下的中位寿命t0(0.5)：在1/T轴上取1/T0的坐标刻度，由此处上引垂线与加速寿命直线相交，再由交点左引水平线与t轴相交，得到的刻度即为中位寿命t0(0.5);由25时的1/T0=31.7104，得到：t0（0.5）=7.0104(小时)，如图10.3.2-2中T0处箭头的指,32,图9.3-2对数正态分布的加速寿命曲线,33,估计正常环境温度应力T0(25)条件下的平均寿命（1）计算在正常温度T0(25)条件下寿命分布的对数标准差0：由表2中的i（i=1、2、i），按公式计算在正常温度T0(25)条件下的寿命分布的对数标准差001（n1+n2+ni）(n1-1+n2-2+ni-i)0=(1+2+3)/3=0.246775/3=0.082258（2）求正常环境温度应力T0(25)条件下的平均寿命t0E：平均寿命的计算可用公式tE-1（0.5）+1.15102正常环境温度应力下(25)的平均寿命t0E=lg-1lgt0（0.5）+1.15102=lg-1lg(7.0104)+1.151(0.082258)2=lg-14.84509+0.010217=lg-14.855307=7.17104(小时),34,讨论,在制定本标准的过程中我们进行了多项专题研究，包括芯片封装前后寿命的对比、导电银浆粘结与共晶焊接的对比、高温存储与高温加电的对比、单一应力变量（温度）和多应力变量（电流、温度）的对比以及色温漂移摸底等。现结合试验结果主要从以下几方面加以讨论分析13.1失效机理从失效机理上看，LED裸芯片和其封装产品二者是不一样的。(1)LED裸芯片的退化除与温度应力有关外，还有电应力的作用，主要是体内缺陷和离子热扩散和电迁移的物理效应,热扩散场和电漂移场同时并存，属于本质失效。LED芯片的平均寿命高达数十万小时以上,可承受的温度应力大于200,35,(2)封装材料(导电银浆、荧光粉胶、环氧树脂、硅胶等)的退化主要是与温度有关的化学作用,属于从属失效。封装器件，其平均寿命一般低于10万小时,而且其耐受的温度因封装材料有很大差异远低于200。LED裸芯片与封装器件的区别主要体现在激活能的数值不同；采用不同的高温存储可以得到封装材料的激活能。的强度。(3)在对LED封装产品选取加速试验应力时，可通过高温存储试验进行摸底可确定最高试验应力。对强度低的封装材料，例如粘结芯片的导电银浆、灌封的环氧树脂，只能采用较低的温度应力，因而需要较长的试验时间，试验时间不够则会带来较大的误差。因此LED产品的寿命取决于所用封装材料，应力过大超出所承受极限强度时将会改变失效机理,13.2模型选择在LED器件加速寿命试验中温度应力和电流（非温度）应力同时并存，可有三种模式:（1）温度应力为单一变量此时适用于阿伦尼斯模型，电流应力一般选定为正常工作的数值，通改变度应力来实现加速老化。用阿伦尼斯模型来处理加速寿命试验数据,既简单又便,而且也能较好的解释试验结果.半导体器件的加速寿命试验一般多为这种模式，已被大陆的“半导体器件分立器件和集成电路总规范”（GB/T4589.1-2006/IEC60747-10:1991）所采用。以光通量缓慢退化的单一失效判据的试验为例，阿伦尼斯模型模型验证可通过在单对数坐标纸上，以温度为横坐标轴，退化系数为纵坐标轴，相关试验数据和其对应的平均退化系数，进行描点划线，数据点分分布呈现为一条直线，则表明符合阿伦尼斯模型。,（2）电流应力为单一变量LED在电流为变量时，采用逆幂律模型。逆幂律模型模型验证可通过图估法用对数正态分布概率纸和双对数坐标纸进验证,看其寿命分布的数据点在双对数坐标纸上是否能够拟合为一条直线，并以此判断电流加速变量所遵从的规律是否符合逆幂律模型，在以光通量缓慢退化的单一失效判据的试验案例中目前我们尚未得到合理的验证结果。实际上，此时电流应力已不是单一变量，除电流应力外，还不能忽略因电流提高而产生的结温变化，因此采用逆幂律模型是不适合的。（3）温度应力和电流应力均为变量当LED同时考虑温度应力和电流（非温度）应力两个变量时，则应采用爱林模型。由于不是单一变量，非温度应力的存在要同时考虑因能量分布和激活能而调整修正因子，因此数据处理比较复杂，这种情形很少用于电子元器件的加速寿命试验，常用于工程上的老化筛选。,13.3初始光功率考虑到GaN基的LED在高温加电的过程中会出现光功率先上升再下降的现象，美国ASSIST推荐的LED寿命试验方法规定：样品采用经过1000小时后的光功率作为初始光功率P0，主要是为了避免出现异常的测试数据，这一规定没有考虑温度应力大小，一律按1000小时计，随着温度应力增大，则会有较大的误差。而我们是采用加大温度应力的办法，使光功率先上升、所求的加速工作寿命为上升再下降的过程时间缩短。再下降的光功率接近初始值所对应的时间与用退化系数外推的有效工作时间之和，这样的误差会比前者要小些。13.4退化系数与试验截止时间一般情况下，试验截止时间可从LED的初始光输出衰减的多个试验数据点中来选取,这些数据点具有一定的离散性，可以采用图估法对退化系数进行估算。除在单对数概率纸上描点划线外,还可以运用计算机进行线性拟合(这样可以避免人为因素)。在拟合的直线上选取偏离直线最小、光输出衰减量较大的试验数据点，该数据点的累计时间即为估算退化系数的试验截止时间，如图11.6-1所示，图中SA14的试验数据点列于表10.6-1，由图可见，表中的10数据点（1744小时，0.82）被选取，数据图中还给出了拟合的直线方程和最小二乘拟合的相关系数。,表13.41SA14蓝光功率芯片的加速寿命试验数据165350mA,图13.4-1运用计算机对试验数据点的线性拟合,40,13.5色温漂移（1）色温漂移与封装材料密切相关在用荧光粉转换的白光LED加速寿命试验的器件中，发现试验样品伴随着光功率的衰退色温均有或增或减的变化，图13.5.-1示出了40只采用全硅胶封装的功率却器件，在125下加速试验色温变化的分布。试验结果表明：大部分器件呈现为色温下降，色温变化率一般在510之间，只有个别器件呈现为色温上升，其变化率也在510之间。我们把这种或增或减的变化称之为色温漂移。然而对于采用环氧封装的5白光小功率白光LED，在75下进行1000h高温存储试验，试验结果表明：色温几乎全部呈现为上升,上升幅度一般为5%30，。色温漂移不仅与封装材料密切相关，而且与初始色温也有关，初始色温低，漂移小，初始色温高，漂移大。,图13-1加速寿命试验中白光功率LED的色温飘移,（2）色温漂移的失效判据当白光LED应用在对色温漂移有特殊要求时，则失效判据则要考虑色温漂移，其失效判据可用以下2种方式用不同的色度参数数值来规定。美国能源之星（ENERGYSTAR）和美国国家照明标准工作组（ANSI）按照白光LED技术和颜色对现有荧光灯色度标准加以修正并重新分档，这些分档在CIE1931或1976色度图中以8个固定四边形的形式出现，8个四边形可以用色度坐标或相关色温来表示，如图132、表131表132所示，白光LED按固定标称色型来规定失效判据，其相关色温或色坐标的变化应落在规定的四边形之内，若超出标称固定色型的四边形边界则为失效。为使白光LED的色温均能在8个四边形的区域内.对于取代荧光灯的白光LED照明光源，则应选取荧光灯六种固定标称色型所对应的6个四边形，相当于7步麦克亚当椭圆范围（色容差为7SDCM）。,图13-2在CIE1931色度图中以8个四边形的形式出现的白光LED色型,表13-1.以相关色温CCT和DUV表示的8种白光LED色型,表13-2以色坐标表示的8种白光LED色型,美国ASSIST在考虑色移时，有效寿命的判据是指色温漂移的色度坐标变化不超过初始色度坐标的四步马克亚当（MacAdam）椭圆的范围，相当于色容差4SDCM。这个数值应该是在合理的可感知色差的允许度内。在此我们选取荧光灯六种标称色型的7步或8步马克亚当（MacAdam）椭圆的范围（色容差为7SDCM）,图133马克亚当（MacAdam）椭圆的加速试验色温初始数据点示意图,图134马克亚当（MacAdam）椭圆的加速试验色温漂移试验数据点示意图,（3）对于以色温漂移为单一失效判据的白光LED或具有光通量衰减和色温漂移2个失效判据的白光LED，则采用“最好线性无偏估计法”(GB2689.48