半导体照明产品可靠性及失效机理分析-钱诚.ppt

1、半导体照明产品可靠性及失效机理分析,报告人: 半导体照明联合创新国家重点实验室 2015.5.24,可靠性vs.失效分析,主要内容,1. 失效模式与失效机理分析 1.1 光通量衰减 1.2 颜色漂移 1.3 灾难性失效 2. 可靠性测试与评价 2.1 环境试验 2.2 寿命试验 2.3 加速衰减试验 3. 可靠性设计方法 3.1系统可靠性模型 3.2故障诊断与健康管理 4. 小结,失效模式与失效机理分析,流明衰减,流明衰减,辐射型复合和非辐射型复合,L. Trevisanello, Accelerated Life Test of High Brightness Light Emitting

2、Diodes, IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, VOL. 8, NO. 2, JUNE 2008,温度的影响,电流的影响,流明衰减,芯片断裂和界面分层,L. Trevisanello, Accelerated Life Test of High Brightness Light Emitting Diodes, IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, VOL. 8, NO. 2, JUNE 2008,流明衰减,L. Trevisanello, Ac

3、celerated Life Test of High Brightness Light Emitting Diodes, IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, VOL. 8, NO. 2, JUNE 2008,荧光胶老化,不同驱动电流下LED发光照片 (a) 低电流 (b) 高电流 （上部：老化前，下部：老化后）,颜色漂移,颜色坐标,Fail,三刺激值：,CIE1976 色坐标：,颜色漂移,色漂临界值： Energy Star：duv0.007 ANSI：依据表格规定,颜色漂移,光谱变化,蓝光芯片,荧光粉激发,白光芯片,

4、透镜透光率,灯具,基板反射率,激发效率降低 激发光谱偏移 老化、硫化,蓝光光谱偏移,基板老化、黄化、硫化,透镜老化、黄化、硫化,灾难性失效,焊点失效,金属间化合物（IMC）增长,焊点疲劳,金属间化合物（IMC）增长,灾难性失效,其他失效模式,可靠性测试与评价,不同照明灯具性能与预期寿命,15,Before 1879 煤气灯,1879 白炽灯,1930s 荧光灯,1950s 钠灯,1990s LED照明产品,可靠性测试与评价,可靠性试验分类,A.环境试验 环境试验是考核产品在各种环境（振动、冲击、离心、温度、热冲击、潮热、盐雾、低气压等）条件下的适应能力，是评价产品可靠性的重要试验方法之一。 B

5、. 寿命试验 寿命试验是将产品放在特定的试验条件下考察其失效（损坏）随时间变化规律。 C. 筛选试验 筛选试验是一种对产品进行全数检验的非破坏性试验。主要用于消除早期失效和减少不合格产品数目。 D. 现场使用试验 现场使用试验在使用现场进行，能真实地反映产品的可靠性问题。 E. 鉴定试验 鉴定试验是对产品的可靠性水平进行评价时而做的试验。它是根据抽样理论制定出来的抽样方案。在保证生产者不致使质量符合标准的产品被拒收的条件下进行鉴定试验。 ,可靠性测试与评价,环境试验,可靠性测试与评价,可靠性测试与评价,可靠性测试与评价,寿命试验,ENERGY STAR Program Requirements

6、 for Lamps (Light Bulbs) V1.1,可靠性测试与评价,寿命试验,ENERGY STAR Program Requirements for Lamps (Light Bulbs) V1.1,临时的认证（Early Interim Certification）,需要： 光源LM-80测试报告； Ts温度； 驱动电流。,可靠性测试与评价,寿命试验,ENERGY STAR Program Requirements for Lamps (Light Bulbs) V1.1,寿命试验,可靠性测试与评价,IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen

7、Maintenance of LED Light Sources,每1000小时一个数据点,寿命试验,可靠性测试与评价,IES TM-28-14 Projecting Long Term Luminous Flux Maintenance of LED Lamps and Luminaires,6000小时法,每1000小时一个数据点,寿命试验,可靠性测试与评价,IES TM-28-14 Projecting Long Term Luminous Flux Maintenance of LED Lamps and Luminaires,3000小时法,3,需要： 光源LM-80测试报告； Ts

8、温度；,每500小时一个数据点,可靠性测试与评价,加速衰减试验,Source: X.J. Fan, Overview, Roadmap ,线性加速假设 被测样品在加速试验条件下和常规使用条件下的失效机理相同. 不同负载条件下的加速时间与被测样品的使用寿命呈线性关系，并可用加速因子描述.,Acceleration Factor AF:,Arrhenius model,Peck model,Norris-Landzberg model,可靠性测试与评价,定义光衰临界边界曲线，并假设该临界曲线具有下列特性: e指数衰减: Arrhenius Equation:,Source: C.Qian, J.J

9、.Fan et al, An Accelerated Luminous Flux Depreciation Test Method for LED Luminaires, submitted to Reliability Engineering Tacc = 55,Ea = 0.396 eV,不引入新的失效机理,可靠性测试与评价,Source: C.Qian, J.J.Fan et al, An Accelerated Luminous Flux Depreciation Test Method for LED Luminaires, submitted to Reliability Engi

10、neering & System Safety,测试时间,* 加速试验之前需进行55下500小时的老炼.,可靠性测试与评价,Source: C.Qian, J.J.Fan et al, An Accelerated Luminous Flux Depreciation Test Method for LED Luminaires, submitted to Reliability Engineering & System Safety,加速试验方法的验证（封装级别数据）,总共60个样品中，有56个在25和55下的寿命评价结果一致。,可靠性测试与评价,Source: C.Qian, J.J.Fa

11、n et al, An Accelerated Luminous Flux Depreciation Test Method for LED Luminaires, submitted to Reliability Engineering & System Safety,加速试验方法的验证（灯具级别数据）,对于所有被测样品，除13RT-14外，能源之星性能规范与加速试验方法给出一致的寿命评价结果。,可靠性测试与评价,Source: C.Qian, J.J.Fan et al, An Accelerated Luminous Flux Depreciation Test Method for L

12、ED Luminaires, submitted to Reliability Engineering & System Safety,加速试验方法的验证（灯具级别数据）,对于所有被测样品，能源之星性能规范与加速试验方法给出一致的寿命评价结果。,可靠性设计方法,系统可靠性模型,系统可靠性模型,系统可靠性模型,预测LED照明产品整体的寿命分布； 采用机器学习方法确定影响灯具失效的关键失效模式； 可在LED照明产品设计阶段预测其使用寿命分布。,含3颗封装的LED球泡灯系统可靠性模型：,系统可靠性模型,系 统 可 靠 性 模 型,灾难性失效、焊点失效和驱动失效采用Weibull分布表征,光源光衰失效

13、采用Beta分布B(a,b)表征,系统可靠性模型,含3颗封装的LED球泡灯系统可靠性模型：,系统可靠性模型,系统可靠性模型,单颗LED封装光通量分布,系统可靠性模型,3颗LED封装,18颗LED封装,系 统 可 靠 性 模 型,灾难性失效、焊点失效和驱动失效采用Weibull分布表征,光源光衰失效采用Beta分布B(a,b)表征,系统可靠性模型,PHM主要用于诊断系统故障及预测系统剩余有效寿命等。 PHM通常还包括系统失效机理分析和系统生命周期管理等。 PHM的主要手段和方法包括：,故障诊断与健康管理（PHM）,在故障出现前提供早期故障预警 ； 提供有效的产品评价和筛选方法； 提供延长有效寿命的方法； 提供系统维护策略；,Soren Krohn, et al., 2009, The Economics of Wind Energy: A report by the European Wind Energy Association