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摘要：大功率LED的可靠性研究尤其是寿命评价测试具有重要的意义。基于此，本文论述了大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法。
关键词：发光二极管；可靠性；寿命评价试验方法
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种固体冷光源，具有无污染、寿命长、耐振动和抗冲击的特点，特别是在全球能源极度短缺的背景下，大功率发光二极管在照明市场的应用前景备受瞩目，必将成为新一代光源。此外，由于应用领域越来越广，发光管的可靠性研究显得日趋重要。
1 发光二极管概述
发光二极管简称为LED，由含镓、砷、磷、氮等的化合物制成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或组成文字或数字显示。它是半导体二极管的一种，可把电能转化成光能。
2 影响LED可靠性的因素
2.1 封装中的散热问题。封装过程中的散热是必须解决的一个重要问题。早期的GaN基LED可靠性研究观察到光输出迅速降低的一个重要原因是由于蓝光与紫外线辐射的温度升高，导致封装材料的透明度下降。长时间接受紫外线的辐射会降低许多聚合物的光学透明度，而GaN带间辐射复合会产生紫外线，所以紫外辐射引起封装料退化是合理的。
对封装材料的热退化，有试验研究表明：塑料在150℃左右会因单纯的热效应使LED的光输出减弱，尽管在寿命试验中没有发现塑料封装的外观呈褐色。但与LED接触的部分可能发生了变化。进一步研究发现，环境温度为95℃，驱动电流≥40mA时，结温超过145℃，接近塑料变色的温度；当驱动电流小于30mA时，结温小于135℃，与之对应的LED退化率也小，所以引起塑料封装材料变化，对LED寿命有重要影响的温度范围是135℃～145℃；另外，在大电流条件下，封装材料甚至会碳化，在器件表面生成不透明物质，或碳化物质在表面形成电导通道，导致器件失效。由于小功率GaN基LED的正常工作电流是20mA，远小于试验电流，封装材料碳化这种较极端的失效方式只可能出现在加速寿命试验中，在正常工作时，封装材料应是缓慢退化。
2.2 LED材料中的缺陷。LED材料中的缺陷会引起器件光输出的衰减，半导体薄膜材料中的晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。因缺陷对载流子具有较强的俘获作用，在发光二极管制备过程中引入缺陷将在有源层中形成无辐射复合中心，增加了光吸收，从而使器件发光效率降低。而注入载流子的无辐射复合又会使能量转化为晶格振动，导致缺陷的运动和增殖。
3 实验方法和理论模型
3.1 加速寿命试验的理论基础。加速寿命试验的基本思想是在高于正常工作条件的应力水平下，利用外推法求得正常应力水平下的寿命特征。因此，关键在于建立寿命特征与应力水平间的关系。此外，加速寿命试验模型是利用加速寿命试验所测得的数据信息，外推器件在正常应力水平下的可靠性指标的关键，其模型可根据物理、化学原理得到。
3.2 加速寿命试验方式。根据试验过程中应力的施加方式，加速寿命方式可分为以下三种：
1)恒定应力加速寿命试验，简称恒加试验，该试验应力水平固定，试验因素单一，操作简单，数据易处理，外推的准确性好，但试验周期比后两种试验方式长。该试验方式在加速寿命试验中较常用。
该试验的实施方法是将LED样品分为几组，每组在一个固定的应力水平下进行试验，安排若干个测试点，直至有一定数量的样品失效为止。然后对测试得到的数据进行处理，求出加速模型中的待定参数，从加速曲线或方程中外推这批LED产品在正常应力水平下的寿命或失效率。
2)步进应力加速寿命试验，简称步加试验，该试验是以累积损伤物理模型为理论依据。试验时每过一段固定时间后，逐级升高应力，直至有一定数量的样品失效为止。该试验周期短，但预计精度低，因此通常用于定性分析LED可靠性场合。
3)序进应力加速寿命试验，简称序加试验。该试验的试验应力是随时间增大，按线性或其它规律连续变化的，可近似看做步进应力的每级应力差很小的极限情况。该试验需专门的程序控制试验设备，一般在LED加速寿命试验中很少采用。
3.3 设计加速试验的原则
1)明确失效定义。对突变失效容易区别正常状态与失效状态。而对由于性能退化和参数漂移引起的渐变失效，必须明确失效判据或极限状态的定义。这种失效定义可是针对整个产品的，也可是针对决定产品寿命的关键零部件，视产品特点而定。
2)明确加速应力。产品的可靠性和耐久性受其整个寿命剖面中各种因素的影响，包括载荷、环境、工作方式等。应列举出所有能在使用(或储存)条件下导致失效或使工作能力退化的因素。选择加速应力除考虑加速性即在加速失效意义上的强化有效性外，还应考虑实践上的可行性，即改变应力水平的技术可能性。
3)明确强化极限。在选定加速应力即强化因素后，还要确定强化水平。从加速失效及损伤累积过程上看，应力水平越高越有效，但应力不能随意提高。在很多情况下存在强化极限，应力水平超过此极限将导致失效机理的改变，加速试验将失去意义。为了使加速试验具有相似性，必须保证试验中失效机理守恒。因此，应遵守如下原则：加速应力水平<强化极限。标志试验方案加速性的参数是加速系数。其定义是，基准应力条件的试验与某种应力条件下的加速试验达到相等的累积失效概率所需的时间之比。
3.4 单一应力加速试验。该试验只有一种加速应力，加速应力与产品寿命的理论关系由加速试验数学模型描述。
1)阿伦纽斯模型。此模型广泛应用于产品寿命为温度函数的情况，即加速应力只有温度，产品的失效是由于化学反应或金属扩散而导致退化的。半导体与微电子器件，电绝缘与电介质材料、电池、塑料及金属材料(蠕变)等都可采用温度加速试验。
2)阿伦纽斯-对数正态模型。在工作温度下某些产品的特性如电动机绝缘、某些半导体与固体器件等的寿命及金属疲劳寿命都服从对数正态分布，这时应采用中位寿命作为可靠性指标。
3)阿伦纽斯-威布尔模型。当在工作温度下产品(如电容器介质、绝缘带等)寿命服从威布尔分布时，采用特征寿命作为可靠性指标。
3.5 复合应力加速试验。艾伦模型描述产品在温度应力及非温度应力的复合作用下，寿命与应力的关系。同时，艾伦模型可用于在温度环境下机械零件的疲劳破坏、绝缘材料的耐电压破坏、半导体器件的通电腐蚀等加速试验。
4 大功率LED加速寿命试验的方法和选择
4.1 1W级白光LED温度加速寿命试验。估计其寿命大约在10万h，分别取出3组二极管作为实验样品，温度分别调为70℃、80℃和90℃，根据以温度为应力的加速寿命试验外推器件的寿命时采用阿伦纽斯方程的等价公式：
式中：c为常数，与材料有关；Ea为考虑失效机理的激活能；K为彼耳兹曼常数；T为绝对温度；e为自然常数。可推出：
式中：to和t分别是LED在正常使用中的平均寿命和在加速条件下的平均寿命；To和T分别为正常使用中的温度和加速条件下的温度。由此，3组数据计算出激活能Ea后，即可由LED在任何一个T温度下的寿命外推出LED在常温下的寿命。
4.2 1W级白光LED电流加速寿命试验。LED寿命和电流的关系式为：
式中：to为给定电流下的寿命；t为增加或降低后操作电流下的寿命；n为经验常数。
与电流加速一样，分别取3组二极管作加速实验，取定经验常数n后，由电流下的LED寿命，即可推出该LED在电流下的寿命。
参考文献：
[1]杨宇航.加速寿命试验的理论基础[J].推进技术，2014，22(04):276-278.
[2]贺卫利.大功率发光二极管寿命测试及可靠性研究[D].北京:北京工业大学，2015.
[3]陈建新.大功率发光二极管可靠性和寿命评价试验方法[J].应用光学，2015，29(04):533-536.
论文作者:尹斌
论文发表刊物:《中国电业》2019年第07期
论文发表时间:2019/7/31
标签：寿命论文; 应力论文; 可靠性论文; 电流论文; 温度论文; 水平论文; 模型论文; 《中国电业》2019年第07期论文;