加速寿命试验方法

2020/4/15LED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2020/4/15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（GB2689.3－81）、寿命试验和加速寿命的最好线性无偏估计法（GB2689.4－81）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GB2689.3－81）。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。32020/4/15LED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GB2689.1－81恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则GB2689.2－81寿命试验和加速寿命试验的图估计法（用于威布尔分布）GB2689.3－81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）GB2689.4－81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/T4589.1－2006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42020/4/15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)。52020/4/15样品及试验应力64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。2020/4/15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）》2020/4/1587.1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/T2355－2006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（m≥5）。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(-βt)8.2-1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）；β为某一结温下的退化系数；t为某一产品的试验截止时间。8.2-2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；c,iit,i0,ilnCL=tlnPP8.2.2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8.2-2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8.2－1所示，则加速寿命为Lc,i＝T，则可直接用退化系数外推求得。图8.2－1光功率的初始值一直处于下降时的加速寿命示意图11（2）若光功率出现先上升再下降的情况，如图7.2－2所示，则加速寿命为Lc,i＝T1＋（T2－T1）8.2-3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T2－T1。图8.2－2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r≥4。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β=IFβ0exp(-Ea/kTj)9.1-1式中IF为工作电流，β0为常数；Ea为激活能；k为波耳兹曼常数(8.62×10-5ev)；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-a9.1-2对于功率型LEDTj=Ta+(VFIF－Pt)(Rj-c+Rc-h+Rh-a)9.1-3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2020/4/159.3激活能通过公式8.2-1、9.2-1、9.2-2求出激活能Ea9.3-1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(Ta＝25℃)下的平均寿命Lc,0通过公式9.3-1求得9.4-1Lc,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。c,(i1)ac,ij,(i-1)j,iL11E=KlnLTT－－ac0c,ij0j,iE11L=Lexp()KTT，，－10试验数据处理结果有效性的判断可按GB2689.2－81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2020/4/15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1㎜×1㎜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。2020/4/15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LED12.2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8.2-1、8.2-2计算退化系数βi,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）。管号初始功率P0(lm)加电180小时衰退系数加速寿命Pt(lm)β165t165(h)SA-131.5925.271.24╳10-3560SA-233.8426.391.38╳10-3502SA-331.0525.481.10╳10-3628SA-434.3226.081.52╳10-3455SA-531.5724.961.31╳10-3529平均值///535表12-1165℃下的试验数据及加速寿命t1652020/4/15管号初始功率P0(lm)加电180小时衰退系数加速工作寿命Pt(lm)β175t175(h)SA-631.8924.551.45╳10-3484SA-730.9822.711.75╳10-3405SA-831.7323.161.70╳10-3396SA-933.2123.681.90╳10-3369SA-1032.1924.461.52╳10-3455平均值///422表12-2.175℃下的试验结果和加速寿命t1752020/4/15管号初始功率P0(lm)加电120小时衰退系数加速寿命Pt(lm)β185t185(h)SA-1133.0326.091.96╳10-3353SA-1230.1221.692.74╳10-3253SA-1332.5224.392.40╳10-3289SA-1434.4228.221.65╳10-3419SA-1532.6526.872.07╳10-3357平均值///334表12-3.185℃下的试验结果和加速寿命t18512.2.2根据热阻、正向电压、正向电流为350mA和环境温度由公式9.2-2、求出结温及其相关试验数据（如表10.2-4.所示）。由9.3-1、9.4－1计算激活能和平均寿命。管号稳态热阻1）(K/W)结温(K)及正向电压(V)Vf25(V)Tj252）Vf165(V)Tj165Vf17