| LED技術 |
LED的壽命試驗方法
中電科技集團第十三研究所 張萬生 趙敏
國家半導體器件質量監督檢驗中心 徐立生
2.適用范圍
3.定義
4.樣品及試驗應力
5.失效判據
6.參數測試失效時間和失效數的確定
7.數據處理方法
8.試驗案例
9.加速模型檢驗
10.討論
11.結語
前 言
平均壽命是電子元器件＊常用的可靠性參數，發光二極管的平均壽命一般以光通量（光 功率)的衰減值作為單一失效判據來獲取試驗數據，這時采用本標準給出的一種可縮短試 驗時間獲取試驗數據的方法和比較簡易的數據處理程序（簡稱退化系數外推解析法）。當 白光LED需要考慮色溫漂移時，以色溫漂移為單一判據的白光LED或同時考慮色溫漂移和 光通量衰減具有2個失效判據的白光LED，則采用常規的定數截尾法獲取試驗數據，并采 用已有的國家標準：壽命試驗和加速壽命的簡單線性無偏估計法（GB 2689.3－81）、壽 命試驗和加速壽命的＊好線性無偏估計法（GB 2689.4－81）來進行數據處理，然而這 種情況則需要較長的試驗時間，而且數據處理的方法也比較復雜。 因此我們在制定“LED壽命試驗方法”的標準分為2個階段：
（1）以光通量（光功率)的衰減值作為單一失效判據來獲取試驗數據，采用退化系數外推 解析法處理試驗數據（也可采用GB 2689.3－81 ）。這一部分適用于單色光和不考慮色 溫漂移的白光LED已較成熟，現已可形成標準申報實用。
（2）當白光LED需要考慮色溫漂移時，其失效判據及數據處理方法我們正處于 研究之中。 待成熟時，將采用線性無偏估計的方法單獨形成另一標準。
3
本標準規定了求取LED（以下簡稱產品）平均壽命的恒定應力加速壽命試驗的數據獲 取和數據處理方法。它適用于各種單色光LED光輸出和不考慮色溫變化白光LED 的慢 退化模式。
GB 2689.1－81 恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則
GB 2689.2－81 壽命試驗和加速壽命試驗的圖估計法（用于威布爾分布）
GB 2689.3－81 壽命試驗和加速壽命試驗的簡單線性無偏估計法（用于威布爾分布） GB 2689.4－81 壽命試驗和加速壽命試驗的**線性無偏估計法（用于威布爾分布） GB/T 4589.1 －2006 分立器件和集成電路總規范
SJ/T 2355-2006 半導體發光器件測試方法
3.2平均壽命 平均壽命是LED產品壽命的平均值，對于不可維修的LED產品，通 常用“失效前的平均工作時間”（MTTF）來表示，其意義是LED 產品失效前的工作時間的平均值(數學期望值)。
4.1抽樣
參加試驗的樣品必須選擇同一設計的產品型號具有代表性的規格,在經過老化 篩選和質量一致性檢驗合格批的母體中一次隨機抽取。通過老化篩選剔除快退 化和突然失效器件。
每個應力水平下的小功率樣品數量不少于10只，功率型產品不少于5只。
一般情況下，一個完整的加速壽命試驗其應力水平應不少于3個。為了保證試 驗的準確性，**應力和**應力之間應有較大的間隔。其中一個應力水平應 接近或等于該產品技術標準中規定的額定值。**應力水平不得大于該產品的 結構材料、制造工藝所內承受的極限應力，以免帶進新的失效機理。
6
6 失效判據
6.1光通量（或光功率）的衰減 對于單色光LED或白光LED（不考慮色溫時）可根據不同應用要求，取光通量衰 減到初始值的50％或 70％作為失效判據。還可根據具體情況,取大于70％的加嚴 值。
6.2 色溫漂移《見13.5（2）》
7.2 測試環境、測試儀器及測試設備的要求應符合產品技術標準的有關規定。
7.3 在沒有自動記錄的試驗中，具體產品測試間隔時間的選擇，可通過摸底試 驗來確定。測試間隔時間的長短與施加應力的大小有關，施加應力小，則測 試間隔長；施加應力大，則測試間隔短。每個加速應力水平下的壽命試驗的 測試數據點數m不應少于5個（m≥5）。 7.4在沒有自動記錄的試驗中取出樣品進行測試到再次投入樣品繼續進行試驗 的時間一般不應超過24小時。
7.5 試驗過程中，每次測試均應使用同一測試儀器和工具，如必須更換時，則 必須經過計量，以便保證測試精度。
8
失效時間和失效數的確定
8 失效時間和失效數的確定
8.1 有自動實時記錄裝置的，以自動記錄到的時間計算。
8.2 對于以光通量衰減作為單一失效判據
8.2.1 通過光通量衰減系數計算某一產品的試驗截止時間和某一結溫下的工作壽命（簡 稱退化系數外推解析法），按不同應用要求，取光通量衰減到初始值的50％或70
％作為失效判據。計算公式如下：
Pt = P0 exp(-βt) <8.2-1>
式中:P0為初始光通量(或光功率)；Pt為加溫加電后對應某一工作時間的光通量
（或光功率）；β為某一結溫下的退化系數；t為某一產品的試驗截止時間。
Lc,i =ti
lnC
<8.2-2>
ln Pt,i
P0,i
式中：i為不同的試驗環境溫度的應力水平，可取為1、2、…r；Lc,i為某一結溫下的
工作壽命,C= Pt/ P0 ；
8.2.2 試驗截止時間必須保證LED的初始光通量（或光功率）產生足夠的退化，為
減少試驗數據的誤差，第一個數據點的退化量應大于儀器測量誤差，可以采用 圖估法(在概率紙上描點劃線或運用計算機)進行線性擬合，選取偏離直線＊ 小、光輸出衰減較大的試驗數據點，該數據點的累計時間即為試驗截止時間， 通過公式<8.2-2>計算給定結溫下的失效時間（工作壽命Lc,i），這樣可以縮短 試驗時間。
8.2.3通過某一產品光通量退化系數和試驗截止時間外推某一結溫下的加速壽命時， 可有以下2種方式：
（1）若光功率的初始值一直下降，如圖8.2－1所示，則加速壽命為Lc,i＝ T，則可直 接用退化系數外推求得。
（2）若光功率出現先上升再下降的情況，如圖7.2－2所示，則加速壽命為
Lc,i＝ T1＋（T2－T1） <8.2-3>
其中 光功率下降到初始值P0的試驗時間為T1，用退化系數外推法求得的壽命為T2－
T1。
8.3 對于以色溫漂移為單一失效判據的白光LED或具有光通量衰減和色溫漂移2個 失效判據的白光LED，則需產品試驗到失效時方可截止， 試驗截止時間即為失效 時間(加速壽命)，這樣就需要較長的試驗時間。
8.4 試驗采用定數截尾，一般情況下，試驗截尾時間應使失效數r大于或等于投試 樣品數n 的30%，當失效數無法達到30%n時，至少有r≥4。試驗過程中由于非產品 本身原因所造成的失效不應計入失效數內。
11
9 數據處理方法
數據處理方法
以光通量衰減作為單一失效判據采用退化系數外推解析法
9.1.溫度應力加速模型 退化系數與結溫之間的關系用阿侖尼斯（Arrhenius）方程表示
β= IFβ0exp(-Ea/k Tj) <9.1-1>
式中IF為工作電流，β0為常數；Ea為激活能；k為波耳茲曼常數(8.62×10-5ev)；Tj
為結溫（**溫度）。 9.2 結溫 結溫可按以下公式求得：
對于小功率LED Tj= Ta + VFIF Rj-a <9.1-2>
對于功率型LED Tj= Ta +( VFIF－Pt )(Rj-c + Rc-h + Rh-a) <9.1-3>
式中: Ta為環境溫度（本試驗的烘箱溫度為環境溫度）； VF為正向電壓；輸出 功率Pt較小時可以忽略不計。 Rj-c為結到殼的熱阻；Rc-h為殼到熱沉的熱阻， 當Rc-h在＊佳情況下，計算時可以忽略不計；Rh-a為熱沉到環境的熱阻
9.3 激活能
通過公式<8.2-1>、<9.2-1>、 <9.2-2>求出激活能Ea
E = K ln
1 － 1
<9.3-1>
Tj,(i-1) Tj,i
式中：Tj,(i-1)、Tj,i 為不同試驗環境溫度下的結溫。
9.4正常工作環境溫度(Ta＝25℃)下的平均壽命Lc,0
通過公式<9.3-1>求得
a
c，0 c,i
1 － 1 )
<9.4-1>
K Tj，0 Tj,i
Lc,0為工作環境溫度（25℃）下的平均工作壽命；Tj,0 為某一工作環境溫度下的
結溫。
11試驗報告 試驗報告應包括以下內容： a.試驗目的
g.試驗結論
12.1 樣品
投試樣品為十三所研制的F008型功率型LED，采用大陸某廠家早期生產的1
㎜×1㎜硅載體倒裝芯片封裝，其結構如圖9.1所示。考慮到器件要在高溫 下試驗,可耐受較高的溫度應力，芯片與管殼底盤采用高溫焊料共晶焊連 接，熒光粉用硅膠調配，并全部用硅膠灌封,由硅膠自然形成的拱形球面取 代玻璃透鏡或PC樹脂透鏡，以防止因“分層”而引起的光衰，所有封裝材料 均可承受高達200℃的高溫。投試樣品經過一致性質量檢驗和全部加電(加 溫)老化篩選。 試驗環境溫度分為3個應力組，分別為165℃、175℃、185℃，每組的試驗 樣品均為5支（ni=5）,失效數為5支（ri=5）。試驗樣品均帶有尺寸較大的 銅熱沉，如圖9.2所示，以使熱沉至環境具有較低的熱阻。參數測試按8.1、 8.2、8.3、8.4。
圖12-2 帶有熱沉的F008型功率型
LED
12.2 試驗數據獲取和處理
12.2.1不同環境溫度Ta,i下165℃、175℃、185℃的試驗數據ti和Pt,i，由公式
<8.2-1>、 <8.2-2>計算退化系數βi,并得到試驗壽命Lc,i（如表10.2.1-1、表 10.2.1-2、表10.2.1-3 所示）。
| 管 號 | 初始功率 P0 (lm) | 加電180小時 | 衰退系數 | 加速壽命 |
| Pt (lm) | β165 | t165(h) | ||
| SA-1 | 31.59 | 25.27 | 1.24╳10-3 | 560 |
| SA-2 | 33.84 | 26.39 | 1.38╳10-3 | 502 |
| SA-3 | 31.05 | 25.48 | 1.10╳10-3 | 628 |
| SA-4 | 34.32 | 26.08 | 1.52╳10-3 | 455 |
| SA-5 | 31.57 | 24.96 | 1.31╳10-3 | 529 |
| 平均值 | / | / | / | 535 |
| 管 號 | 初始功率 P0 (lm) | 加電180小時 | 衰退系數 | 加速工作壽命 |
| Pt (lm) | β175 | t175(h) | ||
| SA-6 | 31.89 | 24.55 | 1.45╳10-3 | 484 |
| SA-7 | 30.98 | 22.71 | 1.75╳10-3 | 405 |
| SA-8 | 31.73 | 23.16 | 1.70╳10-3 | 396 |
| SA-9 | 33.21 | 23.68 | 1.90╳10-3 | 369 |
| SA-10 | 32.19 | 24.46 | 1.52╳10-3 | 455 |
| 平均值 | / | / | / | 422 |
| 管 號 | 初始功率 P0 (lm) | 加電120小 時 | 衰退系數 | 加速壽命 |
| Pt (lm) | β185 | t185(h) | ||
| SA-11 | 33.03 | 26.09 | 1.96╳10-3 | 353 |
| SA-12 | 30.12 | 21.69 | 2.74╳10-3 | 253 |
| SA-13 | 32.52 | 24.39 | 2.40╳10-3 | 289 |
| SA-14 | 34.42 | 28.22 | 1.65╳10-3 | 419 |
| SA-15 | 32.65 | 26.87 | 2.07╳10-3 | 357 |
| 平均值 | / | / | / | 334 |
12.2.2根據熱阻、正向電壓、正向電流為350 mA和環境溫度由公式<9.2-2>、求出結溫及其
相關試驗數據（如表10.2-4.所示）。 由<9.3-1>、<9.4－1>計算激活能和平均壽命。
| 管號 | 穩態 熱阻1） (K/W) | 結溫(K)及正向電壓 (V) | |||||||
| Vf25 (V) | T 2） j25 | Vf165 (V) | Tj165 | Vf175 (V) | Tj175 | Vf185 (V) | Tj185 | ||
| SA-1 | 14.77 | 3.493 | 316.06 | 3.201 | 454.55 | 3.181 | 464.44 | 3.163 | 474.35 |
| SA-2 | 15.83 | 3.523 | 317.52 | 3.229 | 455.89 | 3.211 | 465.79 | 3.192 | 475.69 |
| SA-3 | 13.98 | 3.495 | 315.10 | 3.202 | 453.67 | 3.179 | 463.55 | 3.161 | 473.47 |
| SA-4 | 16.76 | 3.546 | 318.80 | 3.248 | 457.05 | 3.229 | 466.94 | 3.213 | 476.85 |
| SA-5 | 15.46 | 3.515 | 317.02 | 3.221 | 455.43 | 3.201 | 465.32 | 3.184 | 475.23 |
| SA-6 | 14.31 | 3.497 | 315.51 | 3.202 | 454.04 | 3.182 | 463.94 | 3.162 | 473.84 |
| SA-7 | 15.78 | 3.514 | 317.41 | 3.217 | 455.77 | 3.197 | 465.66 | 3.185 | 475.59 |
| SA-8 | 15.98 | 3.526 | 317.72 | 3.229 | 456.06 | 3.212 | 465.96 | 3.193 | 475.86 |
| SA-9 | 16.24 | 3.531 | 318.07 | 3.237 | 456.40 | 3.223 | 466.32 | 3.203 | 476.21 |
| SA-10 | 14.92 | 3.503 | 316.29 | 3.212 | 454.77 | 3.187 | 464.64 | 3.177 | 474.59 |
| SA-11 | 14.44 | 3.504 | 315.71 | 3.243 | 454.39 | 3.223 | 464.29 | 3.205 | 474.20 |
| SA-12 | 16.75 | 3.531 | 318.70 | 3.248 | 457.04 | 3.227 | 466.92 | 3.214 | 476.84 |
| SA-13 | 16.02 | 3.524 | 317.76 | 3.236 | 456.14 | 3.214 | 466.02 | 3.196 | 475.92 |
| SA-14 | 14.12 | 3.496 | 315.28 | 3.203 | 453.83 | 3.181 | 463.72 | 3.165 | 473.64 |
| SA-15 | 15.56 | 3.519 | 317.16 | 3.221 | 455.54 | 3.202 | 465.44 | 3.184 | 475.34 |
| 均值 | 15.39 | 3.514 | 316.93 | 3.223 | 455.36 | 3.203 | 465.25 | 3.190 | 475.18 |
表12-5激活能的計算結果及其相關數據
| 結溫 (K) | 加速壽命（h） | 激活 能(ev) | |||||||
| Tj165 | Tj175 | Tj185 | t165 | t175 | t185 | E t165/ t175 | E t175/ t185 | E t165/ t185 | 均值 |
| 455.36 | 465.25 | 475.18 | 535 | 422 | 334 | 0.44 | 0.45 | 0.44 | 0.44 |
表12-6正常環境溫度（25℃）失效判據為50％的平均壽命及其相關數據
| 結溫 (K) | 激活 能(ev) | 加速壽命 （h） | 正常環境溫度1）（Ta＝25℃） 的平均壽命（╳104 h） | ||||||||
| Tj25 | Tj165 | Tj175 | Tj185 | Ea | t16 5 | t17 5 | t18 5 | t165 | t175 | t185 | 平均 值 |
| 316.9 3 | 455.3 6 | 465.2 5 | 475.1 8 | 0.44 | 535 | 422 | 334 | 71571 | 71645 | 71316 | 7.15 |
注：1）不同工作環境溫度下的平均壽命分別為：
Ta=45℃（Tj=64℃）, L0.5，45=2.75╳104 h； Ta=65℃（Tj=84℃）, L0.5，65=1.18╳104
h
Ta=85℃（Tj=104℃）, L0.5，85=5508h;
12.3 加速模型檢驗退化系數與溫度的關系
模型的驗證通過公式<9.1-1>驗
證的關系曲線。在單對數坐標紙
上，以溫度為橫坐標軸，退化系 數為縱坐標軸，用<表12-1>、
<表12-2>、<表12-3>中的相 關試驗數據(165℃、175℃、 185℃和其對應的平均退化系數
1.31×10-3、1.66×10-3、
2.16×10-3))進行描點劃線，如 圖9.3－1所示，數據點呈現為一
條直線。則表明：退化系數與溫 度的關系符合阿倫尼斯模型，試 驗結果有效。
12.4威布爾 圖估驗證 加速壽命試驗中用概率紙圖估試驗結果直觀形象，一般用于監視和驗證試驗過程是 否出現異常現象。我們從威布爾分布圖估法（GB 2689.2－81 ）驗證的案例結果可
以看出：
（1 ）由形狀參數m可以看失效模式。（當m＜1時 為早期失效；m＝1為偶然失效工 作期，此時失效率接近于常數，此時樣品的壽命分布為指數分布）m＞1為磨損失效 期，（本案例m=6.64）。在高溫（165℃－185℃）下LED器件的芯片會加速退化， 而且封裝材料也會加速老化，使其透光性能變差，表現為光功率的加速衰退，這是 本案例的工作壽命進入到磨損失效期m值較大的主要原因。
（2）不同溫度下的LED壽命數據點的分布符合威布爾分布，即使在產品很少的取樣 數下(n=5)，數據點在威布爾分概率紙上均能夠呈現較好的線性擬合。
（3）LED器件的失效雖受多種隨機變量的影響，這些變量包括電、熱失效機理的 芯片和熱失效機理的封裝材料，由它們組合的多重影響，在概率紙上能夠呈現符合 預期的威布爾分布。。
12.5 用對數正態分布圖估法對求取LED平均壽命驗證 對數正態分布能夠較好的反映半導體器件的失效規律11)，在半導體器件可靠性試 驗中已得到了廣泛的應用，但平均壽命計算比較復雜，一般采用圖估法估計用于驗證； 用常規的對數正態分布圖估法要用到對數正態概率紙和單對數坐標紙。使用對數正 態分布概率紙可以分別得到在不同溫度應力條件下各壽命試驗的壽命分布，使用單 對數坐標紙可得到加速壽命曲線，由此在對數正態概率紙上估計出正常溫度應力水 平條件下的壽命分布。
? 繪制不同溫度應力下的壽命分布曲線 在對數正態概率紙上繪制165℃、175℃、185℃三個溫度應力下的壽命分布曲線
（1）作數據表：把165℃、175℃、185℃試驗得到的失效時間（壽命）t165、t175、 t185 ，按時間從短到長的次序排列,如表9.3-1中失效時間T165,i 、T175,i 、T185,i 的一行數據;
（2）計算累計失效百分比F(ti ):由于n≤20，故需查“中位秩表” 17）（見附錄表1）得 到，如表9.3-1中F(t)行的數值；
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| 次序號i | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 失 效 時 間 T165,i (小時) | 455 | 502 | 529 | 560 | 628 |
| 失 效 時 間 T175,i (小時) | 369 | 396 | 405 | 455 | 484 |
| 失 效 時 間 T185,i (小時) | 253 | 289 | 335 | 357 | 419 |
| 累計失效百 分比（%） F(t) | 12.9 | 31.4 | 50 | 68.6 | 87.1 |
（3）描點:在對數正態分布概率紙上用表10.3.2-1中的試驗數據描點。失效時間的 數值在對數正態概率紙的t 軸上取坐標值，累計失效率的數值在F(t)軸上取坐標 值，分別繪制出3個試驗環境溫度165℃、175℃、185℃下的分布曲線L1、
L2 、L3，如圖10.3.2-1所示近似地呈現3條直線，這些直線就是該批試驗樣品
在三個溫度應力下的對數正態分布。如果不呈現直線，則認為不是對數正態分 布。試驗環境溫度所對應的結溫分別由公式<9.2-1>、<9.2-2>計算，采用表9.2- 4列出的結溫數據。
（4）估計中位壽命 (0. 5) ：其足標“i”表示在Ti溫度應力下的中位壽命，t165(0.5)、 t175(0.5)、t185(0.5)分別是在給定溫度應力下累計失效率為50％的時間，也是可 靠度為50％的時間。在圖紙的F(t)軸上，取F(t)＝50％的坐標刻度，然后由此處
右引水平線分別與分布直線L1、L2 、L3相交，得交點，再由交點分別下引垂線 與圖紙的t軸相交得到的3個坐標刻度值即為估計的中位壽命t165(0.5)＝530h、 t175(0.5)＝420h、t185(0.5)＝320h， 如圖10.3.2-1所示;
（5）估計對數標準差?i:其足標“i”表示在Ti溫度應力下的標準差。在圖紙的F(t)
軸上取84％ 的坐標刻度，由此處右引水平線分別與分布直線L1、L2 、L3相 交，得交點，再由交點分別下引垂線與圖紙的失效時間t軸相交得到的3個坐標 刻度值即為失效時間t165(0.84)＝620h、t175(0.84)＝520 h、t185(0.84)＝ 390h， 如圖10.3.2-1所示。
對數標準差△i的數值按以下公式計算：
??△i＝㏒i0.84-㏒i0.5 <10.3.2-1>
其中的對數是以10為底的對數;
（6）列表：將得到的中位壽命和對數標準差的數值列成表2;
i
| 環境溫度Ti(℃) | 25℃ | 165℃ | 175℃ | 185℃ |
| 結溫 Tj(K) | 316.93 | 455.36 | 465.25 | 475.18 |
| 中位壽命ti（0.5） (h) | / | 530 | 420 | 320 |
| ㏒ti（0.5） | / | 2.724276 | 2.623249 | 2.505150 |
| 對數標準差 σi | / | 0.068106 | 0.092754 | 0.085915 |
| 1/Ti×104 | 31.55 | 21.9606 | 21.4938 | 21.0447 |
?繪制加速壽命曲線 將單邊對數紙的對數坐標軸(縱軸)作為時間t軸，坐標橫軸作為**溫度T的倒數1
／T的坐標軸，如圖10.3.2-2所示。
（1）描點:由表10.3.2-2，將數據點T165、t165(0.5)，T175、t175(0.5)，T185、
t185(0.5)依次繪制在單邊對數紙上，如圖10.3.2-2所示，近似地呈現為一條直線。
否則將有兩種可能，一種是加速變量所遵從的規律不符合阿倫尼斯模型；另一種可 能是該加速壽命試驗不是真正的“加速”;
（2）配置直線：在此圖紙上將數據點擬合成一條直線，此直線就是直線化了的加 速壽命曲線；
（3）估計正常溫度應力T0(25℃)下的中位壽命t0(0.5)：在1/T軸上取1/ T0的坐標
刻度，由此處上引垂線與加速壽命直線相交，再由交點左引水平線與t軸相交，得
到的刻度即為中位壽命t0(0.5);由25℃時的1/T0= 31.7×10－4 ，得到：t0（0.5）
=7.0×104(小時)，如圖10.3.2-2中T0處箭頭的指
?估計正常環境溫度應力T0(25℃)條件下的平均壽命
（1）計算在正常溫度T0(25℃)條件下壽命分布的對數標準差σ0：由表2中的σi
（i=1、2、…i），按公式<2>計算在正常溫度T0(25℃)條件下的壽命分布的對數
標準差σ0
σ0＝[1／（n1+n2+…ni）]×(n1-1+n2-2+ni-i) <10.3.2-2>
σ0=(σ1+σ2+σ3)/3= 0.246775/3= 0.082258
（2）求正常環境溫度應力T0(25℃)條件下的平均壽命t0E：平均壽命的計算可用
公式<3>
tE ＝㏒-1［ ㏒（0.5）+1.151σ0
] <10.3.2-3>
正常環境溫度應力下(25℃)的平均壽命
t0E=lg -1[lg t0（0.5）+1.151σ0 ]
2
-1 ×104)+1.151×(0.082258)2]
= lg [lg (7.0
= lg -1[4.84509+0.010217]
= lg -1[4.855307]
=7.17×104 (小時)
在制定本標準的過程中我們進行了多項專題研究，包括芯片封裝前后壽命的 對比、導電銀漿粘結與共晶焊接的對比、高溫存儲與高溫加電的對比、單一應 力變量（溫度）和多應力變量（電流、溫度）的對比以及色溫漂移摸底等。現 結合試驗結果主要從以下幾方面加以討論分析
13.1 失效機理
從失效機理上看，LED裸芯片和其封裝產品二者是不一樣的。
(1) LED裸芯片的退化除與溫度應力有關外，還有電應力的作用，主要是體 內缺陷和離子熱擴散和電遷移的物理效應, 熱擴散場和電漂移場同時并存，屬 于本質失效。 LED芯片的平均壽命高達數十萬小時以上,可承受的溫度應力大 于200℃
(2) 封裝材料(導電銀漿、熒光粉膠、環氧樹脂、硅膠等)的退化主要是與溫度
有關的化學作用, 屬于從屬失效。封裝器件，其平均壽命一般低于10萬小時, 而且其耐受的溫度因封裝材料有很大差異遠低于200℃ 。 LED裸芯片與封裝器
件的區別主要體現在激活能的數值不同；采用不同的高溫存儲可以得到封裝材 料的激活能。的強度。
(3)在對LED封裝產品選取加速試驗應力時，可通過高溫存儲試驗進行摸底可確 定**試驗應力。對強度低的封裝材料，例如粘結芯片的導電銀漿、灌封的環 氧樹脂，只能采用較低的溫度應力，因而需要較長的試驗時間，試驗時間不夠 則會帶來較大的誤差。因此LED產品的壽命取決于所用封裝材料，應力過大超
出所承受極限強度時將會改變失效機理
13.2 模型選擇
在LED器件加速壽命試驗中溫度應力和電流（非溫度）應力同時并存，可有三 種模式:
（1）溫度應力為單一變量 此時適用于阿倫尼斯模型，電流應力一般選定為正常工作的數值，通改變度應 力來實現加速老化。用阿倫尼斯模型來處理加速壽命試驗數據,既簡單又便,而 且也能較好的解釋試驗結果.半導體器件的加速壽命試驗一般多為這種模式，
已被大陸的“半導體器件分立器件和集成電路總規范”（GB/T 4589.1-
2006/IEC 60747-10:1991）所采用。
以光通量緩慢退化的單一失效判據的試驗為例，阿倫尼斯模型模型驗證可通過 在單對數坐標紙上，以溫度為橫坐標軸，退化系數為縱坐標軸，相關試驗數據 和其對應的平均退化系數，進行描點劃線，數據點分分布呈現為一條直線，則 表明符合阿倫尼斯模型。
（2）電流應力為單一變量
LED在電流為變量時，采用逆冪律模型。 逆冪律模型模型驗證可通過圖估法用對數正態分布概率紙和雙對數坐標紙進驗 證,看其壽命分布的數據點在雙對數坐標紙上是否能夠擬合為一條直線，并以 此判斷電流加速變量所遵從的規律是否符合逆冪律模型，在以光通量緩慢退化
的單一失效判據的試驗案例中目前我們尚未得到合理的驗證結果。實際上，此 時電流應力已不是單一變量，除電流應力外，還不能忽略因電流提高而產生的 結溫變化，因此采用逆冪律模型是不適合的。
（3）溫度應力和電流應力均為變量
當LED同時考慮溫度應力和電流（非溫度）應力兩個變量時，則應采用愛林模 型。由于不是單一變量，非溫度應力的存在要同時考慮因能量分布和激活
能而調整修正因子，因此數據處理比較復雜，這種情形很少用于電子元器件 的加速壽命試驗，常用于工程上的老化篩選。
13..3 初始光功率 考慮到GaN基的LED在高溫加電的過程中會出現光功率先上升再下降的現象， 美 國ASSIST推薦的LED壽命試驗方法規定：樣品采用經過1000小時后的光功率作為初
始光功率P0，主要是為了避免出現異常的測試數據，這一規定沒有考慮溫度應力
大小，一律按1000小時計，隨著溫度應力增大，則會有較大的誤差。而我們是采 用加大溫度應力的辦法，使光功率先上升、所求的加速工作壽命為上升再下降的 過程時間縮短。再下降的光功率接近初始值所對應的時間與用退化系數外推的有 效工作時間之和，這樣的誤差會比前者要小些。
13.4 退化系數與試驗截止時間
一般情況下，試驗截止時間可從LED的初始光輸出衰減的多個試驗數據點中來選 取,這些數據點具有一定的離散性，可以采用圖估法對退化系數進行估算。除在單 對數概率紙上描點劃線外,還可以運用計算機進行線性擬合(這樣可以避免人為因 素)。在擬合的直線上選取偏離直線＊小、光輸出衰減量較大的試驗數據點，該數 據點的累計時間即為估算退化系數的試驗截止時間，如圖11.6-1所示，圖中SA－ 14的試驗數據點列于表10.6-1，由圖可見，表中的10＃數據點（1744小時，
0.82）被選取，數據圖中還給出了擬合的直線方程和＊小二乘擬合的相關系數。
| 序號＃ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| h（小時） | 0 | 168 | 432 | 600 | 768 | 936 | 1200 | 1368 | 1536 | 1744 | 1872 | 2040 |
| Pt/P0 | 1 | 0.83 | 0.93 | 0.87 | 0.85 | 0.80 | 0.82 | 0.83 | 0.80 | 0.82 | 0.83 | 0.83 |
圖13.4-1運用計算機對試驗 數據點的線性擬合
13.5 色溫漂移
（1）色溫漂移與封裝材料密切相關 在用熒光粉轉換的白光LED加速壽命試驗的器件中，發現試驗樣品伴隨著光功率 的衰退色溫均有或增或減的變化，圖13.5.-1示出了40只采用全硅膠封裝的功率 卻器件，在125℃下加速試驗色溫變化的分布。試驗結果表明：大部分器件呈現 為色溫下降，色溫變化率一般在5％－10％之間，只有個別器件呈現為色溫上 升，其變化率也在5％－10％之間。我們把這種或增或減的變化稱之為色溫漂
移。 然而對于采用環氧封裝的Φ5白光小功率白光LED，在75℃下進行1000h高溫存 儲試驗，試驗結果表明：色溫幾乎全部呈現為上升,上升幅度一般為5%－30
％，。 色溫漂移不僅與封裝材料密切相關，而且與初始色溫也有關，初始色溫低，漂
移小，初始色溫高，漂移大。
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當白光LED應用在對色溫漂移有特殊要求時，則失效判據則要考慮色溫漂 移，其失效判據可用以下2種方式用不同的色度參數數值來規定。
。 美國能源之星（ENERGY STAR）和美國國家照明標準工作組（ANSI） 按照白光LED技術和顏色對現有熒光燈色度標準加以修正并重新分檔，這些 分檔在CIE1931或1976色度圖中以8個固定四邊形的形式出現， 8個四邊形 可以用色度坐標或相關色溫來表示，如圖13－2、表13－1 表13－2所示， 白光LED按固定標稱色型來規定失效判據，其相關色溫或色坐標的變化應落
在規定的四邊形之內，若超出標稱固定色型的四邊形邊界則為失效。為使白 光LED的色溫均能在8個四邊形的區域內. 對于取代熒光燈的白光LED照明光 源，則應選取熒光燈六種固定標稱色型所對應的6個四邊形，相當于7步麥克 亞當橢圓范圍（色容差為7SDCM）。
8種白光LED色型
| 2700K | 3000K | 3500K | 4000K | |||||
| X | Y | X | Y | X | Y | X | Y | |
| 中心點 | 0.4578 | 0.4101 | 0.4338 | 0.4030 | 0.4073 | 0.3917 | 0.3818 | 0.3797 |
| 四邊形邊 | .0.4813 | 0.4319 | 0.4562 | 0.4260 | 0.4299 | 0.4165 | 0.4006 | 0.4044 |
| 界 | ||||||||
| 0.4562 | 0.4260 | 0.4299 | 0.4165 | 0.3996 | 0.4015 | 0.3736 | 0.3874 | |
| 頂點 | ||||||||
| 0.4373 | 0.3893 | 0.4147 | 0.3814 | 0.3889 | 0.3690 | 0.3670 | 0.3578 | |
| 0.4593 | 0.3994 | 0.4373 | 0.3893 | 0.4147 | 0.3814 | 0.3898 | 0.3716 | |
| 4500K | 5000K | 5700K | 6500K | |||||
| X | Y | X | Y | X | Y | X | Y | |
| 中心點 | 0.3611 | 0.3658 | 0.3447 | 0.3553 | 0.3287 | 0.3417 | 0.3123 | 0.3283 |
| 四邊形邊 界 頂點 | 0.3736 | 0.3611 | 0.3551 | 0.3760 | 0.3376 | 0.3616 | 0.3205 | 0.3481 |
| 0.3548 | 0.3736 | 0.3376 | 0.3616 | 0.3207 | 0.3462 | 0.3028 | 0.3304 | |
| 0.3512 | 0.3465 | 0.3366 | 0.3369 | 0.3222 | 0.3243 | 0.3068 | 0.3113 | |
| 0.3670 | 0.3578 | 0.3515 | 0.3487 | 0.3366 | 0.3369 | 0.3221 | 0.3261 | |
。 美國ASSIST在考慮色移時，有效壽命的判據是指色溫漂移的色度坐標變化 不超過初始色度坐標的四步馬克亞當（MacAdam）橢圓的范圍，相當于色容差
4SDCM。這個數值應該是在合理的可感知色差的允許度內。在此我們選取熒光燈 六種標稱色型的7步或8步馬克亞當（MacAdam）橢圓的范圍（色容差為7SDCM）
圖13－3馬克亞當（MacAdam）橢圓的加速 試驗色溫初始數據點示意圖
圖13－4馬克亞當（MacAdam）橢圓的加速試 驗色溫漂移試驗數據點示意圖
（3）對于以色溫漂移為單一失效判據的白光LED或具有光通量衰減和色溫漂移2個 失效判據的白光LED，則采用“＊好線性無偏估計法”(GB 2689.4－81)
結語
（1）本標準給出了一種縮短試驗時間求取LED平均壽命的方法，利用LED光功率緩慢 退化公式，由退化系數外推不同應力溫度下LED的失效時間（加速壽命），再用 數值解析法得到正常環境溫度應力下的LED平均壽命。此法不僅適用于所有單色 光LED，而且對以光功率衰減作為單一失效判據（不考慮色溫飄移）的白光LED也 適用。用威布爾分布和對數正態分布圖估法進行檢驗和驗證，在加速模型、失效 模式等方面未發現有異常。
（2）當白光LED取代熒光燈的應用（對色溫漂移有特殊要求）時，不論是以色溫漂 移作為單一失效判據，還是同時具有光功率衰減和色溫漂移二個失效判據 ，則需 用較長的試驗時間，按照常規的定數截尾來獲取試驗數據。試驗數據的處理則采 用已有的國家標準：GB 2689.3－81 壽命試驗和加速壽命的簡單線性無偏估計法
（用于威布爾分布）、GB 2689.4－81 壽命試驗和加速壽命的**線性無偏估計 法（用于威布爾分布）來求取白光LED的平均壽命.我們正在用威布爾分布圖估法 對色溫漂移的典型案例的失效模式進行試驗和驗證。
1、S.Yamakoshi，O.Hasegawa，H.Hamaguchi，M.Abo，T.Yamaoka “Degrada on of hi gh- radiance GaAlAs LED”；Appl.Phys.Le , Vol .31,
pp.627, 1977
2、S.Yamakoshi，M.Abo，O.Wada ，S.Komiya ，T.Sakurai ；“Relaibility of High Radiance InGaAsP/InP LED in 1.2-1.3μm Wavelength ”IEEE VolQE-17 ，PP 187,1981
3、GB 2689.1－81 恒定加速壽命和加速壽命試驗方法總則
4、ASSIST 通用照明 LED壽命及規范的介紹 2005.2
5、ASSIST 通用照明LED壽命－壽命定義 Vol 1 ,No.1 ,2005.2
6、ASSIST 通用照明LED壽命－LED器件的測試方法 Vol 1 ,No.2 ,2005.2
7、SJ/T 2355-2006 半導體發光器件測試方法
8、GB/T 4589.1 －2006 分立器件和集成電路總規范
9、GB 2689.2－81 壽命試驗和加速壽命的圖估法（用于威布爾分布）
10、GB 2689.4－81 壽命試驗和加速壽命的＊好線性無偏估計法（用于威布爾分布）
11、SJ/T 11099-96 壽命試驗用表 ＊好線性無偏估計用表（極值分布 威布爾分布）
12、電子元器件可靠性試驗工程 羅 雯等編著 電子工業出版社
13、GB 5080.4-5 設備可靠性試驗 可靠性試驗的點估計和區間估計方法（用于指數分 布）
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 試用版本創建 ?w?ww.fineprint.com.cn
LED的壽命試驗方法
