加速壽命試驗(yàn)方法

1、2021-8-31 LED的壽命試驗(yàn)方法 中電科技集團(tuán)第十三研究所 張萬(wàn)生 趙敏 國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 徐立生2021-8-31目錄目錄1.1.前言前言2.2.適用范圍適用范圍3.3.定義定義4.4.樣品及試驗(yàn)應(yīng)力樣品及試驗(yàn)應(yīng)力5.5.失效判據(jù)失效判據(jù)6.6.參數(shù)測(cè)試失效時(shí)間和失效數(shù)的確定參數(shù)測(cè)試失效時(shí)間和失效數(shù)的確定7.7.數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)處理方法8.8.試驗(yàn)案例試驗(yàn)案例9.9.加速模型檢驗(yàn)加速模型檢驗(yàn)10.10.討論討論11.11.結(jié)語(yǔ)結(jié)語(yǔ)前 言 平均壽命是電子元器件最常用的可靠性參數(shù)，發(fā)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(jù)來(lái)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這時(shí)采用本標(biāo)

2、準(zhǔn)給出的一種可縮短試驗(yàn)時(shí)間獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法和比較簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)處理程序（簡(jiǎn)稱(chēng)退化系數(shù)外推解析法）。當(dāng)白光LED需要考慮色溫漂移時(shí)，以色溫漂移為單一判據(jù)的白光LED或同時(shí)考慮色溫漂移和光通量衰減具有2個(gè)失效判據(jù)的白光LED，則采用常規(guī)的定數(shù)截尾法獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采用已有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：壽命試驗(yàn)和加速壽命的簡(jiǎn)單線(xiàn)性無(wú)偏估計(jì)法（GB 2689.381）、壽命試驗(yàn)和加速壽命的最好線(xiàn)性無(wú)偏估計(jì)法（GB 2689.481）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然而這種情況則需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間，而且數(shù)據(jù)處理的方法也比較復(fù)雜。 因此我們?cè)谥贫ā癓ED壽命試驗(yàn)方法”的標(biāo)準(zhǔn)分為2個(gè)階段：（1）以光通量（光功率)的衰減值作為單一失效判據(jù)來(lái)獲取

3、試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用退化系數(shù)外推解析法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)（也可采用GB 2689.381 ）。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(xiàn)已可形成標(biāo)準(zhǔn)申報(bào)實(shí)用。（2）當(dāng)白光LED需要考慮色溫漂移時(shí)，其失效判據(jù)及數(shù)據(jù)處理方法我們正處于 研究之中。待成熟時(shí)，將采用線(xiàn)性無(wú)偏估計(jì)的方法單獨(dú)形成另一標(biāo)準(zhǔn)。32021-8-31LED壽命試驗(yàn)方法 1 適用范圍 本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了求取LED（以下簡(jiǎn)稱(chēng)產(chǎn)品）平均壽命的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)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。 2 引用文件 GB 2689.181 恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則

4、GB 2689.281 壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的圖估計(jì)法（用于威布爾分布） GB 2689.381 壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的簡(jiǎn)單線(xiàn)性無(wú)偏估計(jì)法（用于威布爾分布） GB 2689.481 壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的最好線(xiàn)性無(wú)偏估計(jì)法（用于威布爾分布） GB/T 4589.1 2006 分立器件和集成電路總規(guī)范 SJ/T 2355-2006 半導(dǎo)體發(fā)光器件測(cè)試方法42021-8-31定 義3 定義3.1 LED產(chǎn)品壽命 LED產(chǎn)品壽命是在規(guī)定的工作電流和環(huán)境溫度下，光輸出下降到規(guī)定數(shù)值的工作時(shí)間，它是一個(gè)隨機(jī)變量，在掌握了一批產(chǎn)品的統(tǒng)計(jì)規(guī)律后，可以得到其中某一個(gè)產(chǎn)品壽命小于某一數(shù)值的概率。3.2平均

5、壽命 平均壽命是LED產(chǎn)品壽命的平均值，對(duì)于不可維修的LED產(chǎn)品，通常用“失效前的平均工作時(shí)間”（MTTF）來(lái)表示，其意義是LED產(chǎn)品失效前的工作時(shí)間的平均值(數(shù)學(xué)期望值)。52021-8-31樣品及試驗(yàn)應(yīng)力64 樣品樣品4.1抽樣抽樣 參加試驗(yàn)的樣品必須選擇同一設(shè)計(jì)的產(chǎn)品型號(hào)具有代表性的規(guī)格,在經(jīng)過(guò)老化篩選和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)合格批的母體中一次隨機(jī)抽取。通過(guò)老化篩選剔除快退化和突然失效器件。4.2樣品數(shù)量樣品數(shù)量 每個(gè)應(yīng)力水平下的小功率樣品數(shù)量不少于10只，功率型產(chǎn)品不少于5只。5 試驗(yàn)應(yīng)力試驗(yàn)應(yīng)力一般情況下，一個(gè)完整的加速壽命試驗(yàn)其應(yīng)力水平應(yīng)不少于3個(gè)。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，最高應(yīng)力和最低應(yīng)力

6、之間應(yīng)有較大的間隔。其中一個(gè)應(yīng)力水平應(yīng)接近或等于該產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的額定值。最高應(yīng)力水平不得大于該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)材料、制造工藝所內(nèi)承受的極限應(yīng)力，以免帶進(jìn)新的失效機(jī)理。2021-8-31失效判據(jù)6 失效判據(jù)6.1光通量（或光功率）的衰減 對(duì)于單色光LED或白光LED（不考慮色溫時(shí)）可根據(jù)不同應(yīng)用要求，取光通量衰 減到初始值的50或 70作為失效判據(jù)。還可根據(jù)具體情況,取大于70的加嚴(yán) 值。 6.2 色溫漂移見(jiàn)13.5（2）2021-8-3187.1 試驗(yàn)中應(yīng)測(cè)量的主要參數(shù)為光通量（或光功率）、色溫（色坐標(biāo)），其它參數(shù)為熱阻、 正向電壓、色容差等。測(cè)量方法及要求應(yīng)符合SJ/T 23552006 中

7、的相關(guān)規(guī)定。7.2 測(cè)試環(huán)境、測(cè)試儀器及測(cè)試設(shè)備的要求應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。7.3 在沒(méi)有自動(dòng)記錄的試驗(yàn)中，具體產(chǎn)品測(cè)試間隔時(shí)間的選擇，可通過(guò)摸底試驗(yàn)來(lái)確定。測(cè)試間隔時(shí)間的長(zhǎng)短與施加應(yīng)力的大小有關(guān)，施加應(yīng)力小，則測(cè)試間隔長(zhǎng)；施加應(yīng)力大，則測(cè)試間隔短。每個(gè)加速應(yīng)力水平下的壽命試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)m不應(yīng)少于5個(gè)（m5）。7.4在沒(méi)有自動(dòng)記錄的試驗(yàn)中取出樣品進(jìn)行測(cè)試到再次投入樣品繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)間一般不應(yīng)超過(guò)24小時(shí)。7.5 試驗(yàn)過(guò)程中，每次測(cè)試均應(yīng)使用同一測(cè)試儀器和工具，如必須更換時(shí)，則必須經(jīng)過(guò)計(jì)量，以便保證測(cè)試精度。 參數(shù)測(cè)試參數(shù)測(cè)試失效時(shí)間和失效數(shù)的確定8 失效時(shí)間和失效數(shù)的確定8.1

8、有自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄裝置的，以自動(dòng)記錄到的時(shí)間計(jì)算。8.2 對(duì)于以光通量衰減作為單一失效判據(jù)8.2.1 通過(guò)光通量衰減系數(shù)計(jì)算某一產(chǎn)品的試驗(yàn)截止時(shí)間和某一結(jié)溫下的工作壽命（簡(jiǎn)稱(chēng)退化系數(shù)外推解析法），按不同應(yīng)用要求，取光通量衰減到初始值的50或70作為失效判據(jù)。計(jì)算公式如下： Pt = P0 exp(-t) 式中:P0為初始光通量(或光功率)；Pt為加溫加電后對(duì)應(yīng)某一工作時(shí)間的光通量 （或光功率）；為某一結(jié)溫下的退化系數(shù)；t為某一產(chǎn)品的試驗(yàn)截止時(shí)間。 式中：i為不同的試驗(yàn)環(huán)境溫度的應(yīng)力水平，可取為1、2、r；Lc,i為某一結(jié)溫下的工作壽命,C= Pt/ P0 ； c,iit,i0,ilnCL =tln

9、PP8.2.2 試驗(yàn)截止時(shí)間必須保證LED的初始光通量（或光功率）產(chǎn)生足夠的退化，為減少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的退化量應(yīng)大于儀器測(cè)量誤差，可以采用圖估法(在概率紙上描點(diǎn)劃線(xiàn)或運(yùn)用計(jì)算機(jī))進(jìn)行線(xiàn)性擬合，選取偏離直線(xiàn)最小、光輸出衰減較大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)的累計(jì)時(shí)間即為試驗(yàn)截止時(shí)間，通過(guò)公式計(jì)算給定結(jié)溫下的失效時(shí)間（工作壽命Lc,i），這樣可以縮短試驗(yàn)時(shí)間。8.2.3通過(guò)某一產(chǎn)品光通量退化系數(shù)和試驗(yàn)截止時(shí)間外推某一結(jié)溫下的加速壽命時(shí)，可有以下2種方式：（1）若光功率的初始值一直下降，如圖8.21所示，則加速壽命為L(zhǎng)c,i T，則可直接用退化系數(shù)外推求得。圖圖8.21 光功率的初始光功率的初

10、始值一直處于下降時(shí)的加值一直處于下降時(shí)的加速壽命示意圖速壽命示意圖11（2）若光功率出現(xiàn)先上升再下降的情況，如圖7.22所示，則加速壽命為 Lc,i T1（T2T1） 其中 光功率下降到初始值P0的試驗(yàn)時(shí)間為T(mén)1，用退化系數(shù)外推法求得的壽命為T(mén)2T1。圖圖8.22 光功率出現(xiàn)先上升再光功率出現(xiàn)先上升再下降時(shí)的加速壽命示意圖下降時(shí)的加速壽命示意圖8.3 對(duì)于以色溫漂移為單一失效判據(jù)的白光LED或具有光通量衰減和色溫漂移2個(gè)失效判據(jù)的白光LED，則需產(chǎn)品試驗(yàn)到失效時(shí)方可截止， 試驗(yàn)截止時(shí)間即為失效時(shí)間(加速壽命)，這樣就需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間。8.4 試驗(yàn)采用定數(shù)截尾，一般情況下，試驗(yàn)截尾時(shí)間應(yīng)使失效

11、數(shù)r大于或等于投試樣品數(shù)n 的30%，當(dāng)失效數(shù)無(wú)法達(dá)到30%n時(shí)，至少有r4。試驗(yàn)過(guò)程中由于非產(chǎn)品本身原因所造成的失效不應(yīng)計(jì)入失效數(shù)內(nèi)。數(shù)據(jù)處理方法9 數(shù)據(jù)處理方法 以光通量衰減作為單一失效判據(jù)采用退化系數(shù)外推解析法9.1.溫度應(yīng)力加速模型退化系數(shù)與結(jié)溫之間的關(guān)系用阿侖尼斯（Arrhenius）方程表示 = IF0exp(-Ea/k Tj) 式中IF為工作電流，0為常數(shù)；Ea為激活能；k為波耳茲曼常數(shù)(8.6210-5ev)；Tj為結(jié)溫（絕對(duì)溫度）。9.2 結(jié)溫結(jié)溫可按以下公式求得： 對(duì)于小功率LED Tj= Ta + VFIF Rj-a 對(duì)于功率型LED Tj= Ta +( VFIFPt )

12、(Rj-c + Rc-h + Rh-a) 式中: Ta為環(huán)境溫度（本試驗(yàn)的烘箱溫度為環(huán)境溫度）； VF為正向電壓；輸出功率Pt較小時(shí)可以忽略不計(jì)。 Rj-c為結(jié)到殼的熱阻；Rc-h為殼到熱沉的熱阻，當(dāng)Rc-h在最佳情況下，計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)；Rh-a為熱沉到環(huán)境的熱阻2021-8-319.3 激活能 通過(guò)公式、 求出激活能Ea 式中：Tj,(i-1)、Tj,i 為不同試驗(yàn)環(huán)境溫度下的結(jié)溫。9.4正常工作環(huán)境溫度(Ta25)下的平均壽命Lc,0 通過(guò)公式求得 Lc,0為工作環(huán)境溫度（25）下的平均工作壽命；Tj,0 為某一工作環(huán)境溫度下的 結(jié)溫。c,(i1)ac,ij,(i-1)j,iL11E

13、=KlnLTTac 0c,ij 0j,iE11L=Lexp()KTT，10試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果有效性的判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果有效性的判斷 可按GB 2689.281采用圖估法檢驗(yàn)加速模型和判斷失效數(shù)據(jù)的取舍是否恰當(dāng)。11試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告 試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容： a.試驗(yàn)?zāi)康?b.失效判據(jù) c.試驗(yàn)樣品及應(yīng)力的選擇和試驗(yàn)說(shuō)明 d.試驗(yàn)和測(cè)試設(shè)備的名稱(chēng)、型號(hào)及精度 e.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及平均壽命計(jì)算 f.試驗(yàn)的驗(yàn)證及失效分析 g.試驗(yàn)結(jié)論2021-8-31光功率緩慢衰退的單一失效判據(jù)試驗(yàn)案例 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(chǎn)的11硅載體倒裝芯片封裝，其

14、結(jié)構(gòu)如圖9.1所示?？紤]到器件要在高溫下試驗(yàn),可耐受較高的溫度應(yīng)力，芯片與管殼底盤(pán)采用高溫焊料共晶焊連接，熒光粉用硅膠調(diào)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(shù)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(dá)200的高溫。投試樣品經(jīng)過(guò)一致性質(zhì)量檢驗(yàn)和全部加電(加溫)老化篩選。 試驗(yàn)環(huán)境溫度分為3個(gè)應(yīng)力組，分別為165、175、185，每組的試驗(yàn)樣品均為5支（ni=5）,失效數(shù)為5支（ri=5）。試驗(yàn)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(huán)境具有較低的熱阻。參數(shù)測(cè)試按8.1、8.2、8.3、8.4。2021-8-31圖圖12-1 F008型

15、功率型型功率型LED結(jié)構(gòu)示意結(jié)構(gòu)示意圖圖圖圖12-2 帶有熱沉的帶有熱沉的F008型功率型型功率型LED12.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取和處理12.2.1不同環(huán)境溫度Ta,i下165、175、185的試驗(yàn)數(shù)據(jù)ti和Pt,i，由公式、 計(jì)算退化系數(shù)i,并得到試驗(yàn)壽命Lc,i（如表10.2.1-1、表10.2.1-2、表10.2.1-3 所示）。管 號(hào)初始功率P0 (lm)加電180小時(shí)衰退系數(shù)加速壽命Pt (lm)165t165(h)SA-131.5925.271.2410-3560SA-233.8426.391.3810-3502SA-331.0525.481.1010-3628SA-434.3226.

16、081.5210-3455SA-531.5724.961.3110-3529平均值/535表表12-1 165下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及加速壽命下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及加速壽命t1652021-8-31管 號(hào)初始功率P0 (lm)加電180小時(shí)衰退系數(shù)加速工作壽命Pt (lm)175t175(h)SA-631.8924.551.4510-3484SA-730.9822.711.7510-3405SA-831.7323.161.7010-3396SA-933.2123.681.9010-3369SA-1032.1924.461.5210-3455平均值/422表表12-2. 175下的試驗(yàn)結(jié)果和加速壽命下的試驗(yàn)結(jié)果和

17、加速壽命t1752021-8-31管 號(hào)初始功率P0 (lm)加電120小時(shí)衰退系數(shù)加速壽命Pt (lm)185t185(h)SA-1133.0326.091.9610-3353SA-1230.1221.692.7410-3253SA-1332.5224.392.4010-3289SA-1434.4228.221.6510-3419SA-1532.6526.872.0710-3357平均值/334表表12-3. 185下的試驗(yàn)結(jié)果和加速壽命下的試驗(yàn)結(jié)果和加速壽命t18512.2.2根據(jù)熱阻、正向電壓、正向電流為350 mA和環(huán)境溫度由公式、求出結(jié)溫及其相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表10.2-4.所示）。

18、由、計(jì)算激活能和平均壽命。管管 號(hào)號(hào)穩(wěn)態(tài)熱阻1）(K/W) 結(jié)溫結(jié)溫(K)及正向電壓及正向電壓 (V)Vf25 (V)Tj252）Vf165 (V)Tj165Vf175 (V)Tj175Vf185 (V)Tj185SA-114.773.493316.063.201454.553.181464.443.163474.35SA-215.833.523317.523.229455.893.211465.793.192475.69SA-313.983.495315.103.202453.673.179463.553.161473.47SA-416.763.546318.803.248457.053.2

19、29466.943.213476.85SA-515.463.515317.023.221455.433.201465.323.184475.23SA-614.313.497315.513.202454.043.182463.943.162473.84SA-715.783.514317.413.217455.773.197465.663.185475.59SA-815.983.526317.723.229456.063.212465.963.193475.86SA-916.243.531318.073.237456.403.223466.323.203476.21SA-1014.923.5033

20、16.293.212454.773.187464.643.177474.59SA-1114.443.504315.713.243454.393.223464.293.205474.20SA-1216.753.531318.703.248457.043.227466.923.214476.84SA-1316.023.524317.763.236456.143.214466.023.196475.92SA-1414.123.496315.283.203453.833.181463.723.165473.64SA-1515.563.519317.163.221455.543.202465.443.1

21、84475.34均值15.393.514316.933.223455.363.203465.253.190475.18表表12-4. 結(jié)溫及其相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)溫及其相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié) 溫 (K)加速壽命（h）激 活 能(ev)Tj165Tj175Tj185t165t175t185E t165/ t175E t175/ t185E t165/ t185均值455.36465.25475.185354223340.440.450.440.44表表12-5激活能的計(jì)算結(jié)果及其相關(guān)數(shù)據(jù)激活能的計(jì)算結(jié)果及其相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié) 溫 (K)激活能(ev)加速壽命（h）正常環(huán)境溫度1）（Ta25）的平均壽命（104 h）T

22、j25Tj165Tj175Tj185Eat165t175t185t165t175t185平均值316.93455.36465.25475.180.445354223347157171645713167.15表表12-6正常環(huán)境溫度（正常環(huán)境溫度（25）失效判據(jù)為）失效判據(jù)為50的平均壽命及其相關(guān)數(shù)據(jù)的平均壽命及其相關(guān)數(shù)據(jù)注：1）不同工作環(huán)境溫度下的平均壽命分別為：Ta=45（Tj=64）, L0.5，45=2.75104 h； Ta=65（Tj=84）, L0.5，65=1.18104 h Ta=85（Tj=104）, L0.5，85=5508h;2021-8-31加速模型檢驗(yàn)加速模型檢驗(yàn) 模

23、型的驗(yàn)證通過(guò)公式驗(yàn)證的關(guān)系曲線(xiàn)。在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以溫度為橫坐標(biāo)軸，退化系數(shù)為縱坐標(biāo)軸，用、中的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(165、175、185和其對(duì)應(yīng)的平均退化系數(shù)1.3110-3、1.6610-3、2.1610-3)進(jìn)行描點(diǎn)劃線(xiàn)，如圖9.31所示，數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)為一條直線(xiàn)。則表明：退化系數(shù)與溫度的關(guān)系符合阿倫尼斯模型，試驗(yàn)結(jié)果有效。12.3 加速模型檢驗(yàn)退化系數(shù)與溫度的關(guān)系圖圖12-3 退化系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)退化系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線(xiàn) = IF0exp(-Ea/k Tj) 12.4威布爾威布爾 圖估驗(yàn)證圖估驗(yàn)證 加速壽命試驗(yàn)中用概率紙圖估試驗(yàn)結(jié)果直觀形象，一般用于監(jiān)視和驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程是否出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。我們從

24、威布爾分布圖估法（GB 2689.281 ）驗(yàn)證的案例結(jié)果可以看出： （1 ）由形狀參數(shù)m可以看失效模式。（當(dāng)m1時(shí) 為早期失效；m1為偶然失效工作期，此時(shí)失效率接近于常數(shù)，此時(shí)樣品的壽命分布為指數(shù)分布）m1為磨損失效期，（本案例m=6.64）。在高溫（165185）下LED器件的芯片會(huì)加速退化，而且封裝材料也會(huì)加速老化，使其透光性能變差，表現(xiàn)為光功率的加速衰退，這是本案例的工作壽命進(jìn)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(shù)據(jù)點(diǎn)的分布符合威布爾分布，即使在產(chǎn)品很少的取樣數(shù)下(n=5)，數(shù)據(jù)點(diǎn)在威布爾分概率紙上均能夠呈現(xiàn)較好的線(xiàn)性擬合。 （3）LED器件的失效雖受多種隨

25、機(jī)變量的影響，這些變量包括電、熱失效機(jī)理的芯片和熱失效機(jī)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(xiàn)符合預(yù)期的威布爾分布。2412.5 用對(duì)數(shù)正態(tài)分布圖估法對(duì)求取LED平均壽命驗(yàn)證 對(duì)數(shù)正態(tài)分布能夠較好的反映半導(dǎo)體器件的失效規(guī)律11)，在半導(dǎo)體器件可靠性試驗(yàn)中已得到了廣泛的應(yīng)用，但平均壽命計(jì)算比較復(fù)雜，一般采用圖估法估計(jì)用于驗(yàn)證； 用常規(guī)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布圖估法要用到對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙和單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙。使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率紙可以分別得到在不同溫度應(yīng)力條件下各壽命試驗(yàn)的壽命分布，使用單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙可得到加速壽命曲線(xiàn)，由此在對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙上估計(jì)出正常溫度應(yīng)力水平條件下的壽命分布。l 繪制不同溫度應(yīng)力

26、下的壽命分布曲線(xiàn)在對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙上繪制165、175、185三個(gè)溫度應(yīng)力下的壽命分布曲線(xiàn)（1）作數(shù)據(jù)表：把165、175、185試驗(yàn)得到的失效時(shí)間（壽命）t165、t175、t185 ，按時(shí)間從短到長(zhǎng)的次序排列,如表9.3-1中失效時(shí)間T165,i 、T175,i 、T185,i的一行數(shù)據(jù);（2）計(jì)算累計(jì)失效百分比F(ti ):由于n20，故需查“中位秩表” 17）（見(jiàn)附錄表1）得到，如表9.3-1中F(t)行的數(shù)值；2021-8-312021-8-31表10.3.2.不同溫度應(yīng)力下的失效時(shí)間和累計(jì)失效率26次序號(hào)i12345失 效 時(shí) 間T165,i (小時(shí))455502529560628失

27、 效 時(shí) 間T175,i (小時(shí))369396405455484失 效 時(shí) 間T185,i (小時(shí))253289335357419累計(jì)失效百分比（%）F(t)12.931.45068.687.1（3）描點(diǎn):在對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率紙上用表10.3.2-1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)。失效時(shí)間的數(shù)值在對(duì)數(shù)正態(tài)概率紙的t 軸上取坐標(biāo)值，累計(jì)失效率的數(shù)值在F(t)軸上取坐標(biāo)值，分別繪制出3個(gè)試驗(yàn)環(huán)境溫度165、175、185下的分布曲線(xiàn)L1、L2 、L3，如圖10.3.2-1所示近似地呈現(xiàn)3條直線(xiàn)，這些直線(xiàn)就是該批試驗(yàn)樣品在三個(gè)溫度應(yīng)力下的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。如果不呈現(xiàn)直線(xiàn)，則認(rèn)為不是對(duì)數(shù)正態(tài)分布。試驗(yàn)環(huán)境溫度所對(duì)應(yīng)的結(jié)溫

28、分別由公式、計(jì)算，采用表9.2-4列出的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù) 。（4）估計(jì)中位壽命ti(0.5)：其足標(biāo)“i”表示在Ti溫度應(yīng)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(yīng)力下累計(jì)失效率為50的時(shí)間，也是可靠度為50的時(shí)間。在圖紙的F(t)軸上，取F(t)50的坐標(biāo)刻度，然后由此處右引水平線(xiàn)分別與分布直線(xiàn)L1、L2 、L3相交，得交點(diǎn)，再由交點(diǎn)分別下引垂線(xiàn)與圖紙的t軸相交得到的3個(gè)坐標(biāo)刻度值即為估計(jì)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;272021-8-3128（5）估計(jì)對(duì)數(shù)標(biāo)

29、準(zhǔn)差i:其足標(biāo)“i”表示在Ti溫度應(yīng)力下的標(biāo)準(zhǔn)差。在圖紙的F(t)軸上取84 的坐標(biāo)刻度，由此處右引水平線(xiàn)分別與分布直線(xiàn)L1、L2 、L3相交，得交點(diǎn)，再由交點(diǎn)分別下引垂線(xiàn)與圖紙的失效時(shí)間t軸相交得到的3個(gè)坐標(biāo)刻度值即為失效時(shí)間t165(0.84)620h、t175(0.84)520 h、t185(0.84)390h， 如圖10.3.2-1所示。2021-8-3129圖圖1.加速壽命在三個(gè)溫度應(yīng)力下的對(duì)數(shù)正態(tài)分布和加速壽命在三個(gè)溫度應(yīng)力下的對(duì)數(shù)正態(tài)分布和t(0.5)、t(0.84)的圖估值的圖估值30對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差i的數(shù)值按以下公式計(jì)算： iii0.84-i0.5 其中的對(duì)數(shù)是以10為底的對(duì)數(shù);（

30、6）列表：將得到的中位壽命和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值列成表2;環(huán)境溫度Ti()25165175185結(jié)溫 Tj(K)316.93455.36465.25475.18中位壽命ti（0.5）(h)/530420320ti（0.5）/2.7242762.6232492.505150對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差i /0.0681060.0927540.0859151/Ti104 31.5521.960621.493821.0447表表10.3.2-2不同環(huán)境溫度下的中位壽命和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差不同環(huán)境溫度下的中位壽命和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差31l繪制加速壽命曲線(xiàn) 將單邊對(duì)數(shù)紙的對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸(縱軸)作為時(shí)間t軸，坐標(biāo)橫軸作為絕對(duì)溫度T的倒數(shù)1T的坐標(biāo)

31、軸，如圖10.3.2-2所示。（1）描點(diǎn):由表10.3.2-2，將數(shù)據(jù)點(diǎn)T165、t165(0.5)，T175、t175(0.5)，T185、t185(0.5)依次繪制在單邊對(duì)數(shù)紙上，如圖10.3.2-2所示，近似地呈現(xiàn)為一條直線(xiàn)。否則將有兩種可能，一種是加速變量所遵從的規(guī)律不符合阿倫尼斯模型；另一種可能是該加速壽命試驗(yàn)不是真正的“加速”;（2）配置直線(xiàn)：在此圖紙上將數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成一條直線(xiàn)，此直線(xiàn)就是直線(xiàn)化了的加速壽命曲線(xiàn)；（3）估計(jì)正常溫度應(yīng)力T0(25)下的中位壽命t0(0.5)：在1/T軸上取1/ T0的坐標(biāo)刻度，由此處上引垂線(xiàn)與加速壽命直線(xiàn)相交，再由交點(diǎn)左引水平線(xiàn)與t軸相交，得到的刻度即

32、為中位壽命t0(0.5);由25時(shí)的1/T0= 31.7104 ，得到：t0（0.5）=7.0104(小時(shí))，如圖10.3.2-2中T0處箭頭的指 2021-8-31圖圖9.3-2 對(duì)數(shù)正態(tài)分布的加速壽命曲線(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的加速壽命曲線(xiàn)33l估計(jì)正常環(huán)境溫度應(yīng)力T0(25)條件下的平均壽命（1）計(jì)算在正常溫度T0(25)條件下壽命分布的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差0：由表2中的i （i=1、2、i），按公式計(jì)算在正常溫度T0(25)條件下的壽命分布的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差0 01（n1+n2+ni）(n1-1+n2-2+ni-i) 0=(1+2+3)/3= 0.246775/3= 0.082258 （2）求正常環(huán)境溫度應(yīng)力T

33、0(25)條件下的平均壽命t0E：平均壽命的計(jì)算可用公式 tE -1 （0.5）+1.15102 正常環(huán)境溫度應(yīng)力下(25)的平均壽命 t0E=lg -1lg t0（0.5）+1.15102 = lg -1lg (7.0104)+1.151(0.082258)2 = lg -14.84509+0.010217 = lg -14.855307 =7.17104 (小時(shí)小時(shí))2021-8-31討論 在制定本標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中我們進(jìn)行了多項(xiàng)專(zhuān)題研究，包括芯片封裝前后壽命的對(duì)比、導(dǎo)電銀漿粘結(jié)與共晶焊接的對(duì)比、高溫存儲(chǔ)與高溫加電的對(duì)比、單一應(yīng)力變量（溫度）和多應(yīng)力變量（電流、溫度）的對(duì)比以及色溫漂移摸底等?，F(xiàn)

34、結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果主要從以下幾方面加以討論分析13.1 失效機(jī)理 從失效機(jī)理上看，LED裸芯片和其封裝產(chǎn)品二者是不一樣的。(1) LED裸芯片的退化除與溫度應(yīng)力有關(guān)外，還有電應(yīng)力的作用，主要是體內(nèi)缺陷和離子熱擴(kuò)散和電遷移的物理效應(yīng), 熱擴(kuò)散場(chǎng)和電漂移場(chǎng)同時(shí)并存，屬于本質(zhì)失效。 LED芯片的平均壽命高達(dá)數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上,可承受的溫度應(yīng)力大于2002021-8-31(2) 封裝材料(導(dǎo)電銀漿、熒光粉膠、環(huán)氧樹(shù)脂、硅膠等)的退化主要是與溫度有關(guān)的化學(xué)作用, 屬于從屬失效。封裝器件，其平均壽命一般低于10萬(wàn)小時(shí),而且其耐受的溫度因封裝材料有很大差異遠(yuǎn)低于200 。 LED裸芯片與封裝器件的區(qū)別主要體現(xiàn)在激活能

35、的數(shù)值不同；采用不同的高溫存儲(chǔ)可以得到封裝材料的激活能。的強(qiáng)度。(3)在對(duì)LED封裝產(chǎn)品選取加速試驗(yàn)應(yīng)力時(shí)，可通過(guò)高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)進(jìn)行摸底可確定最高試驗(yàn)應(yīng)力。對(duì)強(qiáng)度低的封裝材料，例如粘結(jié)芯片的導(dǎo)電銀漿、灌封的環(huán)氧樹(shù)脂，只能采用較低的溫度應(yīng)力，因而需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)間不夠則會(huì)帶來(lái)較大的誤差。因此LED產(chǎn)品的壽命取決于所用封裝材料，應(yīng)力過(guò)大超出所承受極限強(qiáng)度時(shí)將會(huì)改變失效機(jī)理13.2 模型選擇 在LED器件加速壽命試驗(yàn)中溫度應(yīng)力和電流（非溫度）應(yīng)力同時(shí)并存，可有三種模式:（1）溫度應(yīng)力為單一變量 此時(shí)適用于阿倫尼斯模型，電流應(yīng)力一般選定為正常工作的數(shù)值，通改變度應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)加速老化。用阿倫尼斯模

36、型來(lái)處理加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù),既簡(jiǎn)單又便,而且也能較好的解釋試驗(yàn)結(jié)果.半導(dǎo)體器件的加速壽命試驗(yàn)一般多為這種模式，已被大陸的“半導(dǎo)體器件分立器件和集成電路總規(guī)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(jù)的試驗(yàn)為例，阿倫尼斯模型模型驗(yàn)證可通過(guò)在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以溫度為橫坐標(biāo)軸，退化系數(shù)為縱坐標(biāo)軸，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和其對(duì)應(yīng)的平均退化系數(shù)，進(jìn)行描點(diǎn)劃線(xiàn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)分分布呈現(xiàn)為一條直線(xiàn)，則表明符合阿倫尼斯模型。（2）電流應(yīng)力為單一變量 LED在電流為變量時(shí)，采用逆冪律模型。 逆冪律模型模型驗(yàn)證可通過(guò)圖估法用對(duì)數(shù)正態(tài)分布概率紙和雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙進(jìn)驗(yàn)

37、證,看其壽命分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上是否能夠擬合為一條直線(xiàn)，并以 此判斷電流加速變量所遵從的規(guī)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(jù)的試驗(yàn)案例中目前我們尚未得到合理的驗(yàn)證結(jié)果。實(shí)際上，此 時(shí)電流應(yīng)力已不是單一變量，除電流應(yīng)力外，還不能忽略因電流提高而產(chǎn)生的 結(jié)溫變化，因此采用逆冪律模型是不適合的。（3）溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力均為變量 當(dāng)LED同時(shí)考慮溫度應(yīng)力和電流（非溫度）應(yīng)力兩個(gè)變量時(shí)，則應(yīng)采用愛(ài)林模型。由于不是單一變量，非溫度應(yīng)力的存在要同時(shí)考慮因能量分布和激活 能而調(diào)整修正因子，因此數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，這種情形很少用于電子元器件 的加速壽命試驗(yàn)，常用于工程上的老化篩選。1

38、3.3 初始光功率 考慮到GaN基的LED在高溫加電的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)光功率先上升再下降的現(xiàn)象， 美國(guó)ASSIST推薦的LED壽命試驗(yàn)方法規(guī)定：樣品采用經(jīng)過(guò)1000小時(shí)后的光功率作為初始光功率P0，主要是為了避免出現(xiàn)異常的測(cè)試數(shù)據(jù)，這一規(guī)定沒(méi)有考慮溫度應(yīng)力大小，一律按1000小時(shí)計(jì)，隨著溫度應(yīng)力增大，則會(huì)有較大的誤差。而我們是采用加大溫度應(yīng)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(guò)程時(shí)間縮短。再下降的光功率接近初始值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間與用退化系數(shù)外推的有效工作時(shí)間之和，這樣的誤差會(huì)比前者要小些。13.4 退化系數(shù)與試驗(yàn)截止時(shí)間 一般情況下，試驗(yàn)截止時(shí)間可從LED的初始光輸出衰減的多個(gè)試

39、驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)中來(lái)選取,這些數(shù)據(jù)點(diǎn)具有一定的離散性，可以采用圖估法對(duì)退化系數(shù)進(jìn)行估算。除在單對(duì)數(shù)概率紙上描點(diǎn)劃線(xiàn)外,還可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行線(xiàn)性擬合(這樣可以避免人為因素)。在擬合的直線(xiàn)上選取偏離直線(xiàn)最小、光輸出衰減量較大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)點(diǎn)的累計(jì)時(shí)間即為估算退化系數(shù)的試驗(yàn)截止時(shí)間，如圖11.6-1所示，圖中SA14的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)列于表10.6-1，由圖可見(jiàn)，表中的10數(shù)據(jù)點(diǎn)（1744小時(shí)，0.82）被選取，數(shù)據(jù)圖中還給出了擬合的直線(xiàn)方程和最小二乘擬合的相關(guān)系數(shù)。 序號(hào)序號(hào)123456789101112h（小時(shí)）（小時(shí)）0168432600768936120013681536174418722040Pt

40、/P010.830.930.870.850.800.820.830.800.820.830.83表表13.41 SA14藍(lán)光功率芯片的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)藍(lán)光功率芯片的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)165 350mA圖圖13.4-1運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的線(xiàn)性擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)的線(xiàn)性擬合2021-8-31 13.5 色溫漂移 （1）色溫漂移與封裝材料密切相關(guān) 在用熒光粉轉(zhuǎn)換的白光LED加速壽命試驗(yàn)的器件中，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)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(yàn)色溫變化的分布。試驗(yàn)結(jié)果表明：大部分器件呈現(xiàn)為色溫下降，色溫變化率一般在

41、510之間，只有個(gè)別器件呈現(xiàn)為色溫上升，其變化率也在510之間。我們把這種或增或減的變化稱(chēng)之為色溫漂移。 然而對(duì)于采用環(huán)氧封裝的5白光小功率白光LED，在75下進(jìn)行1000h高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：色溫幾乎全部呈現(xiàn)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(guān)，而且與初始色溫也有關(guān)，初始色溫低，漂移小，初始色溫高，漂移大。圖圖13-1加速壽命試驗(yàn)中白光功率加速壽命試驗(yàn)中白光功率LED的色溫飄移的色溫飄移（2）色溫漂移的失效判據(jù) 當(dāng)白光LED應(yīng)用在對(duì)色溫漂移有特殊要求時(shí)，則失效判據(jù)則要考慮色溫漂移，其失效判據(jù)可用以下2種方式用不同的色度參數(shù)數(shù)值來(lái)規(guī)定。u 美國(guó)能源之星（E

42、NERGY STAR）和美國(guó)國(guó)家照明標(biāo)準(zhǔn)工作組（ANSI）按照白光LED技術(shù)和顏色對(duì)現(xiàn)有熒光燈色度標(biāo)準(zhǔn)加以修正并重新分檔，這些分檔在CIE1931或1976色度圖中以8個(gè)固定四邊形的形式出現(xiàn)， 8個(gè)四邊形可以用色度坐標(biāo)或相關(guān)色溫來(lái)表示，如圖132、表131 表132所示，白光LED按固定標(biāo)稱(chēng)色型來(lái)規(guī)定失效判據(jù)，其相關(guān)色溫或色坐標(biāo)的變化應(yīng)落在規(guī)定的四邊形之內(nèi)，若超出標(biāo)稱(chēng)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(gè)四邊形的區(qū)域內(nèi). 對(duì)于取代熒光燈的白光LED照明光源，則應(yīng)選取熒光燈六種固定標(biāo)稱(chēng)色型所對(duì)應(yīng)的6個(gè)四邊形，相當(dāng)于7步麥克亞當(dāng)橢圓范圍（色容差為7SDCM）。圖圖13-2在在

43、 CIE1931色度圖中以色度圖中以8個(gè)四邊形的形式出現(xiàn)的白光個(gè)四邊形的形式出現(xiàn)的白光LED色型色型表表13-1. 以相關(guān)色溫以相關(guān)色溫CCT和和DUV表示的表示的8種白光種白光LED色型色型表表13-2 以色坐標(biāo)表示的以色坐標(biāo)表示的8種白光種白光LED色型色型2700K3000K3500K4000KXYXYXYXY中心點(diǎn)0.45780.41010.43380.40300.40730.39170.38180.3797四邊形邊界頂點(diǎn).0.48130.43190.45620.42600.42990.41650.40060.40440.45620.42600.42990.41650.39960.40

44、150.37360.38740.43730.38930.41470.38140.38890.36900.36700.35780.45930.39940.43730.38930.41470.38140.38980.37164500K5000K5700K6500KXYXYXYXY中心點(diǎn)0.36110.36580.34470.35530.32870.34170.31230.3283四邊形邊界頂點(diǎn)0.37360.36110.35510.37600.33760.36160.32050.34810.35480.37360.33760.36160.32070.34620.30280.33040.35120.34650.33660.33690.32220.32430.30680.31130.36700.35780.35150.34870.33660.33690