半导体照明产品可靠性及失效机理分析-钱诚.pptx

半导体照明产品可靠性及失效机理分析报告人: 钱诚半导体照明联合创新国家重点实验室2015.5.24可靠性vs.失效分析可靠性失效分析前提基础目的需求- 测试与评价 ü 环境试验 ü 寿命试验 - 可靠性设计 ü 寿命预测 ü 产品良率- 失效模式 ü 光衰 ü 色漂 ü 灾难性失效 - 失效机理 ü 芯片老化 ü 高分子材料老化 ü 焊点疲劳 ü 电解液挥发 ü 静电释放 ü ……23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① 失效模式与失效机理分析45流明衰减光通量计算公式：例如，对于1W的光源, 555nm = 683 lm470nm = 683 lm×0.1 = 68.3 lm 光衰临界值（L70）：LED照明产品光通量降至初始值的70%根据美国半导体照明系统和技术联盟（ASSIST ）的调查，LED照明产品的光通量在初始值 70%以上时，人眼不会有明显察觉70%80%90%100%6流明衰减辐射型复合和非辐射型复合 N-Junction P-Junction - +PhotonElectron Hole N-Junction P-Junction - +HeatElectron Hole PhotonLattice vibrations L. Trevisanello, Accelerated Life Test of High Brightness Light Emitting Diodes, IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, VOL. 8, NO. 2, JUNE 2008温度的影响电流的影响7流明衰减芯片断裂和界面分层热应力集中点将发生界面分层 L. Trevisanello, Accelerated Life Test of High Brightness Light Emitting Diodes, IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, VOL. 8, NO. 2, JUNE 20088流明衰减L. Trevisanello, Accelerated 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）9颜色漂移颜色坐标FailFail三刺激值：CIE1976 色坐标：10颜色漂移色漂临界值： Energy Star：du′v′≤0.007 ANSI：依据表格规定 11颜色漂移光谱变化蓝光芯片荧光粉激发白光芯片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12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13灾难性失效其他失效模式失效位置失效模式失效机理可能引起失效的原因及影响芯片级别显著光衰直至 开路引起灭灯芯片开裂热循环/冲击，强电流诱发局部焦耳热或 工艺缺陷等产生的局部热机械应力等 短路引起灭灯电迁移强电流密度封装级别开路引起灭灯电应力过大引起的键合 线断裂强电流密度短路引起灭灯电接触合金扩散高温，强电流以及湿气等 开路引起灭灯静电放电强电压系统级别灭灯电源及驱动的电子元器 件失效高环境温度，湿气渗透，强电流/电压引 起电子元器件（包括电容，电阻，电感 等）损坏② 可靠性测试与评价1415不同照明灯具性能与预期寿命灯具类型光效 [lm/W]显色指数Ra预期寿命 [hrs]白炽灯8～18～100750～2,000卤素灯12～24～1003,000～4,000节能灯45～6050～808,000～10,000荧光灯管46～8750～808,000～10,000高压钠灯80～14070～80～20000金属卤化物灯80～12070～957,500～20,000大功率LED照明产品>11080-9515,000～50,00015Before 1879 煤气灯1879 白炽灯1930s 荧光灯1950s 钠灯1990s LED照明产品16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. 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 ……17可靠性测试与评价点灯试验（Operating Test）不点灯试验（Non-operating Test ） Room Temperature Operating Life Test (RTOL)High/Low Temperature Storage Test (H/LTS) Low Temperature Operating Life Test (LTOL)Solder Heat Resistance Test (SHR) High Temperature Operating Life Test (HTOL)Thermal Shock (TS)Wet High Temperature Operating Life Test (WHYOL)Mechanical Shock (MS)Powered Temperature Cycle Test (PTC)Vibration Test (VT)Pulse Life Test (PL)Corrosion Test (Salt Atmosphere) (CT) Dust Test (DT)Electrostatic Discharge(ESD)环境试验18可靠性测试与评价试验方法环境测试的测试条件XLamp @ CreeK2 @LUXEONOS @ OSRAMNCSW119T-H3 @Nicha 室温试验（ RTOL）Ambient Temperature45℃55℃25℃25℃Forward CurrentMaximumMaximumMaximum700 mATest Period1008 hrs1000 hrs1000 hrs1000 hrs 高温试验（ HTOL）Ambient Temperature85℃85℃85℃100℃Forward CurrentMaximumMaximumMaximum300 mATest Period1008 hrs1000hrs1000hrs1000 hrs 低温试验（ LTOL）Ambient Temperature-40℃-55℃N.A.-40℃Forward CurrentMaximumMaximum350 mATest Period1008 hrs1000 hrs1000 hrs19可靠性测试与评价试验方法环境测试的测试条件 XLamp @ CreeK2 @LUXEONOS @ OSRAMNCSW119T-H3 @Nicha 高温高湿试验（ WHTOL）Ambient Temperature85℃121℃85℃60℃Forward CurrentMaximumN.A.5 mA/10 mA600 mAHumidity85% RH60% RH85% RH90% RH Test Period1008 hrs120 hrs1008 hrs500 hrs 温度冲击 （TS）Temperature Range-40 ~125℃-40 ~ 110℃-40 ~ 100℃-40~ 100℃Dwell Time15 min15 min15 min30 min Transfer Time 20 watts55℃±5℃23寿命试验可靠性测试与评价IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources 焊点温度55℃55℃用户自定义每1000小时一个数据点24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 Luminaires6000小时法每1000小时一个数据点25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 Luminaires3000小时法3需要： 1.光源LM-80测试报告 ； 2.Ts温度；每500小时一个数据点26可靠性测试与评价加速衰减试验No.应力水平模型1温度2温度+湿度3温度+电压4温度+频率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 modelNorris-Landzberg model27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:1.e指数衰减:2.Arrhenius Equation:Source: C.Qian, J.J.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29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 Ø 破坏模型建立; Ø 寿命预测Ø 特征提取; Ø 特征分类; Ø 异常诊断; Ø 剩余有效寿命预测 具体方法: 经验疲劳模型; 计算机辅助模拟等 具体方法: 统计方法; 机器学习方法等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 Association①设计设计开发发成本 49%③运营营成本 16%④维护维护成本 19%②安装成本 16%风力发电系统生命周期成本 %系统生命① ②③④生命周期成本故障诊断与健康管理（PHM）44Φt异。