大功率LED加速寿命试验及问题分析图文精.docx

1、大功率LED加速寿命试验及问题分析图文精技术专栏：大功率加速寿命试验及问题分析王亚盛，张丽燕，刁生进（威海职业学院，山东威海；威海高迸电子有限公司，山东威海）摘要：采用国家标准（）规定的电子元器件加速寿命试验方法，选择了工作环境温度作为加速应力，设计了四个应力等级的大功率加速寿命试验方案并进行试验。试验结果丝引线球焊处开裂、金属化层失效等主要失效机理的产生原因以及温度、电流密度之间关系分析，认为基于模型进行大功率加速寿命试验存在不足和缺陷，不能准确地预测稳态温度下的寿命，应当对模型进行修正。关键词：大功率；激活能；失效机理；加速寿命中图分类号：文献标识码：文章编号：（）。，西（，；，）：，：；

2、：引言目前，、激光二极管等半导体光电器件的加速寿命试验中，普遍采用温度或电流作为加速应力，基于模型进行稳态工作温度下的寿命预测。本文结合美国、等公司的半导体技术第卷第期加速寿命试验方案，引用了，技术标准，对工作电流的小功率蓝光和工作电流的大功率蓝光，以温度作为加速应力进行多次试验，发现在不同应力等级下出现的失效模式有差异，得到的激活能也不同，因而无法准确预测稳态工作年月万方数据王亚盛等：大功率加速寿命试验及问题分析温度下的寿命。应用模型进行寿命预测存在一定的局限性和缺陷，需要对模型进行修正。加速寿命试验方案加速应力与应力水平以温度作为加速应力工作环境温度（以封装引脚焊接点的温度为测量点）与失效

3、之间的关系极为密切，在器件系统热阻不变的前提下，（“）升高，其结温（，）也升高，导致提前失效。因此，依据模型，采用引脚焊接点温度（）作为加速寿命试验的加速应力。以和相同封装的样品进行试验，其结温（。）为（）（，）。（。，）（）式中：。为热耗散功率，单位；型的热阻。；一型的热阻。在加速寿命试验过程中，保持热阻和热耗散功率恒定不变，通过调整瓦实现在不同结温死情况下进行加速寿命试验。加速应力水平设定设定最低温度（，），最高试验温度（“），温度应力水平为四级，分别为（。）、（。）、（。，）和（。，）。四级水平的级差和各级温度的值分别为（，）一（，）（。，）（。，）一）（）（。）一）考虑实际温度试验箱的

4、温控精度为，为此，确定四个级别的温度应力水平下的试验温度中心值分别为孔。”，致，），（，），（）。如哆结温与加速系数不同应力水平下的结温确定以室温条件下得到的产品可靠性指标为基准指标，根据式（）可计算出各应力水平试验条件下的结温。型的恒定工作电流为，工作电压为，功率为，按照约的功率转化为热能计算，则热耗散功率（）为。则各水平试验条件下的结温分别为丁（，）（），（，）（）（）（），（，）（）型的恒定工作电流为，工作电压为，功率为，按照约的功率转化为热能计算，则热耗散功率（。，）为。则各水平试验条件下的结温分别为（，）（），（，）（）（，）（），（）（）加速系数确定郭春生等人提供了一种快速评价半导

5、体器件失效激活能的方法，适用于确定非灾变性失效，而对于灾变性失效来说，每个样品只能发生一次失效，无法应用该方法。通过查询相关资料得知，即使相同失效模式下其激活能也有差异，如表所示。表不同失效模式的激活能（）在大功率寿命试验中，其失效机理除了表所述的四种情况以外，还有引线断裂、芯片表面分层、芯片内部缺陷导致光效下降、白光使用的荧光粉性能下降、芯片与基板界面开裂、芯片开裂等。万方数据王亚盛等：大功率加速寿命试验及问题分析显然，失效与芯片制造、芯片封装工艺技术直接相关，没有一个确定的激活能值可以准确地预计稳态工作温度下产品的寿命。只有为数不多的失效机理是决定性的或长时间处于支配地位，很多的失效机理不

6、知何时、何种情况下会发生。根据模型推理出来的稳态工作温度下的寿命仃为肼娜一。（，）一（，）丁一。（孔，）一（，）一。（，）一（，）一。（，）一（，）（）其中，加速系数分别为一。（，）一（，）一。（。）一（）一。（，）一，）一。（，）一）定数截尾试验参数根据产品的特点，采用定数截尾无替换试验方案，按照亚级试验，相关试验参数确定如下：置信度为；允许失效数；总试验时间元件小时；最长试验时间设定为；试验的总样品数量，其中，在低温温度（。）试验条件下的样品数，加速温度（。）、（，）和（，）试验条件下的各组样品数，、和均为只。各组的试验截尾数均为只，即当失效的个数为个时，停止该组试验。失效判据在试验过程中

7、，出现下列情况之一，则判定为该失效：不能工作或不亮；时亮时不亮或闪亮；正向电压（测试条件，）；反向电流，（测试条件，）；光衰半导体技术第卷第期（测试条件，）。其中，是规定参数的上限值，是规定参数的标称额定值。测试时间间隔根据的寿命浴盆曲线特征，过程测试的时间间隔不能采取平均间隔方式，在试验初期的测试时间间隔要短，中期要长。采用时间分割模式，每隔测试一次，即从开始试验计算，每次测试间隔的时间为：，共测试次。试验结果和一型样品试验结果如表。表失效数量（仃。）、有效工作时间与模式级应力水平的试验失效数占样品数的，级应力水平试验失效数占试验样品数的，符合国家标准第条款要求。问题分析与改进建议不同应力水

8、平下的激活能差异较大由于各组样品是在同一批次、同等工艺条件下生产的产品，所以，依据式（）在不同温度应力水平下预测的稳态工作温度寿命肘。应基本相同。然而，通过试验结果分析得知，不同应力水平下的激活能差异较大，如表所示。年月万方数据王亚盛等：大功率加速寿命试验及问题分析表不同应力水平试验的激活能不同应力水平下的失效模式有差异在种应力水平下共有种失效模式分别是：其中型有只是金丝引线球焊处开裂，只芯片表面失效，型有只是金丝引线球焊处开裂，只光衰下降至，只芯片金属化层失效。产生失效的主要机理与原因分析金丝引线球焊处开裂金丝引线球焊处开裂主要失效机理与芯片的封装工艺关系密切，如图所示。 （）开裂（）空洞图

9、金丝球焊界面开裂和空洞由于克肯达尔效应导致在芯片电极与金丝球焊接界面处形成许多空洞，随着温度升高，空洞也增多，导致界面电阻增大，电阻增大后产生的热量增加，形成正反馈，最终导致界面开裂。另外，如果金丝球焊焊接温度过低，芯片电极表面被氧化可导致焊接界面形成的金属合金层电阻过大，在高温、大电流应力下形成空洞，导致热阻增大，严重时引起界面开裂。芯片金属化层失效导致金属化层失效的原因主要有：高温加速了多金属化层的电化学腐蚀，当相邻层金属之间的电化学势差大于以上时，电化学腐蚀比较严重。在大电流密度情况下，由于导电电子和金属原子间的能量交换引起电迁移，使在电子流动方向上产生堆积，形成小丘，在另一方向上产生空

10、洞。特别是在温度梯度大的地方更易产生电迁移。由于电迁移导致的失效，其预期寿命何。可由式（）估算出来【妇（管）（寿）盯印（鲁）式中：是发生失效时的空位浓度的临界值；是金属化层的扩散系数；是金属化层的电阻率；，是金属化层的电流密度；。是离子电荷；为波尔兹曼常数。在产品的工艺和材料确定的情况下，预期寿命主要与温度和工作电流密度有关。根据的试验分析结合本文的试验表明，当的工作电流密度小于，结温低于时，电迁移对失效的影响很小。芯片金丝球焊采用的金丝直径一般为一一，焊点处的电流密度为一，稳态工作温度下一般不会产生电迁移失效。而在加速寿命试验中，由于结温在，这时的电迁移影响就不能忽略不计了。失效机理与温度的

11、关系分析在加速寿命试验中，常见的失效机理有种，每种失效机理发生的温度段不同，都有一定的阈值温度点和适应范围，并不是每种失效机理的作用都与温度成正比，它还与的制造工艺、材料和质量控制等因素紧密相关。所以，会出现相同的失效机理其激活能的取值范围差异较大的现象。在使用模型对稳态工作温度下的产品寿命进行预测时，选取的激活能相差，会导致预测的寿命相差十几倍甚至上百倍的差异。基于主要失效模式下的寿命预测方法探讨多年来，许多科学家在发现模型存万方数据王亚盛等：大功率加速寿命试验及问题分析在的局限性和缺陷情况下，分别针对不同的失效模式开展加速寿命试验及寿命预测的研究。结合大功率产品的试验情况，本文提出了一种基

12、于主要失效模式下的产品稳态工作温度下的寿命预测模式。主要失效模式确定温度作为加速因子进行试验，以失效模式发生顺序和数量为依据确定主要失效模式，依据式（）确定的失效系数时对应的所有失效模式确定为主要失效模式。失效系数，的计算公式为，（，丢忽如）僖，矗（）其中：是在一组应力水平下进行试验过程中第次发生的失效模式；是第次发生的失效模式以后续该失效模式继续发生的累计失效样品数量。，在保证的前提下，取最小值。常见失效模式的寿命预测模型由于电迁移导致芯片金属化层失效情况下，可按照和模型给出的式（）进行稳态工作温度下的产品寿命预测。由于克肯达尔效应引起在芯片电极与金丝球焊接界面处形成许多空洞导致失效情况下，

13、可按照模型给出的公式进行稳态工作温度下的产品寿命预测（台）（），（去）忐啪。），（）。 式中：，一。是在时刻金属化层的空洞密度；是与相关体积对应的表面积；（，）是时刻由于空洞浓度梯度引起的在金属化层平面方向的逆扩散；为金属化层裂缝长度；（，）是在时刻由于空洞浓度梯度引起的在金属化层厚度方向的逆扩散；盯。是温度变化产生的金属化层应力。当光衰降低至标准值引起失效的情况下，可直接应用模型进行稳态工作温度下的寿命预测，其预测结果与实际符合度较好。半导体技术第卷第期芯片与基板结合面开裂、芯片裂缝等失效模式如何对模型进行修正或建立新模型，还有待于进一步研究试验。结论通过试验、分析和研究认为，采用模型以温度

14、作为加速因子对大功率、半导体器件进行加速寿命试验，存在如下的局限性和缺陷，即相同一组应力等级样品中，会出现多种失效模式，不同失效模式的失效机理不同，无法应用同一个模型进行稳态工作温度下的寿命预测；不同应力等级试验得到的相同失效模式的激活能不同，差异，会导致预测的寿命相差。个数量级的误差。为此，需要根据不同失效模式的产生机理进行分析、试验，对不同失效模式的模型进行修正。通过试验确定种主要失效模式，探索对稳态工作温度下的寿命预测方法。参考文献：彭浩，武红玉，刘东月，等大功率稳态热阻测试的关键因素半导体技术，（）：郭春生，谢雪松，马卫东，等快速评价半导体器件失效激活能的方法半导体技术，（）：，温度对

15、微电子和系统可靠性的影响贾颖，译北京：国防工业出版社，（）：，（），（）：（收稿日期：）作者简介：王亚（够卜）男，山东龙口人，教授，工程技术应用研究员，目前主要从事电子技术应用、傲电子器件的研究开发与教学工作。年月万方数据大功率LED加速寿命试验及问题分析 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 引用次数： 王亚盛， 张丽燕， 刁生进， Wang Yasheng， Zhang Liyan， Diao Shengjin 王亚盛,张丽燕,Wang Yasheng,Zhang Liyan(威海职业学院,山东威海,264210， 刁生进 ,Diao Shengjin(威海高进电子有限公司

16、,山东威海,264209 半导体技术 SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY 2009，34(10 0次 参考文献(5条 1.彭浩.武红玉.刘东月 大功率LED稳态热阻测试的关键因素 2009(2 2.郭春生.谢雪松.马卫东 快速评价半导体器件失效激活能的方法 2006(2 3.LALL P.PECHT M C.HAKIM E B.贾颖 温度对微电子和系统可靠性的影响 2008 4.GHATE P Aluminum alloy metallization for inte-grated circuits 1981(2 5.MCPHERSON J W.DUNN C F A model

17、for stress-induced metal notching and voiding in very large-scaleintegrated Al-Si (1% metallization 1987(5 相似文献(1条 1.学位论文 沈海平 大功率LED可靠性预测机制研究 2008 半导体照明是目前国家重点扶持的新兴产业，大功率LED是半导体照明的关键器件，而最终能否实现半导体照明的普及，取决于大功率LED光效和可 靠性问题的解决。对LED可靠性的研究是提高其可靠性的前提与基础，本论文研究大功率LED可靠性预测机制，尝试一种在无需长期寿命试验条件下实现 对LED可靠性量化预测的新方法

18、，它能节省寿命试验成本，为LED早期失效筛选及产品质量管理提供依据，对于LED科研与产业都具有重要的学术价值和实 用价值。 论文创造性地提出了基于特性曲线的大功率LED可靠性预测机制。在分析电导数特性曲线、光输出特性曲线、光谱特性曲线及热特性曲线 这几条与LED可靠性相关的特性曲线机理与测试原理的基础上，从中分别提取出理想因子、串联电阻、光输出饱和度、电流温度主波长偏移、电流温度色 差、结温及热阻这几个特性参数，实验证明了这些特性参数与LED可靠性之间的相关性，并用人工神经网络将特性参数与LED寿命和颜色退化量之间建立 模型，从而形成了基于特性曲线的大功率LED可靠性预测机制。 完成了对大功率

19、LED特性曲线测试系统的构架。将电导数特性曲线、光输出特性曲 线、光谱特性曲线测试机构集成为一套系统，热阻测试机构则作为单独系统，按照不同特性曲线的测试要求，提出了不同的测试方案，分析了积分球空 间响应不均匀性、探头光谱失配、光谱仪杂散光和带宽这些影响测量精度的问题，并提出了改进方案和校正算法。 首次对各特性参数在测试过程 中的不确定度作了系统分析。运用不确定度理论在对各特性参数的测量不确定度进行分析的过程中发现，多数特性参数的精确测量对仪器精度和测量过 程不确定度控制的要求都非常高，以这些分析结果作为对仪器设计和测试过程控制的量化指导。 对大功率GaN基蓝光及pc白光LED进行了可靠性实 验

20、。建立起了基于特性曲线的大功率LED可靠性预测机制，对700mA条件下加速外推寿命的平均预测误差为：蓝光LED 23.6，白光LED l 5.9，对 700mA条件下加速颜色退化量的平均预测误差为：蓝光LED主波长退化11.1，白光LED颜色退化l 7.2。对预测风险作了分析，表明在实际条件下，外 界环境和使用条件的差异引发的激活能变化，使得排除了时间因子的可靠性预测风险非常大，失效机理的边界问题也对可靠性预测机制的鲁棒性提出了 考验，另外预测结果的参考意义存在一定局限性，预测机制的适用对象范围也有待进一步的检验。提出了一套简化的基于热阻和理想因子的大功率LED可 靠性筛选机制，可用于LED早期失效筛选，对老炼后的LED进行了基于特性曲线的失效分析，对LED进行了静电试验。对大功率pc白光LED进行了长期寿命 试验。设计了一套新型的寿命测试系统，采用了基于光谱辐射测试的LED寿命试验，在比较Arrhenius模型和逆幂定律的基础上引入了一个更精确的 Eyring模型作为加速寿命试验模型，寿命试验结果为：500mA条件下平均加速寿命3875小时(U=0.6，k=2，估算额定条件下平均正常使用寿命12628小 时(U=6.3，k=2，分析了寿命试验中的外推寿命不确定度和加速寿命不确定度，运用特性曲线分析了LED的颜色失效模式和失效机理。 本文链接： 下载时