Ускоренные испытания полупроводниковых источников света

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР) Кафедра физической электроники (ФЭ) УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА Выпускная квалификационная работа на соискание степени бакалавра техники и технологии по направлению 210 100 «Электроника и микроэлектроника»

ФЭТ ВКР.432 225.001 ПЗ

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Основные параметры светодиодов

2. Показатели надежности

2.1 Основные понятия теории надежности

2.2 Основные виды и причины отказов полупроводниковых источников света

2.3 Деградация активной области светодиода

2.4 Деградация электродов

2.5 Термическая деградация

2.6 Электростатический разряд и электрическая перегрузка

2.7 Термическая усталость и короткое замыкание

2.8 Деградация люминофора

3. Исследуемый образец

4. Методика ускоренных испытаний

4.1 Ускоренные испытания при ступенчато возрастающей нагрузке

4.2 Методика ускоренной оценки безотказности

4.3 Прогнозирование долговечности по стандарту ТМ-21−11

5. Результаты работы и их анализ Заключение Список литературы Приложение А

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня светодиоды [1]- наиболее развивающееся направление в области источников света. Сейчас созданы светодиоды практически всех цветов радуги, а так же диоды излучающие в инфракрасной области. Они обладают множество преимуществ перед традиционными системами освещения, к числу которых относятся высокая энергоэффективность и увеличенный в 50 раз срок службы, низкая стоимость обслуживания и замены, широкий диапазон цветовых температур и миллионы оттенков цветов.

Областей применения источников света на основе светодиодов огромное множество: офисные здания, магазины, торговые центры, гостиницы, уличное освещение, промышленные предприятия, спортивные объекты, медицинские учреждения, сценическое освещение и многое другое. Важно отметить, что светодиодные светильники создают холодный свет и не производят инфракрасного и ультрафиолетового излучения, что позволяет использовать их в музеях, на выставках и в исторических местах, где традиционное освещение может стать причиной обесцвечивания чернил и красок или разрушения тканей, отделок или других чувствительных к инфракрасному и ультрафиолетовому излучению материалов.

В настоящее время достигнуты высокие показатели светоотдачи, 25−30 лм/Вт, что выше, чем у ламп накаливания и большинства галогенных ламп. Срок службы светодиодов доходит до 50 000 часов, то есть 5 лет и 8 месяцев, а фирма Hewlet Packard сообщила о сроке службы светодиодов 1 миллион часов. 2]

Указываются весьма внушительные цифры, но не сообщается, каким способом они получены. Естественно, никто столь долго новый тип светодиода испытывать не будет. События на светодиодном рынке развиваются так быстро, что за указанное время светодиод уже снимут с производства и вместо него запустят новый тип. Поэтому проводят ускоренные испытания светодиода в экстремальных условиях, наблюдают за процессами его старения в течение относительно короткого промежутка времени, а потом экстраполируют зависимость на больший промежуток времени уже для нормальных условий эксплуатации.

Цель данной работы заключается в ускоренных испытаниях светодиодов белового цвета корейской фирмы «Seoul Semiconductor» в пластмассовом корпусе типа 5050, марки STW8T36B. На основе полученных данных спрогнозировать время работы по стандарту ТМ-21−11.

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СВЕТОДИОДОВ Как уже было сказано, ускоренные испытания проводятся для того, чтобы определить, как будут изменяться основные параметры полупроводниковых источников света в экстремальных условиях. В основном изменения происходят под действием температуры, и в общем случае для всех типов полупроводниковых источников света основные параметры с ростом температуры ухудшаются. Рассмотрим основные параметры светодиодов.

К основным характеристикам светодиодов относятся:

— сила света;

— светоотдача;

— угол излучения;

— мощность;

— температура свечения;

— коэффициент цветопередачи;

— деградация светодиода.

Сила света (Iv) — интенсивность светового потока в данном направлении, или другими словами сила света источника, излучающего световой поток 1 люмен в телесном угле 1 стереорадиан, измеряется в канделах (Кд), в характеристиках светодиодов указывают осевую (максимальную) силу света.

Светоотдача — отношение светового потока излучаемого источником света к потребляемой им мощности. Измеряется в люменах на ватт (лм/Вт). Является показателем эффективности и экономичности источников света, то есть является коэффициентом полезного действия, выраженной в световых величинах. Если сравнить основные параметры различных источников света, которые приведены в таблице 1.1, можно увидеть что светодиоды обладают отличными характеристиками, и в ближайшем будущем все больше будут вытеснять привычные нам источники света.

Таблица- 1.1 Сравнение характеристик различных источников света

Угол излучения (O) — удвоенный угол, на котором сила света снижается до половины осевой, излучаемый за предел данного угла световой поток составляет менее 10% от общего. Образно угол излучения можно увидеть на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Угол излучения: Iсила света, Imaxмаксимальная сила света, Imax cosOполовина силы света.

Мощность — мощность, которую светодиод потребляет при его включении. По потребляемей мощности они делятся на светодиоды:

— малой мощности: до 0,5 Вт (20−60 мА);

— средней мощности: 0,5- 3 Вт (100−700 мА);

— большой мощности: более 3-х Вт (1000 мА и более) Температура свечения — характеристика белых светодиодов, приближенно показывающая такое субъективное восприятие как «теплее» или «холоднее», измеряется в градусах Кельвина (К). Теплее свет становится при понижении цветовой температуры, а холоднее при повышении. Нормальной считается цветовая температура солнца, то есть 5500 К, она же считается наиболее комфортной для глаз. Например, холодная люминесцентная лампа это 10 000…15 000К, лампа накаливания в районе 3000К. Белые светодиоды могут иметь цветовую температуру в пределах 2500…15 000К (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 Шкала световых температур Коэффициент цветопередачи (CRImin, Ra) — параметр, характеризующий уровень соответствия естественного цвета тела видимому цвету этого тела при его освещении данным источником света.

Деградация светодиода — процесс ухудшения характеристик светодиода с течением времени, постепенное ухудшение, снижение качества, разрушение вследствие внешнего воздействия и времени.

Если включить светодиод и начать ждать пока он погаснет полностью, то до этого момента можно ждать десятилетиями, при этом световой поток будет уменьшаться. В реальности же, нам требуется от светодиода вполне конкретный диапазон светового потока, при выходе за пределы которого, необходимо его менять. Поэтому объективно приняты два порога, по достижению которых светодиод считается вышедшим из строя — 30% и 50% деградация светового потока. Связаны они с особенностью восприятия человеческого глаза. 30% порог актуален при использовании отраженного светодиодного света, то есть когда свет используется для освещения зданий, интерьера. 50% порог касается случаев, в которых используется прямой свет: в светофорах, дорожных знаках, сигнальных огнях транспортных средств, и так далее. Пороги объясняется очень просто — это зрительный порог, при котором человеческий глаз в состоянии определить разницу в интенсивности свечения «нового» и «использованного» источников света. Реальный срок службы светодиодов от нескольких месяцев до пяти — шести лет в непрерывном режиме работы. И зависит он от четырех вещей:

1. Качество светодиодного кристалла — это дает 100% номинального ресурса светодиода при номинальных условиях эксплуатации. Качество светодиодного кристалла определяется технологией его выращивания и степенью отчистки исходного сырья и никак не зависит от страны производителя. Для сверхярких светодиодов, номинальный ресурс обычно составляет 50 000 — 60 000 часов, 100 000 часов могут проработать индикаторные светодиоды.

2. Корпус кристалла — теплопроводные свойства корпуса определяют разницу между температурой корпуса и кристалла, а каждые дополнительные 10 градусов снижают срок службы в два раза. Разница коэффициентов теплового расширения различных частей светодиода может привести к механическому разрушению кристалла или обрыву электродов.

3. Условия функционирования светодиода — хорошо ли отводится тепло от корпуса, или он нагревается от расположенного слишком близко источника тепла. От температуры непосредственно окружающего светодиод воздуха или заливки зависит итоговая температура кристалла, соответственно, и срок его службы. Плохо сглаженный или импульсный ток с большими амплитудами импульсов, хотя в среднем и обеспечивает номинальные значения тока, но при этом температура кристалла поднимается несколько выше, за счет тепловой емкости, и, соответственно, способствует снижению срока службы светодиодного изделия.

4. На каком токе эксплуатируется светодиод — номинальный ток соответствует номинальному сроку службы, с учетом влияния температуры. С увеличение тока возрастает температура p-n перехода кристалла, в результате чего происходит быстрое старение. Повышенный ток приводит к снижению срока службы изделия, пониженный к увеличению. 2,3,4]

2. ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ

2.1 Основные понятия теории надежности надежность полупроводниковый светодиод испытание Для определения и прогнозирования надежности необходимы критерии и количественные показатели надежности.

Критерий надежности — признак, по которому оценивается надежность различных изделий. Количественное значение критерия надежности конкретного изделия называют характеристикой или количественным показателем надежности. Для практического использования очень удобны временные показатели надежности. Поскольку надежность диодов определяется безотказностью и сохраняемостью, а в некоторых случаях и долговечностью, в качестве количественных показателей надежности диодов используют показатели этих свойств. Количественно безотказность оценивается такими показателями, как вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа, долговечность — ресурсом и сроком службы, а сохраняемость — сроком сохраняемости или гамма — процентным сроком сохраняемости.

Рассмотрим эти показатели с учетом их вероятностного и статистического толкования, так как первое необходимо при теоретическом определении и анализе, а второе — при определении из опытов.

Вероятность безотказной работы р (t), или функция надежности, является интегральной функцией распределения времени безотказной работы.

Вероятность безотказной работы р (t) — вероятность того, что при заданных режимах и условиях работы, в заданном интервале времени отказ не возникнет.

Возникновение отказа является случайным событием, поэтому время появления отказа t1 — также случайная величина. Согласно определению вероятности безотказной работы

(2.1)

где р — вероятность;

t — текущее время.

Как функция распределения р (t) обладает следующими свойствами:

1. р (t) — монотонно невозрастающая функция, т. е. при t2 > t1

р (t2) < р (t1);

2. р (t) изменяется в пределах 0? р (t)? 1;

3. в начальный момент времени (t = 0) р (0) = 1, в пределе, когда t >?, р (?) = 0.

Исправная работа и отказ являются событиями несовместимыми и противоположными. Поэтому в теории надежности вводится понятие вероятности появления отказа

(2.2)

Эго позволяет рассматривать q (t) как функцию распределения случайной величины t1 — времени до появления отказа.

Функция q (t) обладает следующими свойствами:

1. q (t) — монотонно неубывающая функция, т. е. при t2 > t1 q (t2) > q (t1);

2. 0? q (t)? 1;

3. q (0) = 0 и q (?) = 1.

Поскольку исправная работа и отказ события несовместимы,

(2.3)

Графическое представление функций p (t) и q (t) показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Функциональные зависимости p (t) — 1 и q (t) — 2

Помимо интегральной характеристики, какой является функция распределения q (t), широкое распространение находит дифференциальная характеристика в виде функции плотности распределения f (t):

(2.4)

или

(2.5)

С учетом (2.5) выражение для вероятности безотказной работы можно записать в виде

(2.6)

Продифференцировав по времени (2.6) получим

(2.7)

Выражения (2.6), (2.7) определяют взаимосвязь функций q (t) и f (t).

Статистически вероятность безотказной работы определяют как

(2.8)

где N — число диодов, работоспособных в начальный момент времени;

n (t) — число отказавших диодов к моменту времени t;

N1(t) — число диодов, безотказно проработавших до момента t.

Интенсивность отказов л (t) — условная плотность вероятности возникновения отказа диодов, определяемая для рассматриваемого промежутка времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Исходя из определения для момента времени (t, t + ?t), с учетом (2.7) можно записать

или

(2.9)

Из (2.9) следует, что

или

(2.10)

С помощью выражений (2.9) и (2.10) можно составить дифференциальное уравнение безотказности:

(2.11)

Его решение относительно р (t) имеет вид

Значение постоянной С находим из начальных условий t = 0, р (0) = 1, следовательно, С = 0.

Окончательно решение дифференциального уравнения принимает вид

(2.12)

что является математическим выражением основного закона надежности.

Для вейбулловского закона распределения, которому подчиняются отказы некоторых диодов, интенсивность отказов определяется соотношением

(2.13)

где, а и b — постоянные (параметры распределения).

При экспоненциальном законе распределения отказов во времени, который применим для большинства диодов интенсивность отказов не зависит от времени (b = 1, л = 1, а = соnst). Поэтому для экспоненциального закона имеем

(2.14)

или

(2.15)

Эти соотношения применяют для вычисления р (t) при лt > 0,1. Для этого же закона справедливо соотношение

(2.16)

которое наиболее часто используют для расчета р (t) при известном значении л и наоборот. Согласно (2.14)

(2.17)

С помощью формул (2.10), (2.16) и (2.17) можно найти выражение, связывающее между собой основные функции надежности:

(2.18)

Используя (2.18) и зная одну из функций, можно отыскать остальные.

Статистическим путем интенсивность отказов можно определить и в процессе испытания диодов как отношение разности чисел работоспособных диодов в моменты времени t и t + ?t к произведению числа работоспособных диодов в момент времени t на длительность интервала времени? t:

(2.19)

Исследования долговечности большого числа различных компонентов и диодов дали возможность определить общую зависимость интенсивности отказов от времени, они представлены на рисунке 2.2. Форма этой функции практически не зависит от критериев годности, рабочих условий и размера партии испытуемых диодов. В начальный период времени интенсивность отказов может значительно изменяться. Эти отказы обусловлены в основном различными производственными дефектами и выявляются в процессе испытаний или специальной тренировки. Во второй период времени интенсивность отказов практически постоянна и обусловлена случайными отказами. Этот период весьма значителен и характеризует полезную долговечность или срок службы диодов. Последующий период характеризует отказы, вызванные износом при длительной эксплуатации. Интенсивность отказов в этот период существенно возрастает.

Рисунок 2.2 Типичная кривая зависимости интенсивности отказов от времени: I — начальный период отказов; II — период служебных отказов (время нормальной работы); III — период износа (старения).

Средняя наработка до отказа tн — математическое ожидание наработки до первого отказа:

(2.20)

В качестве ресурса наиболее часто применяется гамма — процентный ресурс tг — наработка, в течение которой ИМС не достигает предельного состояния с заданной вероятностью г процентов.

Гаммапроцентный ресурс определяется выражением

(2.21)

где q (tг) — функция распределения ресурса.

Полагая закон распределения времени безотказной работы ИМС экспоненциальным и используя (2.21), имеем

(2.22)

Логарифмируя данное выражение, при tн = 1 / л получаем

(2.23)

Гамма — процентный ресурс можно найти на основании статистической обработки результатов испытаний выборки микросхем размером Nв. После испытаний отказывает 100 — г процентов ИМС и гамма — процентный ресурс рассчитывают по выражению

(2.24)

где ti — наработка до первого отказа 1-й микросхемы.

Срок службы tсл определяется календарной продолжительностью эксплуатации микросхемы от начала эксплуатации до ее предельного состояния. Данный показатель для характеристики долговечности ИМС применяется редко.

Срок сохраняемости tхр — календарная продолжительность хранения и транспортирования ИМС в заданных условиях, в течение и после которой сохраняются значения заданных показателей. Величину tхр определяют как время, в течение которого ИМС сохраняют свои технико-эксплуатационные показатели при хранении в специальных помещениях или в аппаратуре. 5]

Для полупроводниковых источников света будет целесообразно рассмотреть основные причины отказов, которые и будут являться критерием надежности.

2.2 Основные виды и причины отказов полупроводниковых источников света Условия эксплуатации, такие как температура и нестабильность тока могут существенно сократить срок службы полупроводниковых источников света. В настоящий момент не существует стандартов, определяющих срок службы и критерии надежности для светодиодов, хотя и существуют предложения считать сроком службы время, в течении которого световой поток деградирует до некоторого значения от начальной величины. Некоторые компании предпочли разработать собственные методы прогнозирования срока службы и надежности на основе данных, полученных от потребителей. Еще больше недостатков обнаруживается в применении эмпирических методов прогнозирования. Во-первых, наиболее типичным видом отказа светодиодов является постепенная деградация выходной мощности в процессе эксплуатации. Однако, существующие стандарты оперируют информацией только в терминах постоянной интенсивности отказов. Хотя в большинстве случаев характеристики светодиодов ухудшаются постепенно, также наблюдались внезапные отказы из-за роста дислокаций с периферии активной области, разрушения p-n-перехода, роста дислокаций с окисленного торца или промежуточной области, разделяющей торец и диэлектрическое покрытие, и катастрофического оптического повреждения. Во-вторых, скорости деградации светодиодов, а следовательно и надежность в значительной мере зависит от изготовителя и уровня производства.

Четкое определение отказа является наиболее критическим местом, один из методов определения отказа заключается в том, что при фиксированном токе следят за выходной мощностью прибора, считая прибор неработоспособным при падении выходной мощности ниже определенного уровня (обычно от 20% до 50%) от исходной величины. Другой метод основан на контроле падения выходной мощности прибора и его компенсации путем увеличения управляющего тока. Когда управляющий ток достигает определенной относительной величины например, 50% прибор считается вышедшим из строя. Некоторые механизмы отказа и дефекты также могут инициировать выход из строя светодиодов.

Основным источником внезапных отказов светодидов является нарушение электрического контакта. Причинами обрывов электрических цепей являются недостаточная прочность сварных соединений в местах контактов разнородных материалов, химическое, электрическое, механическое разрушение металлических тонкопленочных проводников, дефекты сборки микросхем. На рисунке 2.3 представлены примеры обрыва (слева) и оплавления (справа) электрического контакта.

Короткие замыкания в электрических цепях обусловлены, в основном, дефектами фотолитографии, возникновением каналов с инверсной электропроводностью, дефектами кристаллической решетки полупроводникового кристалла, дефектами сборки.

Рисунок 2.3 Обрыв золотой проволоки (слева) и её оплавление (справа) вследствие превышения тока Основными причинами параметрических отказов СД, выражающихся в большинстве случаев в изменении прямого падения напряжения на p-n переходе, являются возникновение каналов электропроводности из-за миграции подвижных зарядов, загрязнения поверхности кристалла и разгерметизации корпуса.

С точки зрения физических причин отказы условно делятся на три категории:

1. Объемные, связанные с явлениями в объеме полупроводникового кристалла;

2. Поверхностные, обусловленные явлениями на поверхности кристалла;

3. Контактные, обусловленные нарушением контактных соединений и обрывом тонкопленочных проводников. [6]

2.3 Деградация активной области светодиодов Излучение света в светодиоде происходит в результате рекомбинации инжектированных носителей в активной области. Зарождение и рост дислокаций, также как преципитация узловых атомов, приводит к деградации внутренней части этой области. Эти процессы могут осуществиться только при наличии дефекта кристаллической структуры: высокая плотность инжектированного тока, разогрев из-за инжектированного тока и тока утечки, а также испускаемый свет ускоряют развитие дефекта. Выбор материала из которого изготовлен светодиод имеет значение, так как часть соединений гораздо более чувствительна к этому механизму отказа.

Соединения InGaN/GaN (для светодиодов голубого и зеленого излучения) нечувствительны к дефектам. В активных областях могут встречаться простые p-n переходы, встроенные гетероструктуры и множественные квантовые ямы. На границах раздела таких структур неизбежны изменения химического состава или даже параметров решетки. При высоком уровне инжекции химические компоненты могут мигрировать путем электромиграции в другие области. Структурные изменения порождают кристаллические дефекты наподобие дислокаций и точечных дефектов, которые ведут себя как неизлучающие центры, препятствующие естественной излучающей рекомбинации и в результате генерирующие дополнительное тепло внутри активного слоя. Заметная деградация вольтамперной характеристики начинается в первые 100 часов работы. Предполагается что это связано с диффузионным перераспределением примесей в активной области структуры под действием прямого тока проходящего через кристалл. В некоторых случаях, в области микротоков 10−4-10−3 А происходило снижение интенсивности излучения, что вероятно обусловлено ростом доли безызлучательной рекомбинации.

Таким образом, на первом этапе деградации происходит формирование центров безызлучательной рекомбинации вокруг стоков, окруженных точечными дефектами.

На втором этапе деградация усиливается за счет интенсивной безызлучательной рекомбинации через центры безызлучательной рекомбинации. Чем меньше энергия, выделяющаяся при безызлучательной рекомбинации, тем меньше скорость деградации на этом этапе.

На третьем этапе рост вакансий может облегчить диффузию различных примесей, что также может привести к появлению новых центров безызлучательной рекомбинации. Различия в энергиях активации долговременной деградации (0,5−0,7 эВ) и быстрой деградации (0,2 эВ) связаны с различной энергией активации диффузии примеси по междоузлиям и вакансиям. 6]

2.4 Деградация электродов Деградация электродов в светодиодах (рисунок 2.4) в основном имеет место на электроде р-области. Основная причина деградации электрода заключается в диффузии металла во внутреннюю область, так называемая периферийная диффузия полупроводника. Диффузия усиливается с увеличением инжектированного тока и температуры. К сожалению, выбрать подходящий материал для омического контакта к р-области светодиодов InGaN/GaN довольно сложно из-за большой ширины запрещенной зоны GaN р-типа. Электрод должен обладать меньшим коэффициентом взаимной диффузии составляющих, инженеры иногда применяют барьерный слоя для подавления эффектов электромиграции. Проблемы с токовым насыщением в мощных светодиодах более серьезны. Для решения этих проблем нужно оптимизировать конструкцию электрода светодиода и вертикальную составляющую электрического тока. Электроды из некоторых материалов, таких как прозрачный проводящий оксид индия-олова (ITO), или отражающих металлов (серебро) подвержены таким проблемам как электромиграция и термическая нестабильность.

Рисунок 2.4 Деградация омического контакта светодиода.

Деградация рабочей кромки является серьезной проблемой для светодиодов на AlGaAs/GaAs, излучающих видимый свет, но нехарактерна для светодиодов диодов на InGaAsP. Окисление путем фотохимических реакций приводит к увеличенным значениям порогового тока и, соответственно, уменьшению времени жизни светодиода. Другим типом отказа рабочей кромки является так называемый катастрофический оптический дефект (КОД) — когда величина световой энергии превосходит определенный уровень и рабочая кромка начинает плавиться. Отказ оптоэлектронных приборов, в обычных условиях устойчивых к деградации рабочей кромки, может быть инициирован повреждениями при обработке, посторонними загрязнения и дефектами материала светодиода.

Основной причиной появления выявленных отказов, является нарушение режимов выполнения операций сборки светодиодов. 6]

2.5 Термическая деградация Тепловая деградация из-за неоптимального теплоотвода часто доминирует в светодиодах в первые 10 000 ч работы. Значительная выделяемая тепловая мощность требует монтажа кристалла светодиода на радиатор или теплопоглощающую подложку, часто с помощью припоя. Если поры в припое создают условия для недостаточного отвода тепла, возникающие горячие точки приводят тепловой деградации и отказу. Образование каверн в припое может происходить из-за нарушения условий обработки или диффузии металла на границе раздела. Также образование каверн может происходить из-за электромиграции. Когда в металле протекает достаточно большой ток, вакансии и ионы металлов мигрируют к противоположным полюсам, приводя к образованию каверн (вакансии), кристаллов, бугорков и вискеров. Рост вискеров, который может начаться под действием внутренних напряжений, температуры, влажности и особенностей материала, обычно происходит на границе между припоем и радиатором и может привести к короткому замыканию. 6]

2.6 Электростатический разряд и электрическая перегрузка Полупроводники чувствительны к дефектам, вызванным электростатическим разрядом (ЭСР). Видами отказа из-за ЭСР могут быть внезапный отказ, параметрические сдвиги или внутреннее повреждение, приводящее к деградации в процессе последующей эксплуатации. Согласно существующим нормативам, чувствительность светодиодов к ЭСР должна быть больше 100 В при. Пробой из-за перегрузки и ЭСР являются существенной проблемой для светодиодов. Иногда разработчики используют диод Зинера или барьер Шотки для достижения определенного класса по ЭСР. Большинство коммерческих InGaN/GaN светодиодов формируется на сапфировых подложках, не имеющих электрической проводимости. Это приводит к появлению остаточного электрического заряда в приборе, что делает его более чувствительным к повреждениям, вызванным электростатическим разрядом и перегрузкой. На рисунке 2.6 показан пробой кристалла под контактной площадкой вызванный ЭСР. [6]

Рисунок 2.6 Пробой n-области кристалла под контактной площадкой

2.7 Термическая усталость и короткое замыкание Разница в коэффициенте термического расширения у соединенных частей и припоя приводит к появлению механических напряжений на этапе изготовления, связанного с термоциклированием. Термическая усталость обычно наблюдается в приборах, изготовленных с использованием мягкого припоя, в то время как приборы, изготовленные с использованием твердого припоя, стабильны при циклической термической нагрузке. Благодаря относительно высокой смачиваемости, припой на основе олова может перелиться через край контактной площадки и сформировать закоротку. Отказы, связанные со сборкой в корпус, могут вызываться герметиком, электродными выводами и фосфором. Термические напряжения в герметике являются наиболее частой причиной отказа в светодиодах. Если — вследствие электрической перегрузки или высокой внешней температуры — температура корпуса достигает температуры перехода наполнителя герметика (Tg), смола начинает быстро расширяться. Разница в коэффициенте термического расширения внутренних компонентов светодиода может привести к механическому повреждению. При очень низких температурах может произойти растрескивание эпоксидной композиции. Высокая температура, вызванная внутренним нагревом и неизлучающей рекомбинацией, и достигающая 150 єС, приводит к пожелтению эпоксидной композиции, что в результате меняет выходную оптическую мощность или цвет излучаемого света. Если индекс преломления герметика не соответствует индексу преломления полупроводникового материала, индуцированный свет остается в полупроводнике, в результате чего возникает дополнительный источник тепла. В результате перегрева эпоксидной композиции может происходить разрыв или отделение электродного вывода и снижение прочности соединения кристалла с подложкой. Эти проблемы в свою очередь могут привести к отслоению кристалла и эпоксидной композиции. Механические напряжения, вызванные легкоплавкими припоями являются еще одной причиной, в результате которой в приборе может появиться обрыв. Несоблюдение требований к давлению, положению и направлению в процессе пайки выводов может привести к появлению механических напряжений при нормальной рабочей температуре и изгибанию выводов в опасной близости от кристалла светодиода.

Большинство белых светодиодов используют желтый, красный или зеленый люминофор, которые подвержены термической деградации. Когда разработчики смешивают два или более различных люминофора, составляющие должны иметь сравнимое время жизни и характер деградации для обеспечения насыщенности цвета. Цветовая температура и чистота цвета люминофора также деградируют со временем (рисунок 2.7). 6]

Рисунок 2.7 Изменение интенсивности излучения СД во времени при разных значениях температуры:

1- 20 мА, 25? С; 2- 20мА, 40? С; 3- 20 мА, 60? С

2.8 Деградация люминофора Одной из причин медленной деградации излучающих диодов является снижение квантовой эффективности люминофора на основе иттрий алюминиевого граната легированного церием. Причин снижения несколько:

Первая причина связана с тушением люминесценции за счет диффузии кислорода в кристаллическую решетку граната.

Вторая причина связана с перераспределением кристаллической фазы по толщине люминесцентного покрытия на основе кремнийорганического компаунда. Более тяжелые частицы люминофора под силами тяжести и поверхностного натяжения перераспределяются внутри покрытия, приводя к уменьшению квантовой эффективности и нарушениям соотношения цветов и угловой диаграммы направленности излучения.

Люминофоры применяемые в производстве светодиодов белого свечения. Представляют собой жёлтые, зелёные и оранжевые порошки, состоящие непосредственно из кристаллов диаметром ~ 6 — 9 мкм алюмоиттриевого граната ((Y1?aGda)3(Al1?bGab)5O12, Ce3+ (YAG)), и силикатные люминофоры SrCaSiN. Люминофоры стойкие к температурному воздействию до 1280С, но могут окисляться и впитывать влагу. Разработчики люминофоров рекомендуют перед смешиванием люминофора с компаундом просушить его в печи при температура 1000С.

Компаунды бывают:

— эпоксидные, при высокой температуре происходит стеклование, начинается быстрое расширение компаунда (за счёт элемента Tg);

— эластичные (резинообразные) и гелиевые (вязкие).

Все эти компаунды темнеют при высокой температуре более 1300С. При длительной работе светодиодов залитых эластичным компаундом или гелем возможно осаждение кристаллов люминофора на полупроводниковый чип в связи, с чем снизятся значения световых параметров. Изменение значения цветовой температуры связано с выгоранием частиц люминофора и с их осаждением на чип. В первом случае снижается количество переизлучающих частиц, возрастает цветовая температура, снижается световой поток. Во втором случае повышается плотность частиц на поверхности чипа излучение синего цвета проходит через люминесцентный компаунд существенно меньше, снижается спектральная составляющая синего излучения относительно спектральной составляющей жёлтой (люминофора), происходит переотражение излучения в чип, возрастает значение цветовой температуры, снижается значение светового потока.

Как видно из рисунка 2.8 после воздействия высокой температуры между компаундом и корпусом выделилось из компаунда смолистое вещество коричневого цвета. Так же видно тёмное пятно на компаунде повторяющее геометрию полупроводникового кристалла. Электронно-микроскопические исследования показали, что при термообработке в структуре люминофорного покрытия появляются различного типа дендритные образования. Исследование спектров поглощения покрытий в зависимости от температуры показали, что происходящие изменения несущественны. Тем не менее, квантовая эффективность люминофора при повышенных температурах существенно уменьшается. 6]

Рисунок 2.8 Фотография светодиода слева и полимеризованной смеси компаунда с люминофором справа после длительного воздействия повышенной температуры

3. Исследуемый образец Светодиоды марки STW8T36B (рисунок 3.1). Конструктивное оформление светодиода представлено на рисунке 3.2.

Рисунок 3.1 Светодиод марки STW8T36B

Рисунок 3.2 Конструктивное оформление светодиода марки STW8T36B

Светодиоды выпускаются в стандартном корпусе 5050 при помощи поверхностного монтажа. Изготавливается на подложке из литого пластика, отражатель находится на верхней части изогнутой рамы свинца. Тщательный выбор материалов для изготовления компонентов позволяет этому продукту выполнять требованиям высокой надежности. Основные характеристики светодиодов представлены в таблице 3.1.

Таблица- 3.1 Основные характеристики светодиода STW8T36B

На рисунках 3.3 — 3.6 приведены основные характеристики светодиодов марки STW8T36B.

Рисунок 3.3 ВАХ при температуре окружающей среды 25 оС Рисунок 3.4 Изменение силы света при увеличении тока при температуре окружающей среды 25 оС Рисунок 3.5 Характеристика влияния температуры перехода на светоотдачу при токе 60 мА Рисунок 3.6 Спектр излучения при нормальных условиях эксплуатации (Т=25 оС, IF=60 мА)

Приведенные параметры и характеристики были взяты из.

4. Методика ускоренных испытаний

4.1 Ускоренные испытания при ступенчатотвозрастающей нагрузке Испытания при ступенчато возрастающей нагрузке проводятся для достоверной оценки энергии активации.

Испытания проводят в предельно допустимом электрическом режиме, в два этапа. Продолжительность первого этапа (t1) составляет 144 ч, продолжительность второго этапа (t2) 96 ч.

Температура окружающей среды на первом этапе устанавливается равной повышенной температуре, в 85 оС. Температура окружающей среды на втором этапе устанавливается на 15 оС выше, чем на первом этапе в пределах ранее определенной области допустимого форсирования.

Контроль параметров проводят перед началом испытаний, через 48 ч (t11), по окончании первого этапа (t12) и по окончании второго этапа (t2).

После проведения испытаний следует провести обработку результатов в следующем порядке:

1. Определяют снижение светового потока, в долях, либо количество отказов:

d11 — за время t11;

d12 — за время с начала испытаний до окончания первого этапа t12;

d2 — за время с начала испытаний до окончания второго этапа t2, (включая d11, d12).

Отказы, связанные с нарушением испытательного оборудования, ошибки операторов, а также вызванные грубыми производственными дефектами, в расчетах не учитывают.

2. Для моментов времени испытаний t11, t12, t2 определяют долю снижения светового потока по формулам:

(4.1)

(4.2)

(4.3)

где n — объем испытываемой выборки.

3. По значениям F11, F12, t11, t12 определяют параметр формы распределения отказов во времени (в) по формуле

(4.4)

4. По значениям F12, F2, t12, в, t2 определяют значение энергии активации по формуле

(4.5)

где Tпер1 и Tпер2 — температура р-n перехода кристалла при испытаниях на первом и втором этапах соответственно, °С.

5. В случае если расчеты по пункту 4 показывают, что Ea > 1,0 эВ, то при оценке коэффициента ускорения используют значение Еа = 1,0 эВ. [8]

4.2 Методика ускоренной оценки безотказности Длительные испытания на безотказность проводят в максимальном предельно-допустимом электрическом режиме эксплуатации и повышенной температуре окружающей среды.

В качестве ускоряющих факторов принимают температуру кристалла, обусловленную величиной рассеиваемой мощности и температурой окружающей среды.

Температуру T определяют из выражения:

(4.6)

где TOKP — температура окружающей среды, К;

— температура p-n перехода, К;

Для предложенной модели развития отказов изделий в процессе форсированных испытаний необходимы следующие условия:

— за параметрический отказ принимается — деградация светового потока источников света более чем на 50% от первоначально измеренного значения;

— максимально допустимая температура полупроводниковой светоизлучающей структуры принимается равной +55°С;

— максимальная температура кристалла в корпусе не должна превышать +120°С.

Для расчета коэффициента форсирования (Кф) следует руководствоваться формулой:

(4.7)

где — гамма процентная наработка до отказа, ч;

— время испытаний при повышенной температуре окружающей среды, ч;

 — ток потребления (А) и температура р-n перехода (К) для номинального электрического режима и нормальной температуры среды;

 — ток потребления (А) и температура р-n перехода (К) для электрического режима и повышенной температуры окружающей среды, принятых для режима форсированных испытаний.

Ток потребления излучателей является величиной постоянной как при нормальной температуре окружающей среды, так и при повышенной.

Исходя из вышесказанного, выражение (4.7) примет вид:

(4.8)

где Еа — значение энергии активации для светоизлучающих структур. 8]

4.3 Прогнозирование долговечности по стандарту ТМ-21−11

В 2011 году инженерами из США был разработан стандарт ТМ-21−11, который создан для контроля качества и надежности полупроводниковых источников света. Согласно этому стандарту снижение светового потока при ускоренных испытаниях подчиняется экспоненциальному закону деградации

(4.9)

где Ф (0), Ф (t) — световой поток до и после испытаний;

t — время испытаний;

a — коэффициент деградации, при ускоренных испытаниях.

Так же этим стандартом предложен ряд моделей для построения зависимости светового потока от времени при нормальных условиях эксплуатации. Мы воспользуемся следующей моделью

(4.10)

(4.11)

В предложенной модели коэффициент деградации k, рассчитывается для нормального режима эксплуатации. При ускоренных испытаниях деградация светодиодов проходит быстрее, соответственно коэффициент деградации, рассчитанный по формуле 4.9 будет больше. Для построения прогноза на долговечность при нормальных условиях эксплуатации по формуле 4.9 время испытаний помножается на коэффициент форсирования, так как — это показатель во сколько раз увеличивается деградация по сравнению с нормальными условиями эксплуатации.

Таким образом, по формулам 4.9 и 4.10 строятся «оптимистические» и «пессимистические» прогнозы. Фирмы — производители обычно указывают время полученное при «пессимистических» прогнозах, так как гарантируют что светодиод отработает данное время, либо среднее значение между ними которое можно получить по соотношению

(4.11)

5. Результаты работы и их анализ Схема расположения и подключения полупроводниковых источников света на плате для проведения ускоренных испытаний приведена в приложении А. Ускоренные испытания проводились в камере тепла и холода типа КТХ- 74 (рисунок 5.1). На рисунке 5.2 приведено изображение внутреннего устройства камеры, в которой проводились испытания.

Рисунок 5.1 Камера тепла и холода типа КТХ-74

Рисунок 5.2 Внутреннее устройство камеры Ускоренные испытания при ступенчато возрастающей нагрузке проводились на 10 образцах, результаты испытаний приведены в таблице 5.1. На рисунке 5.3 показан процесс измерения параметров испытываемых образцов, размещенных на плате.

Таблица 5.1 Результаты испытаний при ступенчато возрастающей нагрузке

Рисунок 5.3 Процесс измерения параметров испытуемых образцов На 10-ой ступени испытаний из строя вышел светодиод под номером 8, светодиод номер 9 светить перестал, но ток пропускает, так как образцы вышли из строя по причинам дефектов при расчетах доли снижения светового потока общее число образцов на 10-ой ступени принимаем равным 8. В ходе испытаний одновременно со снижением светового потока наблюдалось увеличение цветовой температуры светодиода на 15−20%, что может быть связано с деградационными процессами в люминофорном покрытии. 10] Эти изменения легко фиксируются с помощью оптического микроскопа (рисунок 5.4) на светодиоде, прошедших испытания со ступенчато-возрастающей нагрузкой. На фотографиях четко видно, что в процессе испытаний нарушается однородность распределения люминофора в компаунде. Причем характер распределения зависит от положения светодиода в процессе испытаний, при вертикальном расположении светодиода люминофор смещается вниз, к одной из сторон корпуса.

Рисунок 5.4 Внешний вид светодиодов до и после испытаний при ступенчато-возрастающей нагрузке.

Для определения времени наработки нужно знать температуру p-n перехода. Оценка температуры кристалла в рабочем режиме и во время ускоренных испытаний на каждой ступени проводились экспериментально [11,12,13], результаты измерений представлены на рисунке 5.5. [14,15]

Рисунок 5.5 Зависимость температуры p-n перехода от тока

Результаты ускоренных испытаний на безотказность для 20 образцов приведены в таблице 5.2. Испытания проводились в следующем режиме:

Т = 85 0С;

I = 60 мА;

t = 1000 ч.

Таблица 5.2 Результаты испытаний на безотказность

На рисунке 5.6 представлена зависимость изменения светового потока при ступенчато возрастающей нагрузке (А) и при испытаниях на надежность (Б).

Рисунок 5.6 Снижение величины светового потока при ускоренных испытаниях: Аиспытания при ступенчато возрастающем токе и температуре; Биспытания при токе 60 мА и температуре 80 оС По формулам, 4.1−4.3 сначала определяем долю снижения светового потока при испытаниях со ступенчато возрастающей нагрузкой

Затем по формулам 4.4 и 4.5 рассчитываем параметр формы распределения отказов во времени и энергию активации Далее рассчитываем коэффициент ускорения механизма деградации по формуле 4.8

По формулам 4.9 и 4.11 рассчитаем коэффициенты деградации при ускоренных испытаниях и для нормального режима работы По полученным данным были смоделированы «оптимистические», средние и «пессимистические» прогнозы долговечности светодиодов по стандарту ТМ-21−11 (рисунок 5.7). В результате «пессимистических» прогнозов долговечность составила 40 000 часов, средних 67 000 часов и «оптимистических» 130 000 часов.

Рисунок 5.7 Прогноз времени наработки на отказ по стандарту ТМ-21−11:

Ф (t) — «пессимистические» прогнозы;

Ф1(t) — «оптимистические» прогнозы;

Ф2(t) — среднее время работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы был проведен анализ ускоренных испытаний, по разработанной ТУСУРом методике, светодиодов корейской фирмы «Seoul Semiconductor» марки STW8T36B.

Для исследуемых полупроводниковых источников света доминирующим механизмом деградации является уменьшение светового потока. В ходе ускоренных испытаний при ступенчато возрастающей нагрузке было определено, что существенное снижение светового потока происходит при токах более 100 мА и температуре окружающей среды 100 оС. Это связано с резким увеличением температуры кристалла (рисунок 5.4), в результате чего происходят изменения в кристалле, взаиммодиффузия в области p-n перехода.

Наряду с процессом снижения светового потока при испытаниях наблюдалось увеличение цветовой температуры, что может быть связано с процессы перераспределения и расслоения люминофорного покрытия. Так же было выявлено, что точность результатов ускоренных испытаний в большей мере зависит от точности определения энергии активации, доминирующего процесса деградации, и определения температуры кристалла.

По результатам испытаний была определена энергия активации механизма деградации, которая составила Ea = 0,532 эВ. Так же по результатам ускоренных испытаний на долговечность был рассчитан коэффициент ускорения механизма деградации, он равен 20.

На основе полученных результатов с использованием модели по стандарту ТМ-21−11 был составлен прогноз долговечности светодиодов. По полученным данным «пессимистического» прогноза было спрогнозировано время работы светодиодов корейской фирмы до отказа, оно составило 40 000 часов, что точно совпадает с заявленным временем работы фирмой производителем Seoul Semiconductor.

1. Шуберт Ф. Светодиоды/ Пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича.-2-е изд. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. -496с.

2. Варфоломеев Л. П. Светотехника: Краткое справочное пособие.- Москва: Световые технологии, 2004. 128с.

3. http://led-centre.ru/

4. http://declight.ru/

5. Смирнов С. В. Методы исследования надежности наногетероструктурных монолитных интегральных схем: учебное пособие. — Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2010. 95с.

6. Отчет по теме 37/10 по постановлению РФ № 218 Разработка высокоэффективных и надежных полупроводниковых источников света.- ТУСУР, 2012.

7. Seoul SemiconductorSpecification STW8T36B, September 2011.

8. Смирнов С. В. Методика ускоренной оценки показателей надежности полупроводниковых источников света ЕГВА.43 225.026. ТУСУР, 2012.

9. Cameron Miller. IES TM-21−11 Overview, History and Q&A Session, 2011.

10. Смирнов С. В., Саврук Е. В., Гончарова Ю. С. Температурная зависимость спектров излучения светодиодов белого свечения на основе нитрида галлия и его твердых растворов// Доклады ТУСУР, 2011.-№ 2(24).- С.55−58.

11. Дохтуров В. В. Смирнов С.В. Контроль теплового режима кристаллов в светодиодных лампах// Полупроводниковая светотехника, 2012, № 5.

12. Дохтуров В. В. Смирнов С.В. Саврук Е. В., Гончарова Ю. С. Тепловой режим светодиодов в сигнальных лампах синего и белого света// Электроника и электрооборудование транспорта, 2012, № 5−6, С.37−39.

13. Луценко Е. Температура перегрева активной области коммерческих светодиодов // Полупроводниковая светотехника, 2011. — № 2. — С.26 — 29.

14. А. Берг, П. Дин Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича. — Москва: МИР, 1979. -687с.

15. Строганов А. Оценка долговечности БИС по результатам ускоренных испытаний// Технология в электронной промышленности.- 2007. № 3. С.90−96

16. ОС ТУСУР 6.1−97 Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления.

Приложение A

Схема расположения и подключения полупроводниковых источников света на плате для проведения ускоренных испытаний