大功率LED可靠性预测机制研究

论文摘要

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,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。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 15.9%,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17.2%。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3 875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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 LED历史
• 1.1.2 国内外技术现状及发展趋势
• 1.1.3 半导体照明
• 1.2 LED可靠性研究综述
• 1.2.1 失效机理分析
• 1.2.2 可靠性预测
• 1.2.3 其他LED可靠性研究方法
• 1.3 本文工作
• 参考文献
• 第2章 基于特性曲线的大功率LED可靠性预测机制
• 2.1 电导数特性曲线
• 2.1.1 机理
• 2.1.2 理想因子和串联电阻与LED可靠性关系
• 2.2 光输出特性曲线
• 2.2.1 机理
• 2.2.2 光输出饱和度与LED可靠性关系
• 2.3 光谱特性曲线
• 2.3.1 机理
• 2.3.2 颜色特性参数与LED色度可靠性关系
• 2.4 热特性曲线
• 2.4.1 稳态热阻测试原理
• 2.4.2 瞬态热阻测试原理
• 2.4.3 结温和热阻与LED可靠性关系
• 2.5 神经网络建模
• 2.5.1 可靠性预测机制BP网络模型
• 2.5.2 算法改进
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 LED特性曲线测试及不确定度分析
• 3.1 总体测试系统
• 3.2 电导数特性曲线测试
• 3.2.1 测试机构
• 3.2.2 理想因子与串联电阻测量不确定度分析
• 3.3 光输出特性曲线测试
• 3.3.1 测试机构
• 3.3.2 积分球空间响应不均匀性
• 1'值评定'>3.3.3 探头设计与f₁'值评定
• 3.3.4 光谱校正积分测光法及其不确定度分析
• 3.3.5 光输出饱和度测量不确定度分析
• 3.4 光谱特性曲线测试
• 3.4.1 测试机构
• 3.4.2 杂散光的带通滤波与校正算法
• 3.4.3 带宽校正算法
• 3.4.4 色度测试不确定度分析
• 3.5 热阻测试
• 3.5.1 测试机构
• 3.5.2 结温与热阻测量不确定度分析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 大功率GaN基蓝光pc白光LED可靠性实验
• 4.1 实验方案
• 4.2 寿命测试结果分析
• 4.2.1 寿命外推及其不确定度
• 4.2.2 寿命统计分析
• 4.3 颜色退化量统计分析
• 4.4 可靠性预测机制的ANN建模
• 4.4.1 LED寿命预测机制
• 4.4.2 LED颜色退化预测机制
• 4.4.3 预测风险分析
• 4.5 基于热阻和理想因子的LED可靠性筛选机制
• 4.5.1 蓝光LED可靠性筛选机制
• 4.5.2 白光LED可靠性筛选机制
• 4.6 LED失效分析
• 4.6.1 蓝光LED失效分析
• 4.6.2 白光LED失效分析
• 4.7 静电试验
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第5章 大功率LED寿命试验
• 5.1 寿命测试系统
• 5.1.1 系统设计
• 5.1.2 基于光谱辐射测试的LED寿命试验
• 5.1.3 积分球设计
• 5.1.4 试验基台设计
• 5.1.5 系统检验
• 5.2 ALT模型
• 5.3 寿命试验中的不确定度分析
• 5.3.1 外推寿命不确定度
• 5.3.2 加速寿命不确定度
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.4.1 光通量衰减
• 5.4.2 与可靠性预测机制预测结果之比较
• 5.4.3 颜色退化
• 5.4.4 电性能衰退
• 5.4.5 光输出特性衰退
• 5.4.6 芯片与荧光粉衰退之比较
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第6章 总结与展望
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢