CC BY
192
УДК 621:382
Ю.С. Гончарова, И.Ф. Гарипов, В.С. Солдаткин
Ускоренные испытания полупроводниковых источников света на долговечность
Приводятся результаты ускоренных испытаний полупроводниковых светодиодов (СД) белого цвета в пластмассовом корпусе типа 5050 на долговечность. Определена энергия активации доминирующего процесса деградации и температура кристалла СД в процессе испытаний.
Ключевые слова: светодиод, деградация, коэффициент ускорения, энергия активации.
Срок службы светодиодных ламп определяется как время наработки до отказа основных элементов лампы, к которым относятся светодиоды (СД) и драйверы, и в настоящее время достигает 35000-50000 ч [1]. Если срок службы источника питания лампы (драйвера), собранного из стандартных элементов, легко может быть оценен как расчетным, так и экспериментальным путем, то с оценкой долговечности СД существует ряд проблем. По предварительным оценкам долговечность современных промышленных СД должна составлять не менее 106 ч, при этом основным критерием работоспособности СД является значение светоотдачи [2]. Допустимо его снижение не более чем на 50%. Проведенные исследования показали, что наиболее существенное снижение светоотдачи СД происходит после 5000 ч службы и надежного способа прогнозирования его дальнейшей работы не существует. Таким образом, важной задачей является разработка ускоренных методов испытаний СД на долговечность. В настоящее время для прогнозирования долговечности полупроводниковых приборов остается практически единственный способ - проведение ускоренных испытаний в условиях более высоких электрических и тепловых нагрузок. Процесс «старения» ускоряется. Полученные результаты экстраполируют на нормальные условия эксплуатации. Это позволяет за относительно короткий срок изучить период «старения» СД через взаимосвязь механизмов отказов со временем их проявления. В качестве ускоряющего фактора принимают температуру кристалла, обусловленную величиной рассеиваемой тепловой мощности и температурой окружающей среды. Рассеиваемая тепловая мощность зависит как от величины прямого тока СД, так и от внешней квантовой эффективности, т.е. от величины излученной мощности. Для испытаний были выбраны широко используемые в осветительных устройствах трехкристальные СД типа STW8T36B (пластмассовый корпус типа 5050) фирмы Seoul Semicondactor, имеющие номинальный световой поток 19,8 лм при прямом токе 60 мА и напряжении 3,1 В.
Для определения времени наработки изделий в форсированном режиме испытаний, как правило, используют модель развития отказов, основанную на законе Аррениуса [3]:
K = (Лсп /-/ном ) “ exp[-^(-1--!_)], (1)
KB -'пер1 -'пер2
где K - коэффициент ускорения механизма отказа; m - постоянная для конкретного типа полупроводниковой светоизлучающей структуры (m = 1, если /пот < 2-105 А/см2); AE - энергия активации доминирующего механизма деградации СД; Kb - постоянная Больцмана, равная 8,617-10 5 эВ/град; /ном - номинальная плотность прямого тока через р-и-переход, А/см2; /исп - плотность прямого тока при испытаниях; ?Лер1 - рабочая температура кристалла, K; ?Лер2 - температура кристалла при ускоренных испытаниях, K.
Таким образом, для корректного проведения ускоренных испытаний СД необходимо точно задать температуру кристалла, определить энергию активации механизма деградации и показателя степени m .
Температура кристалла полупроводникового источника света (Тпер) определяется суммой температуры окружающей среды (Та) и произведения теплового сопротивления (Rj-a) на выделяющуюся в кристалле тепловую мощность (Pd):
Тпер = Та + Rj-а ' Pd . (2)
52
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Тепловое сопротивление СД в пластмассовых корпусах состоит из нескольких составляющих, основными из них являются: тепловое сопротивление от активной области кристалла до места «пайки» корпуса к испытательной плате и тепловое сопротивление монтажной платы. Все составляющие теплового сопротивления могут быть рассчитаны или измерены экспериментально. Одним
из эффективных методов оценки темпе-
Прямой ток, мА
ратуры кристалла в рабочем режиме и во время ускоренных испытаний является измерение изменения полуширины спектра излучения СД при заданном постоянном прямом токе по сравнению со спектром при импульсном токе [3, 4]. Результаты измерений перепада температуры кристалл - окружающая среда при испытаниях при ступенчато-возрастающей нагрузке представлены на рис. 1.
Перепад температур кристалл - окружающая среда при номинальном значении прямого тока 60 мА составляет Рис. 1. Зависимость перегрева кристалла СД от тока всего 14 °С
Для исследуемых полупроводниковых источников света основным результатом деградации является уменьшение значения светоотдачи, поэтому энергию активации механизма деградации ДЕ определяли по стандартизованной методике, в соответствии с ОСТ 11.336.938-84, по результатам электротренировки при ступенчато-возрастающей нагрузке, с контролем величины светового потока СД [5].
Ускоренные испытания СД на долговечность проводили в камере тепла и холода типа КТХ-74 при температуре +85 °С при номинальном прямом токе 60 мА (рис. 2, график А).
На рис. 2, график Б представлена зависимость изменения светового потока при ступенчатом изменении прямого тока при температуре окружающей среды 100 °С. Существенное снижение светового потока происходит при токах более 100 мА, что связано с резким увеличением температуры кристалла, достигающей в процессе испытаний 160 °С при токе 200 мА.
Коэффициент ускорения механизма деградации K, рассчитанный по формуле (1) для СД, испытанных при температуре +85 °С и номинальном прямом токе 60 мА равен 30. Дли-
ч?
«
О
Н
О
К
«
о
я
о
н
и
я
О
Рис. 2. Графики снижение относительного значения светового потока СД при ускоренных испытаниях
тельность испытаний составила 2000 ч, что с учетом коэффициента ускорения эквивалентно 60000 ч эксплуатации в рабочем режиме. Контроль параметров СД осуществлялся через 100; 200; 500; 1000 и 2000 ч, при этом контролировались: значение светового потока, прямое падение напряжения на СД и цветовая температура.
По результатам испытаний СД энергия активации механизма деградации ЕС равна 0,56-0,6 эВ,
что связано с процессами диффузии в активной области кристалла и электрических контактах [5].
Из проведенных испытаний следует, что уменьшение светового потока при ускоренных испытаниях можно приближенно аппроксимировать экспонентой и описать экспоненциальным законом деградации в виде:
Ф(ґ) = Ф(0)ехр(-сі), (3)
где Ф(0), Ф(і) - световой поток до и после испытаний; і - время испытаний, ч; с - коэффициент деградации, для данной партии СД имеющий величину 2,55-Ю-4 ч-1.
Одновременно со снижением светового потока при испытаниях наблюдалось увеличение цветовой температуры СД на 15-20%, что связано, на наш взгляд, с деградационными процессами в люминофорном покрытии [6]. Эти изменения легко фиксируются с помощью оптического микроскопа на СД, прошедших испытания со ступенчато-возрастающей нагрузкой. В процессе испытаний нарушается однородность распределения люминофора в компаунде. Характер распределения зависит от положения СД в процессе испытаний, при вертикальном расположении СД люминофор смещается вниз, к одной из сторон корпуса.
Заключение. Проведены ускоренные испытания полупроводниковых источников белого цвета STW8T36B (пластмассовый корпус типа 5050) фирмы Seoul Semicondactor на долговечность. В качестве ускоряющего фактора была выбрана температура кристалла. Длительность испытаний составила 2000 ч, что с учетом коэффициента ускорения эквивалентно 60000 ч эксплуатации в рабочем режиме. Производитель СД Seoul Semicondactor устанавливает гарантирование время работы 40000 ч.
В процессе испытаний установлено, что на процесс деградации СД оказывают влияние не только изменения в кристалле, но и процессы перераспределения и расслоения в люминофорном покрытии.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 73/10 от 15.07.2010 в порядке реализации постановления №218 Правительства РФ.
Литература
1. Луценко Е.В. Температура перегрева активной области коммерческих светодиодов // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - № 2. - С. 26-29.
2. Белые светодиоды / А. Вилисов, К. Калугин, В. Солдаткин, Е. Перминова // Полупроводниковая светотехника. - 2012. - Т. 4, № 18. - С. 14-17.
3. Дохтуров В. В. Контроль теплового режима кристаллов в светодиодных лампах / В. В. Дох-туров, С.В. Смирнов // Полупроводниковая светотехника. - 2012. - № 5. - С. 37-39.
4. Тепловой режим светодиодов в сигнальных лампах синего и белого света / В.В. Дохтуров, С.В. Смирнов, Е.В. Саврук, Ю.С. Гончарова // Электроника и электрооборудование транспорта. -2012. - № 5-6. - С. 37-39.
5. Методы ускоренных испытаний на безотказность и долговечность РД 11 0755-90 / Микросхемы интегральные: Отраслевой руководящий документ. - М., 1990. - 91 с.
6. Смирнов С.В. Температурная зависимость спектров излучения светодиодов белого свечения на основе нитрида галлия и его твердых растворов / С.В. Смирнов, Е.В. Саврук, Ю.С. Гончарова // Доклады ТУСУРа. - 2011. - № 2(24), ч. 2. - С. 55-58.
Гончарова Юлия Сергеевна
Аспирант каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-913-816-06-90 Эл. почта: [email protected]
Гарипов Иван Фаритович
Инженер-технолог ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов», г. Томск
Тел.: 8-952-887-92-13
Эл. почта: [email protected]
Солдаткин Василий Сергеевич
Аспирант каф. радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга ТУСУРа
Тел.: 8-952-807-88-03
Эл. почта: [email protected]
Goncharova Y.S., Garipov I.F., Soldatkin V.S.
Accelerated testing of LED for durability
There are the results of accelerated tests of white LED semiconductors in a plastic box type 5050 for durability. The activation energy of the dominant degradation process and LED temperature was determined.
Keywords: LED degradation acceleration factor, activation energy.
