Теоретическое исследование способов контроля надежности светодиодов

Отказы светодиодов в процессе работы можно разделить на две группы:

1. Внезапные отказы
2. Деградация световых характеристик со временем.

Причинами внезапных отказов являются:

1. Повреждение полупроводникового кристалла вследствие воздействия имульсного тока.
2. Тепловой пробой — выход полупроводникового кристалла из строя в результате превышения его температурой некоторой граничной величины.
3. Электростатический разряд.
4. Деградация электродов, приводящая к их обрыву. Основная причина деградации электрода заключается в диффузии металла во внутреннюю область (так называемая периферийная диффузия) полупроводника. Диффузия усиливается с увеличением инжектированного тока и температуры.
5. Обрыв токоведущих элементов. К этому дефекту может привести резкое изменение температурного режима. Различные температурные коэффициенты расширения составляющих — колбы, рамки и токовода — приводят к высоким механическим напряжениям, и, следовательно, к обрывам.

Надо заметить, что внезапный отказ является достаточно редким событием и его причины, как правило, заключаются в производственном браке или неправильной эксплуатации светодиодов. В тоже время, деградация световых характеристик светодиодов со временем является неизбежным явлением.

Причинами деградация световых характеристик светодиодов являются:

1. Деградация полупроводникового кристалла. Поскольку количество дефектов кристаллической решетки увеличивается в процессе работы светодиода, светоотдача постепенно уменьшается. Скорость накопления этих дефектов возрастает с увеличением прямого тока через светодиод и температуры.
2. Деградация люминофора. Большинство белых светодиодов используют желтый или красный/зеленый люминофор, который подвержен термической деградации. Цветовая температура и чистота цвета люминофора также деградируют со временем. Высокая температура ускоряет данный процесс.
3. Деградация оптических свойств герметика. Высокая температура, приводит к пожелтению герметика, 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.
4. Деградация отражающих поверхностей. В процессе эксплуатации светодиодов, отражающие поверхности тускнеют.
5. Влияние влажности. Высокая влажность ускоряет деградацию световых характеристик светодиодов:

Рисунок 1 Влияние влажности (R»<) на скорость деградации светодиодов

Многофакторность процессов деградации создает большие сложности при оценке долговечности светодиодов. Даже ведущие мировые производители светодиодов не имеют достоверных менаде" такой оценки.

Скорость деградации светового потока светодиодов повышается с ростом температуры окружаюшей среды, токов и относительной влажности. Чтобы получить более точный пропил срока службы них источников слета, компания Osram Opto Semiconductors проводит испытания светодиодов при ратных токах и уровнях влажности, а также измеряет яркость через равные промежутки времени. Однако даже этот метод не учитывает того факта, что отдельные светодиодные компоненты подвергаются воздействию репных факторов износа. Для более точных моделей износа создаются и затем объединяются описания того, как ухудшаются характеристики разных светодиодных компонентов. Тем не менее, измерения, подученные с помощью продолжительных экспериментов. отличаются от тех результатов. которые дает усовершенствованная модель износа.

Низкая скорость процессов деградации также затрудняет разработку методов оценки данного процесса: для проверки метода потребовался бы техпрогон большого количества светодиодов в течение 50 000... 100 000 часов. В связи с непрерывным обновлением выпускаемой продукции (новинки появляются на рынке в среднем каждые 1,5-2 года) экономически нецелесообразно проводить испытания светодиодов столь длительное время. Изготовители лишь прогнозируют срок жизни. Например, фирма «Сотсо» проводит лабораторные испытания срока службы светодиодов в течение 2000 часов с последующей экстраполяцией результатов до 10000 часов.

Методы экспресс-контроля основаны на выявлении признаков (обычно электрической природы) отличающих светодиоды с повышенной скоростью деградации от нормальных.

Надо отметить, что все методы экспресс-контроля надежности светодиодов по электрическим параметрам оцениваются лишь надежность полупроводникового кристалла. однако, как было сказано ранее, деградация световых характеристик светодиодов определяется разнообразными факторами.

В работе исследуются тепловые сопротивления светодиодов в различных партиях.

Сделано предположение, что высокий разброс данного параметра свидетельствует о низкой качестве партии, однако исследование надежности партий не проводилось.

Методы экспресс-контроля также требуют валидации путем техпрогона большого кол-ва светодиодов длительное время, причем нет гарантий, что в исследуемой выборке окажутся светодиоды, подверженные ускоренной деградации.

Еще одна трудность экспресс-контроля светодиодов заключается в следующем. Все производители указывают в документации о возможности внесения изменений в конструкцию светодиодов без предварительного уведомления потребителя. Изменения, очевидно, могут касаться конструктивных материалов, люминофора и полупроводникового кристалла.

Таким образом, после подобных изменений (равно как и при переходе на использование другого типа светодиодов) все ранее разработанные нормы и параметры экспресс-контроля могут оказаться непригодными.

Выводы

Обобщая полученную информацию можно сделать следующих выводы:

1. Для определения скорости деградации светодиодов их следует подвергать длительному техпрогону в условиях приближенных к наиболее жестким режимам эксплуатации по температуре и влажности.
2. Разработка методов экспресс-контроля светодиодов сталкивается с высокими временными (1...5 лет) и сложно прогнозируемыми финансовыми затратами (ориентировочно от 500 000 руб.). При этом не гарантирует достижения каких-либо положительных результатов.
3. Наилучшими решениями по обеспечению качества светодиодной продукции следует признать: выбор надежного поставщика светодиодов, обеспечение «мягких» режимов эксплуатации светодиодов, учет рисков отказов светодиодом в маркетинговой деятельности.

Список использованных источников

1. http://led22.ru/ledstat/otkazi-svetodiodov/otkazi-svetodiodov.html
2. http://e-neon.ru/index.php?id=l 1565983
3. http://www.osram-os.com/osram os/ru/news-events/spotlights/technology/2014/how-long- do-leds-last/index.isp
4. Ю.С. Гончарова, И.Ф. Гарипов, В.С. Солдаткин. Ускоренные испытания полупроводниковых источников света на долговечность // Доклады ТУСУРа, № 2 (28), июнь 2013.
5. Викулин И.М., Коробицын Б.В., Криськив С.К. Прогнозирование надежности светоизлучающих диодов по шумовым характеристикам // нayковi працi оназ iм. О.С.
   Попова, 2011, № 1
6. В.А. Сергеев, И.В. Фролов, А.А. Широков. Исследование процессов деградации светодиодов AIInGaP/GaAs и их взаимосвязи с параметрами низкочастотного шума // материалы международной научно-технической конференции
7. Алексей Мальцев, Иван Мальцев. Контроль качества и надежности светодиодов по тепловому сопротивлению р-п-переход-корпус // СРЕДСТВА ТЕСТИРОВАНИЯ, ИЗМЕРЕНИЯ И ПОВЕРКИ

Ведущий инженер-конструктор ОКТБ «Индикатор» Верижников С.В.