Cree XLamp LED 可靠性

500.60PA-DLC :etoN noitacilppACree® XLamp® LED 可靠性2007年9月

本应用说明描述了高功率LED的常见失效类型，详细阐述了Cree公司发布之前的鉴定测试，也包含了关于寿命预测和白光稳定性的持续和长期检测结果。由于高功率LED行业缺少可靠性和预检测方面的标准化流程，所以理解每个LED公司的可靠性措施对为每种应用选择正确的LED非常重要。

由于本应用说明包含长期检测数据，所以当能够获得新数据时，我们将会及时进行更新。

目录

LED 失效类型 ...............................................................................................................2XLamp 封装设计 ..........................................................................................................3发布前鉴定测试 .............................................................................................................4持续生产监控 ................................................................................................................4发布前鉴定测试列表（工作寿命测试） .................................................................................5

工作寿命测试流程 .........................................................................................................6发布前鉴定测试列表（非工作寿命测试） ...............................................................................6长期流明维持率检测 ........................................................................................................7流明维持率预测 .............................................................................................................7白点稳定性 ...................................................................................................................8

󰀱

LED 失效类型灾难性失效是指能够导致LED不能发光或者在正常驱动电流下（比如，将350mA的驱动电流应用于XLamp XR-E LED时）只能发出微弱光线的失效。如果使用者在XLamp文档中规定的内处理和操作XLamp LED，预计这种灾难性失效就不会发生。请参考产品数据表和应用说明XLamp焊接与操作(Soldering & Handling)，以获得有关设计的更多信息。

参数失效是指会导致关键特性偏离出可接受限度的失效。 高功率LED来最常见的参数失效，就是随着工作寿命的减少,LED产生了永久性光输出衰减。大多数其它光源在使用寿命将要终止时都会经历灾难性失效，这也是必须更换光源的明确指示。比如，白炽电灯泡的灯丝断裂，灯泡停止发光。相比之下，高功率LED通常不会经历灾难性失效，但只会在特定应用中变得光线微弱，不能起到有效作用。我们会在本文档的长期流明维持率检测部分进一步讨论这个问题。

另一个白色LED常见参数失效是，白光输出的颜色产生了被称之为“白点”或“色点”的永久性较大偏移。 偏移若仅从某个LED本身来看，白点并不是那么明显，但是当和多个LED在一起进行逐个比较时，就会变得比较明显。由于每种照明安装应用通常都会使用许多个高功率LED，所以白点稳定性对于照明设计者来说会是一个关注的重点。比较典型的是，通过结合蓝色LED和黄色（有时是红色）荧光体而产生的白色高功率LED，随工作寿命的减少会逐渐产生朝蓝色的偏移。高温和高驱动电流会使这种偏移加速。比如，一个出现白点失效的冷色白（如色温为6500Ｋ CCT）LED通常会发出淡蓝色光，而不是白光。对于某些高功率LED来说，这种失效模式只在使用1,000小时后才会出现。

正如荧光光源一样，所有的白色高功率LED随着工作寿命的减少也都会产生白点偏移。可以通过改变荧光体和封装系统的设计来减少这些偏移并将这些偏移控制到肉眼不容易察觉的程度之内。和灾难性失效一样，可通过遵照XLamp文档中所规定的而使参数失效降到最低水平。

Copyright © 2006-2007 Cree, Inc. 版权所有。 本文档中的信息若有更改，恕不另行通知。Cree、Cree 徽标和 XLamp 都是 Cree, Inc. 的注册商标。2CLD-AP06.005華剛國際貿易有限公司 沙田科學園 科技大道東 2 號 光電子中心 3 樓 301室 電話: +852 2424 8228 傳真: +852 2422 2737 電郵: devsales@cotco.comXLamp 封装设计高功率LED是一个由多个部件组成的系统，包括一个LED芯片、若干电子和热连接件、封装物质、一个光学元件和一个荧光系统（在白色LED中）。术语“封装”是指除了LED芯片和荧光体之外的所有部件。LED封装的设计非常重要，决定着被封装的LED在极端工作环境下的稳固性。

比如，由于封装物质环氧树脂会产生热膨胀,规格为5毫米的圆形LED的小型信号LED就不能在高电流下运行。在高驱动电路下，LED本身的温度会升高，导致封装环氧树脂由于温度升高而膨胀。在某些点上，环氧树脂的热膨胀会导致连接LED的内部电子连接线路中断，从而导致灾难性失效。

高功率LED和小型信号LED封装方法有所不同。和小型信号LED相比,高功率LED通常被设计为能在更高驱动电流和更加严酷的外界环境中工作。以下是能够使LED获得这种高可靠性水平的XLamp封装设计的几个关键要点：

浮动透镜

XLamp LED的透镜能够浮动，因为透镜被放置在封装材料的顶端，并没有固定在封装结构上。随着温度的变化，密封材料也热胀冷缩。这样，镜片可在和LED安装表面垂直的轴线上运动。这种功能使得XLamp LED能够在温度极端且变化大的环境中使用，同时不向内部电子接线施加压力。

低热阻基板

在使用过程中,LED接合点的温度将加速光输出的衰减,前文也提到过这导致了高功率LED最常见的参数失效问题。所以，将热量从LED接合点带走，是进行适当LED系统设计的一个非常重要的因素。热阻是用于衡量热量通过一种材料的难易程度，该值较低意味着热量能够更加容易地通过这种材料。 XLamp LED封装使用了一种热阻值极低的基板（比如，XLamp XR和XR-E为 8°C/W）。这种很低的热阻意味着XLamp LED能够高效地将热量导出LED接合点和导入封装的导热通道。欲知更多信息，欲了解更多信息，敬请阅读应用说明Cree XLamp热管理(Cree XLamp Thermal Management)。无铅特性和可回流焊接

XLamp LED拥有无铅封装，该技术针对包括“贴装”(pick-and-place)和无铅回流焊接工艺在内的标准表面安装技术(SMT)流程设计。XLamp LED的易用性能够确保照明设备生产商把XLamp LED设计到其产品中时能够使用标准的机械安装流程。

透镜 (Lens)反射镜 (Reflector)LED 芯片和荧光体 (LED Die & Phosphor)基板 (Substrate)Copyright © 2006-2007 Cree, Inc. 版权所有。 本文档中的信息若有更改，恕不另行通知。Cree、Cree 徽标和 XLamp 都是 Cree, Inc. 的注册商标。3CLD-AP06.005華剛國際貿易有限公司 沙田科學園 科技大道東 2 號 光電子中心 3 樓 301室 電話: +852 2424 8228 傳真: +852 2422 2737 電郵: devsales@cotco.com发布前鉴定测试

在发布一款新XLamp LED产品并投产前，Cree会对代表性的产品样品集进行一整套发布前鉴定测试。目前高功率LED行业还没有鉴定测试方面的统一标准。每个LED公司必须自行决定采取哪些测试和条件来确保新产品合格。

下一页有Cree发布前鉴定测试组件，该表基于由电子器件工程联合委员会(JEDEC,Joint Electron Device Engineering Council)标准半导体发布前鉴定测试条件和定义的方法。Cree的测试方法和高功率LED行业其它公司所采用的测试方法不同，主要体现在以下几个关键领域：：潮湿高温工作寿命

高功率LED所面对的最严苛的测试是由《JEDEC JESD22 方法A101-B》所定义的“潮湿高温工作寿命”(WHTOL)测试。该测试旨在将LED周期性地暴露在高温潮湿环境下，从而测试LED如何能够防止湿气进入封装并造成损坏。

当高功率LED在最大驱动电流和外界高温下以稳定的状态工作时，LED所产生的热量将防止湿气渗透进入封装中。由于这个原因，《JESD22方法A101-B》呼吁测试方周期性地开启和关闭LED，从而允许LED冷却，这样湿气也就能够进入封装中。为了检测产品是否具有高可靠性，Cree在循环周期条件下测试了其所有的彩色和冷白色LED。

此外，《JESD22方法A101-B》建议WHTOL测试条件应当是：1,000小时内的温度为85°C和相对湿度为85%。Cree在测试其所有彩色和冷白色LED时遵循了该测试方法，保证其产品在最严酷的环境下也能正常工作。 验收标准

每种鉴定测试都必须有验收标准，以判断哪些部件通过了每项测试。 Cree 遵守非常严格的验收标准，确保 XLamp LED 产品具备高品质。 完成每一种工作寿命测试后，Cree 会测量每件 LED 样品的正向电压偏移、光通量下降、正向漏电流和反向漏电流。每个样品部件在测试后必须能点亮发光，才能判定为通过非工作寿命测试。

持续生产监控

Cree定期从XLamp生产批次中提取样品，在发布前鉴定测试中进行同样的WHTOL测试和热冲击测试，证实所有产品部件都能达到同样的高性能水准。 之所以使用这两种测试，是由于它们代表了针对高功率LED的最严格的测试。

Copyright © 2006-2007 Cree, Inc. 版权所有。 本文档中的信息若有更改，恕不另行通知。Cree、Cree 徽标和 XLamp 都是 Cree, Inc. 的注册商标。4CLD-AP06.005華剛國際貿易有限公司 沙田科學園 科技大道東 2 號 光電子中心 3 樓 301室 電話: +852 2424 8228 傳真: +852 2422 2737 電郵: devsales@cotco.com发布前鉴定测试列表（工作寿命测试）

测试应用标准测试条件和失效判定标准测试条件:• 环境温度 • 正向电流 • 测试周期 失效判定标准 󰀱 :• 正向电压偏移 2 • 光通量下降 2: 45°C: 技术数据表所列最大值: 1008 小时: > 200 mV: > 15%: > 25%: > 10µA室温工作寿命测试（RTOL)JESD22 方法 A108-C – InGaN LEDs 3 – AlInGaP LEDs 4 • 正向或反向漏电流 5 • 灾难性失效 6高温工作寿命测试 (HTOL)JESD22 方法 A108-C测试条件:• 环境温度 • 正向电流 • 测试周期 失效判定标准 󰀱 :• 正向电压偏移 2 • 光通量下降 2: 85°C: 技术数据表所列最大值: 1008 小时: > 200 mV: > 15%: > 25%: > 10µA – InGaN LEDs 3 – AlInGaP LEDs 4 • 正向或反向漏电流 5 • 灾难性失效 6潮湿高温工作寿命测试 (WHTOL)JESD22 方法 A101-B 7测试条件:• 正向电流 : 技术数据表所列最大值• XR-C 和 XR-E 白色 (<5000K CCT) LEDs – 环境温度 : 60°C – 湿度 : 90% 相对湿度 (RH) – 时间 : 500 小时（循环）• 所有其它 XLamp LED – 环境温度 : 85°C – 湿度 : 85% 相对湿度 (RH) – 时间 : 1008 小时（循环）失效判定标准 󰀱 :• 正向电压偏移 2 : > 200 mV• 光通量下降 2 – InGaN LEDs 3 – AlInGaP LEDs 4 • 正向或反向漏电流 5 • 灾难性失效 6: > 15%: > 25%: > 10µA低温工作寿命测试 (LTOL)JESD22 方法 A108-C测试条件:• 环境温度 • 正向电流 • 测试周期 失效判定标准 󰀱 :• 正向电压偏移 2 • 光通量下降 2: -40°C: 技术数据表所列最大值: 1008 小时: > 200 mV: > 15%: > 25%: > 10µA – InGaN LEDs 3 – AlInGaP LEDs 4 • 正向或反向漏电流 5 • 灾难性失效 6注释:1. 2.3.4.5.6.7.

如果样品组中一个（或多个） LED 满足所列失效判定标准，则判定整个测试失败。如果没有 LED 满足所列失效判定标准，则判定测试成功。对 [时间为 0 时的值] 与 [测试周期结束时的值] 进行比较InGaN LED 为白色、蓝色、绿色和蓝绿色的 LEDAlInGaP LED 为红色、红橙色和黄色的 LED

判定标准适用于 LED 芯片的漏电流，而不是由 LED 封装引起的漏电流灾难性失效是指导致 LED 无法正常工作的故障（即开路或短路）

JEDCE 方法适用于除了 XR-C 和 XR-E 白色 (<5000K CCT) LED 外的所有 XLamp LED。

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以下是RTOL、HTOL、WHTOL和LTOL的测试流程：• • • • •

以回流焊接方式将XLamp LED焊接到金属核心的印刷电路板（参考应用说明Cree XLamp LED焊接和处理指南）。在可靠性测试室内将PC板卡安装到散热片上

LED关闭后，调整测试室内部条件以符合各测试所规定的要求。(例如WHTOL测试条件为85°C/85% RH ) 散热片温度在整个测试期间维持测试室的温度水平。

为被测灯具通电。 在WHTOL测试中，循环加电一小时，然后断电一小时，以使湿气尽可能地渗进封装内。 相对于连续通电的测试，该程序使测试更加严格。

• 在定期断电间隔中，根据JEDCE测试协议，样品板会从实验装置中被移除。

- 将根据可靠性测试标准决定灯具特性，并且检查是否存在可见瑕疵。- 样品板被放回测试室，重复整个程序，直至得到测试结果。

发布前鉴定测试列表（非工作寿命测试）

测试应用标准测试条件和失效判定标准测试条件:• 温度范围 • 保持时间 • 转换时间 • 周期 失效判定标准 󰀱 :• 测试后 LED 不再能点亮发光: -40°C 至 125°C: 15 分钟: < 20 秒: 200 个周期热冲击测试MIL-STD-202G 方法 107G机械冲击JESD22 方法 B104-CB 类条件测试条件:• 冲击 : 1500 G• 脉冲宽度 : 0.5 ms• 方向 : 6 个轴向，每个方向 5 次（共 30 次）失效判定标准 󰀱 :• 测试后 LED 不再能点亮发光测试条件:• 环境温度 : 35°C• 盐沉淀 : 每天 30 g/m2• 测试周期 : 48 小时失效判定标准 󰀱 :• 测试后 LED 不再能点亮发光盐雾试验（抗腐蚀性测试）JESD22 方法 A107-B B 类条件注释:1.

如果样品组中一个（或多个） LED 满足所列失效判定标准，则判定整个测试失败。如果没有 LED 满足所列失效判定标准，则判定测试成功。

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如本文档中参数失效部分所描述，高功率LED的常见失效模式是指在经过一定时期后LED的光逐渐变得暗淡，对XLamp LED来说时间大约是50,000个小时。为了能够更好地描述这个失效模式，流明维持率建立了光源光输出水平及其工作寿命间的关系。每种带有高功率LED的应用都是与众不同的，并且有独特的设计约束。因此，有效的LED使用寿命的定义也随着应用的不同而有差异。 对所有的LED来说，在LED接合点温度和随使用寿命减少光输出产生永久性衰减间存在直接关系。使XLamp LED在更高的接合点温度条件下工作，将会减少有效的LED使用寿命。总的来说，以下三个系统级因素会显著影响LED接合点的温度： •工作电流•外界环境

•通向外界环境的导热通道的热阻

作为一个光源产品制造商，Cree需要提供这些不同因素将如何影响XLamp LED使用寿命的数据，这样照明设计师就能根据其应用优化他们的系统。

迄今为止，Cree 通过使用经过行业认可的检测和外推方法，检测并且积累了针对XLamp 7090 LED 产品的长期流明维持率的数据。在2006 年4 月，Cree 作为固态照明系统与技术联盟(ASSIST (the Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies) 成员之一，定义了在“LED 部件测量方法”(LED Life for General Lighting) 章节中的一个新的LED 流明维持率检测技术。 假如我们的检测方法要比ASSIST 建议的方法公布的时间提前，那么Cree 的方法在特定检测温度方面就会有所不同。Cree的确遵循了ASSIST 所推荐的相同检测和外推方法，并且我们的测试温度被作为ASSIST 建议的温度范围的外部。所以，Cree 能够使它的长期流明维持率预测基于我们现有的长期数据集上。

北美照明工程师协会(IESNA (Illuminating Engineering Society of North America)、美国国家标准学会(ANSI (American National Standards Institute) 和美国能源部也正在共同努力，制定测量LED 流明维持率的标准 该标准虽然还没有颁布，但是其出版日期几乎和上文提到的ASSIST 标准的出版日期相同。新标准的公布时间据期不会晚于2007 年12 月。

流明维持率预测

Cree已积累了超过20,000小时的工作数据。Cree根据上一章节所描述的ASSIST方法推断LED工作寿命。基于这一方法，在 LED 接合点温度不超过80°C的情况下，Cree 预测 XLamp LED 在使用 50,000 小时后，流明维持率平均达到 70%。

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照明行业需要当前的照明技术提供较高的流明维持率和非常稳定的色彩输出。如LED失效类型章节所述，白色高功率LED随着使用寿命减少会产生白光输出偏移。高温情况会加速这种白点偏移。因此，Cree监测了在高温环境下XLamp XR-LED的白光输出随着工作时间增加而变化的情况。

具体说来，从CIE 1931表色系统所体现的，当XLamp LED在高温环境下工作时，应当周期性地测量白光输出的准确色彩。下面的图显示的是，白光输出在特定环境下经过一段特定时期后所产生的变化，该变化在图中用CIE1931表色系统中X和Y坐标的变化表示。 色温为6500 CCT的4-Step和7-Step MacAdam椭圆也包括在图中供参考。MacAdam椭圆来源于主观性检测，是人的肉眼对于颜色细微变化敏感度的一个衡量标准。一般肉眼很难觉察4-Step的MacAdam椭圆内的颜色变化。XLamp XR-E 冷白色LED - 白点稳定性: If = 350 mA @ 85°C

XLamp XR-E 冷白色LED - 白点稳定性: If = 700 mA @ 85°C

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XLamp XR-E 暖白色LED - 白点稳定性: If = 350 mA @ 85°C

XLamp XR-E 暖白色LED - 白点稳定性: If = 700 mA @ 85°C

本文档所提供的信息仅供参考，不作为担保或者技术指标。若想了解产品技术指标，请参考网址www.cree.com/xlamp 上的技术数据表。若想了解有关产品保修信息，请联系Cree销售部门，邮件发送至devsales@cotco.com。

華剛國際貿易有限公司 沙田科學園 科技大道東 2 號 光電子中心 3 樓 301室 電話: +852 2424 8228 傳真: +852 2422 2737 電郵: devsales@cotco.comCopyright © 2006-2007 Cree, Inc. 版权所有。 本文档中的信息若有更改，恕不另行通知。Cree、Cree 徽标和 XLamp 都是 Cree, Inc. 的注册商标。9CLD-AP06.005