Luxeon LED介紹 第2章
災難故障率和 MTTF
故障定義
「故障」是指執行目標操作的能力喪失。 LED 可能遇到參數
故障或災難故障。
災難故障
如果關鍵的電子或光學資料表參數變化非常大，以致 LED
無法亮起，則表明發生了災難故障。 LED 的災難故障與傳統
光源有著不同含義，後者的災難故障可能導致爆炸或玻璃破
碎。而大多數 LED 故障只會導致 LED 無法發光。
這種災難故障的根源（也稱 ? 「故障機制」）包括與包裝
和鋼模有關的故障模式。和包裝有關的故障機制包括連接
絲斷裂、球 焊 點或點 焊 點翹起、包裝內的元件脫落，從而
導致電子元件斷路以及鏡片嚴重 污 染。和鋼模有關的故障
機制包括光輸出嚴重衰減和鋼模鍍層燒 毀 / 破裂。本應用說
明的「電過載故障」和「熱過載故障」小節，詳細介紹了
這些故障機制。
大多數情況下， LED 災難故障會導致斷路（或導致正向電壓
大幅度升高）。少數時候，災難故障也會造成短路。災難故
障包括：
• 斷路或短路
• 在標準的光輸出測試條件下，
（比如對 Luxeon ? 350 mA ）停止光輸出
參數故障
如果關鍵的電子或光學資料表參數在其初始 值 基礎上的變化
超過一定限度，則會發生參數故障。電子和光學參數在不同
的時間會有略微變化。輕微變化是正常的，通常不會影響
LED 的操作。這些輕微變化並非故障。但是，照明 強 度持續
衰減、正向電壓或反向漏電 產 生變化，則表示可能發生了參
數故障模式。在 Lumileds 可靠性測試中， Lumileds 認 ? 光輸
出過度衰減的設備也發生了參數故障。在每個可靠性資料表
中列出了具體的故障條件。
故障率與時間
故障率的定義是，每單位操作時間的 LED 災難故障比例。任
何電氣元件的操作壽命都可粗略分 ? 三個時期，每個時期有
著不同的故障率
注意，最初操作時間內通常有著較高的故障
率。這個時間段 被稱 ? 「夭折期」。這期間，質量較差或組
裝不當的設備會
發生故障。
對 Luxeon Power Light Source 來說，最關鍵的
是在組裝過程中將發光體下方的降溫片和外部降溫裝置正確
連接，以便讓接合點溫度保持在建議的操作溫度範圍內。另
外，如果沒有按照「與組裝有關的故障」一節的說明，執行
建議的 焊 接步驟，則可能導致 Luxeon 包裝熱過載。上述兩
種情形都會導致設備過早發生故障。
故障率曲線的第二部分稱 ? 「有效使用期」。這期間的故障
率較低並且比較穩定。通常而言，這些故障是隨機發生的，
無法通過附加的元件電氣測試或元件老化測試來防範。
故障率曲線的第三部分稱 ? 「老化期」。這期間的故障率將
一直上升，直到設備最終失效。常見的老化期例子是白熾燈
泡泡的正常失效，白熾燈泡在工作一定時間後會突然失效。
與白熾燈泡不同， LED 沒有上述的故障機制，但 它 存在其他
的老化機制。 LED 還可能因 ? 光輸出衰減而發生故障。此時
的「故障」是相對於可接受的光輸出變化幅度（這個限制可
任意設定）而定。一般來說，肉眼只能感覺到大幅度的光輸
出變化（約 50% ）。如果低於該 值 ，人們通常注意不到。
圖 4 顯示 LED 在標準操作條件下的故障率隨操作時間的增加
而呈現一般走向，但也有可能發生該圖表不能正確反映的異
常故障。
在超高的電過載或熱過載情況下，圖 4 顯示的走向可能不再
適用。例如，由電氣驅動電路或電源 ? 生的電氣暫態可能導
致故障，這些故障是電氣驅動電路無法避免的，他們會導致
金絲熔斷。另外，連接線也可能因 ? 超高的熱過載而斷裂
無論是 哪 一種情況， LED 都會立即停止發光。因此， 您 最好
是進行詳細的故障分析，以確定故障是由隨機故障機制導致
的，還是因 ? 承受了超高的電過載或熱過載。
對 Luxeon 的 MTTF 進行評估
獲得對 MTTF 的評估，需要在指定的驅動條件下執行操作壽
命測試，直到發生故障。這種運行可靠性測試直到失效的要
求對 Luxeon 之類的高可靠 ? 品而言顯得比較困難，因 ? 它
們很少發生故障。準確評估 Luxeon 的 MTTF ，需要對成千
上萬的設備進行長達 10,000 小時的 強 度測試。
自從 1998 年推出 Luxeon 高功率光源以來，已有 100 多萬
個交通信號燈使用了該 ? 品。每個交通信號燈使用 12 到 18
個 Luxeon 發光體，這些 ? 品安裝在全球各地的交通叉口
上。這些交通信號燈一天 24 小時、一周 7 天地連續工作。
目前，幾乎所有返修的交通信號 ? 品都是因 ? 雨水侵入了
塑膠外殼。從 Lumileds 交通信號燈的 ? 品返修情況可以看
出， LED 故障幾乎都是因 ? 雨水侵入導致 LED 陣列板短路
或電氣驅動電路發生故障而造成的。基於這個事實， Luxeon
的 MTTF 極有可能超過 100 M 到 1000 M 的設備小時數。在
評估故障率時，建議暫時使用「在接合點溫度 ? 80 ℃ 時，
MTTF ? 100 M 設備小時數」作 ? 這方面的指標，直到有新
的資料出來。
評估不同溫度下的故障率
多數情況下都需要根據在現有接合點溫度下測得的故障率而
使用新的接合點溫度評估故障率。例如， Lumileds 通常會在
最高的接合點溫度下測量故障率，而用戶可能想瞭解常見操
作條件下的故障率。使用如下所示的阿列紐斯模型可以進行
這種計算：
其中：
λ 1 = 接合點溫度 ? T1 時的故障率
λ 2 = 接合點溫度 ? T2 時的故障率
EA = 活化能，單位 ? 電子伏特 (eV)
k = 玻耳茲曼常數 (8.617 x 10-5 eV/ ° K)
T = 接合點溫度，單位 ° K ( ° K = ℃ + 273)
Lumileds 沒有確定 Luxeon 的活化能，但過去曾使用 0.43 eV
作 ? 活化能的 值 。 0.43 eV 是 MIL-HDBK-217C 對混合式半
導體的互連接故障推薦的活化能 值 。根據我們目前的瞭解，
0.43 eV 是最佳的活化能 值 。在這種模型下，故障率和 MTTF
在較高的接合點溫度下將惡化。讀者要瞭解有關阿列紐斯模
型的附加資訊說明，請參考下述文章：（「可靠性工程和管
理手冊」， Ireson 、 Coombs 和 Moss 著， 1996 年）。 3