JP2014236156A

JP2014236156A - 半導体発光素子の寿命診断方法

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Publication number: JP2014236156A
Application number: JP2013118095A
Authority: JP
Inventors: 雄一角本; Yuichi Kakumoto; 村上　和也; Kazuya Murakami; 和也村上; 佐藤　進; Susumu Sato; 佐藤　　進
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2014-12-15

Abstract

【課題】製品運用中に実施できる電気特性を利用した簡易で定量的な劣化診断方法を提供する。
【解決手段】半導体発光素子の寿命診断方法であって、寿命診断の対象とする半導体発光素子を複数個用意し、複数のグループに分ける工程Ｓ１，Ｓ２と、グループ分けされた半導体発光素子に対して、実運用環境よりも高くグループ毎に異なる温度で加速試験を行う工程Ｓ３と、加速試験後の半導体発光素子に対して、光量変化とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の特性を取得する工程Ｓ４と、光量変化とΔＴｊとの相関から近似直線の回帰式を導出する工程Ｓ５と、回帰式から光量変化に対応するΔＴｊの閾値を算出する工程Ｓ６と、実運用中における半導体発光素子に対してΔＴｊを測定し、このΔＴｊと閾値との関係から半導体発光素子の余剰寿命を診断する工程Ｓ７，Ｓ８と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子の余剰寿命を診断するための寿命診断方法に関する。

近年、産業機器における照明又はセンサ信号の伝搬用として、発光ダイオード（ＬＥＤ）が多用されている。ＬＥＤは、省エネ、長寿命、小型、高い発光効率といった優れた特徴を有しているが、動作時間に伴う使用材料の劣化などにより、光量が減衰していく。そのため、製品に採用する際の信頼性試験により寿命推定を実施し、品質の確認を行うことが必要となる。

ＬＥＤの信頼性試験を行うには、光量が動作時間に対して指数関数的に減少する特性を利用する。即ち、実使用温度よりも高い温度におけるＬＥＤの寿命と定義されている光量が５０％減衰する時間データを取り、アレニウスプロットにより実使用温度での光量が減衰する時間特性を推定する。さらに、半導体発光素子の信頼性試験は長期に及ぶため、評価期間の短縮やサンプル数の低減に関する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３０４０８８号公報

しかしながら、現地での想定できない使用状況や環境により、ＬＥＤの劣化故障が促進されることも考えられる。このような場合は、部品採用時に実施した寿命推定年数とは異なる短期間での劣化故障となり得る。実運用状態における光量の測定ができればよいが、実装形態上の問題や測定時間を考慮すると、現地診断には不向きである。ＬＥＤにおいて実運用中の劣化診断は、定期検査時における目視検査程度であり、劣化の兆候を掴み難くトラブルの未然防止策がなされていないのが現状である。

発明が解決しようとする課題は、実運用状態であっても光量の測定を要することなしに半導体発光素子の寿命を精度良く診断することができる半導体発光素子の寿命診断方法を提供することである。

実施形態の半導体発光素子の寿命診断方法は、寿命診断の対象とする半導体発光素子を複数個用意する工程と、前記半導体発光素子を複数のグループに分ける工程と、前記グループ分けされた前記半導体発光素子に対して、実運用環境よりも高い温度で、且つ前記グループ毎に異なる温度で加速試験を行う工程と、前記加速試験が行われた前記半導体発光素子に対して、光量変化の特性とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の特性を取得する工程と、前記加速試験毎の光量変化とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）との相関から近似直線の回帰式を導出する工程と、前記回帰式から光量変化に対応するジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の閾値を算出する工程と、実運用中における半導体発光素子に対し、ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を測定し、このΔＴｊを指標として該半導体発光素子の余剰寿命を診断する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、光量変化とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）との相関から近似直線の回帰式を導出し、この回帰式から光量変化に対応するジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の閾値を算出しておくことにより、実運用中における半導体発光素子に対し、ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を測定することにより、このΔＴｊを指標として半導体発光素子の余剰寿命を診断することができる。従って、実運用状態であっても光量の測定を要することなしに半導体発光素子の寿命を精度良く診断することができる。

本発明の一実施形態に係わる半導体発光素子の寿命診断方法の操作手順を説明するための図。同実施形態に用いたＬＥＤの基本構成を示す断面図。対象ＬＥＤの順電圧の温度依存を示す特性図。ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）と光量変化との関係を示す特性図。動作時間とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）との関係を示す特性図。

以下、実施形態に係わる半導体発光素子の寿命診断方法を、図面を参照して説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係わる半導体発光素子の寿命診断方法の手順を示す図である。

まず、劣化診断の対象とするＬＥＤ（半導体発光素子）を複数個用意する（ステップＳ１）。本実施形態において用意する試験品は、同一の型式のＬＥＤとする。

試験品は、図２に示すように一般的な砲弾型ＬＥＤである。即ち、ＬＥＤチップ１１が２本のリードフレーム１２の一方の上に搭載され、リードフレーム１２の他方とＬＥＤチップの上部電極とがＡｕ線１３により接続されている。そして、ＬＥＤチップ１１は透明のエポキシ樹脂１４により被覆され、外形が砲弾型となっている。なお、試験品は砲弾型ＬＥＤに代えて、基板上に素子を実装する表面実装型ＬＥＤを適用してもよい。

Ｓ１で劣化診断の対象とするＬＥＤを用意したら、実施する加速試験毎のグループに分ける（ステップＳ２）。本実施形態においては、実施する加速試験をｍ（ｍ≧３）とし、Ｓ１で用意する試料をＮ（Ｎ≧１０ｍ）と設定する。図１は、例えば加速試験ｍ＝３とし、実運用環境よりも高い温度での通電試験を３種類実施した場合を示している。１試験当たり複数個の試料を用いることで、より精度の高い劣化診断が可能となる。

Ｓ２で加速試験毎に試料を分けたら、実運用環境よりも高い温度での加速試験を実施する（ステップＳ３）。実運用環境よりも高い温度とは、例えば８０℃，９０℃，１００℃である。この加速試験は、恒温槽を用いた連続通電試験とする。複数の加速試験を実施することで、より精度の高い劣化診断が可能となる。

Ｓ３の加速試験を実施したら、ＬＥＤの光量変化の特性とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の特性を取得する（ステップＳ４）。ここで、Ｓ３とＳ４は一定時間毎に数回繰り返し、合計１０００時間以上の加速試験となるようにする。本実施形態では、２５０時間毎の測定間隔を設けた場合である。光量特性については、室温環境下で実運用状態を模擬できる定格電流を印加して測定を行う。ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）については、順電圧特性から推定したジャンクション温度（Ｔｊ）からモニタリングした室内環境温度を差し引くことで算出する。

具体的には、ＬＥＤの順電圧の温度依存性が、チップの自己発熱を無視できる順電流領域では直線的になることを利用し、恒温槽を用いて制御した周囲温度毎に順電圧値を測定していく。本実施形態における順電圧の温度依存性を、図３に示す。本実施形態では、１ｍＡの順電流により計測している。

ジャンクション温度は、図３に示す順電圧の温度特性から推定する。推定方法としては、対象ＬＥＤに室温環境下で実運用状態を模擬できる定格電流を印加した熱平衡状態から順電流を１ｍＡに切り替えた時の順電圧を測定し、図３の特性結果からジャンクション温度（Ｔｊ）を推定する。このときの温度と室温との差がジャンクション温度変化（ΔＴｊ）である。室内環境温度は温度プローブを用いて測定する。また、上記の熱平衡状態における光量をパワーメータ等により測定しておく。

光量特性とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の特性を計測したら、図４に示すように、加速試験毎の光量変化とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の相関結果を一纏めとし、プロット結果における近似直線の回帰式を導出する（ステップＳ５）。ここで、１つの試料に対して経過時間２５０ｈ，５００ｈ，７５０ｈ，１０００ｈでの加速試験を行い、各々の試験毎にΔＴｊを測定する。そして、第１グループの加速試験における温度を８０℃、第２グループを９０℃、第３グループを１００℃とし、第１グループの測定結果を□印、第２グループを△印、第３グループを○印で示している。また、光量特性は、初期状態の光量を１とし、熱平衡状態における光量をパワーメータ等により測定した値を初期状態からの変化率で示している。

次いで、Ｓ５で得られた回帰式から、ＬＥＤの寿命と定義されている光量５０％減衰時に対応するジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の閾値を算出する（ステップＳ６）。

ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の閾値を算出したら、実運用中の製品におけるＬＥＤのジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を測定する（ステップＳ７）。そして、ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を劣化指標として劣化診断を実施する（ステップＳ８）。この劣化診断は、例えば製品の定期点検時などに実施するのが望ましい。

図５に、ＬＥＤの劣化診断に用いるΔＴｊの動作時間依存性を示す。前記図４に示すように、光量変化とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）とが線形近似できるため、ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）と動作時間との関係は、動作時間に対して光量特性が指数関数的に減少することを考慮すると、動作時間に対してジャンクション温度（ΔＴｊ）が指数関数的に増加する特性となる。

従って、図５の特性を利用し、現地での余寿命年数を推定することが可能となる。即ち、先に説明したのと同様にして、実運用中のＬＥＤのジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を測定する。このΔＴｊから、図５に示す特性を基に余寿命年数を算出する。

なお、図５に示す特性は、ＬＥＤの使用環境によって変わるが、ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）が動作時間に指数関数的に上昇するのは同じである。従って、使用環境に合わせて図５の特性を予め求めておくことにより、実運用中のＬＥＤのΔＴｊを求めるだけで正確な診断が可能となる。

上記の工程により、電気的な入力におけるＬＥＤのエネルギー収支に着目し、劣化指標である光量の変化を発光部のジャンクション温度の変化に代替する診断方法を実現することができる。このため、実運用状態における光量の測定ができない場合であっても、ＬＥＤの寿命診断を行うことが可能となる。

このように本実施形態施によれば、ＬＥＤの劣化指標である光量をジャンクション温度の変化に代替することで、光量を測定せずとも、ＬＥＤの光量が減衰する時間特性を高精度に検知することできる。従って、製品が実運用中であっても容易に定量的な診断が可能となる。

また、複数のＬＥＤをグループ分けし、異なる条件で加速試験を行うことにより、前記図４に示した光量変化とΔＴｊとの関係をより正確に求めることができる。これは、寿命診断の精度向上に寄与することとなる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

実施形態では、半導体発光素子として砲弾型ＬＥＤを例に説明したが、これに限らず各種のＬＥＤに適用することができる。さらに、必ずしもＬＥＤに限らず、光量が動作時間に対して指数関数的に減少する特性を有する発光素子であれば適用でき、例えば半導体レーザ（ＬＤ）に適用することも可能である。

加速試験の温度条件は必ずしも３種類に限るものではなく、２種類でも良く、４種類以上であっても良い。種類が多いほど多くのデータが得られることから、前記図４に示す近似直線の回帰式を得るのに十分なデータが得られる数に選択すればよい。さらに、加速試験における温度，経過時間等の条件は適宜変更可能である。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…ＬＥＤチップ
１２…電極リード
１３…Ａｕ線
１４…エポキシ樹脂

Claims

寿命診断の対象とする半導体発光素子を複数個用意する工程と、
前記半導体発光素子を複数のグループに分ける工程と、
前記グループ分けされた前記半導体発光素子に対して、実運用環境よりも高い温度で、且つ前記グループ毎に異なる温度で加速試験を行う工程と、
前記加速試験が行われた前記半導体発光素子に対して、光量変化の特性とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の特性を取得する工程と、
前記加速試験毎の光量変化とジャンクション温度変化（ΔＴｊ）との相関から近似直線の回帰式を導出する工程と、
前記回帰式から、前記半導体発光素子の光量変化に対応するジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の閾値を算出する工程と、
実運用中における半導体発光素子に対して、ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を測定し、このジャンクション温度変化（ΔＴｊ）と前記閾値との関係から該半導体発光素子の余剰寿命を診断する工程と、
を含むことを特徴とする半導体発光素子の寿命診断方法。
前記半導体発光素子を複数個用意する工程として、同一の型式の発光ダイオードを用意することを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子の寿命診断方法。
前記半導体発光素子をグループ分けする工程として、前記半導体発光素子が１つの加速試験当たり１０個以上となるように分けることを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子の寿命診断方法。
前記加速試験を行う工程として、３種類以上の異なる劣化条件となるように実施することを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子の寿命診断方法。
前記光量変化の特性と前記ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の特性を取得する工程として、室温環境下で実運用状態を模擬できる定格電流を印加して特性を計測することを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子の寿命診断方法。
前記ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の特性を取得する工程は、
定格電流を印加した熱平衡状態から自己発熱を無視できる順電流領域の電流に切り替えた時の順電圧を測定し、
この順電圧から自己発熱を無視できる順電流領域における順電圧の温度依存性を基にジャンクション温度を算出し、
前記算出したジャンクション温度から実運用環境の温度を減算することによりジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を算出することを特徴とする、請求項５記載の半導体発光素子の寿命診断方法。
前記ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）の閾値を算出する工程として、半導体発光素子の寿命と定義されている光量５０％減衰時に対応するジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を算出することを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子の寿命診断方法。
前記ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）が動作時間に対して指数関数的に増加する特性であることを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子の寿命診断方法。
前記半導体発光素子の余剰寿命を診断する工程は、
前記半導体発光素子における動作時間と前記ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）との関係式を予め求めておき、実運用中における半導体発光素子に対し、ジャンクション温度変化（ΔＴｊ）を測定し、この測定値を基に前記関係式から該半導体発光素子の余剰寿命を診断することを特徴とする、請求項８に記載の半導体発光素子の寿命診断方法。