형광체 변환 고출력 백색 LED 패키지의 가속 열화 스트레스
천성일1,2·장중순2,†
전자부품연구원 신뢰성물리연구센터, 아주대학교 산업공학과
Accelerated Degradation Stress of High Power Phosphor Converted LED Package
SungIl Chan1,2 and JoongSoon Jang2,†
1Reliability Physics Research Center, Korea Electronic Technology Institute, 68 Yatap-dong, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do 463-816, Korea
2Division of Industrial and Information System Engineering, Ajou University, San 4, Woncheon-dong, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 443-749, Korea
(2010년 10월 6일 접수: 2010년 11월 23일 게재 확정)
초 록: 포화 수증기압이 고출력 형광체 변환 백색 LED 패키지의 열화현상에 미치는 주요 스트레스 인자임을 확인하 였다. 또한 LED 패키지의 가속 수명시험을 통하여 포화 수증기압이 효과적인 가속 스트레스 인자임을 확인하였다. 실험 조건은 350 mA 전류를 인가한 것과 인가하지 않은 2가지 조건에 대해 121oC, 100% R.H. 환경에서 최대 168 시간동안 진행하였다. 실험결과 두 실험 모두 광 출력 감소, 스펙트럼 세기의 감소, 누설전류 및 열 저항이 증가하였다. 고장분석 결과 광 특성의 열화는 봉지재의 변색과 기포에 의해 발생한 것으로 나타났다. LED 패키지의 변색과 흡습에 의해 유발 되는 기계적 (hygro-mechanical) 스트레스에 의한 기포 발생은 패키지 열화의 중요한 인자로써, 포화 수증기압이 고출력 LED의 수명시험 시간을 단축하기 위한 스트레스 인자로 적합함을 알 수 있었다.
Abstract: We found that saturated water vapor pressure is the most dominant stress factor for the degradation phenomenon in the package for high-power phosphor-converted white light emitting diode (high power LED). Also, we proved that saturated water vapor pressure is effective acceleration stress of LED package degradation from an acceleration life test. Test conditions were 121oC, 100% R.H., and max. 168 h storage with and without 350 mA. The accelerating tests in both conditions cause optical power loss, reduction of spectrum intensity, device leakage current, and thermal resistance in the package. Also, dark brown color and pore induced by hygro-mechanical stress partially contribute to the degradation of LED package. From these results, we have known that the saturated water vapor pressure stress is adequate as the acceleration stress for shortening life test time of LED packages.
Keywords: LED, Degradation, Stress factor
1. 서 론
고출력 형광체변환 백색 LED (이하 고출력 LED)는 친 환경성과 장수명 그리고 높은 효율 등의 장점으로 차세 대 조명으로 각광받고 있다. 따라서 그 응용범위는 실내 조명으로 부터 옥외 가로등, 자동차 및 해양, 심해 (undersea) 조명 등으로 확장되고 있다.1)현재 활용이 높 은 고출력 (구동전류 350 mA 이상) LED는 청색 LED를 여기 광으로 사용하고 황색 형광체 (phosphor)를 접목하 여 백색을 구현하는 방식이다. 백색광 특성 및 수명에 중 요한 영향을 미치는 형광체와 폴리머 (polymer) 재료를 사용하는 봉지재 (encapsulating material)는 온도와 습기 에 의해 열화가 발생한다. 이러한 현상은 고출력 LED 패
키지의 목표수명을 만족하지 못하는 주요 장애 요인으로 서 작용한다. 그러나 현재까지 고출력 LED 패키지의 신 뢰성 평가를 위하여 습도, 온도 및 전류를 스트레스로 사 용한 가속시험에 대해서는 많은 연구가 진행되고 있지 않 은 실정이다.
따라서 본 연구에서는 주어진 온도에서 최대 수증기가 LED 패키지에 포화될 수 있도록 포화 수증기압을 이용 한 가속시험을 진행하였다. 본 시험의 장점은 시험조의 수증기압을 고출력 LED 패키지 내부보다 상승시켜 습기 를 부품 내부까지 가속으로 흡습시키는 시험으로써, 시 험시간을 단축할 수 있는 시험방법이다. 또한 기존 장시 간이 소요되는 가속시험 방법과의 고장 메카니즘에 대한 비교, 검증을 위해 열 저항 (thermal resistance)과 같은 전
†Corresponding author E-mail: [email protected]
기적 특성 측정 및 광학현미경 분석 등을 이용하여 패키 지 열화에 대한 분석을 실시하였다. 이러한 실험결과를 바탕으로 고출력 LED 패키지의 실험시간 단축을 위한 가속수명 검증방안을 제시하였다.
2. 실험방법
고출력 LED 패키지 가속 열화특성 해석을 위한 가속 시험에 인가전력 1 W급 표면실장형 (surface mount device, SMD) 백색 LED 패키지를 사용하였다. 패키징 형 태는 세라믹 패키지이며, 열 저항 값이 8oC/W인 부품을 사용하였다. 세라믹 패키지의 장점은 세라믹 소재를 패 지키 재료로 사용함으로써 기존 플라스틱 소재에 비해 방 열이 우수하며, LED 칩과 유사한 열팽창계수를 가지고 있어 장시간 신뢰성이 우수하다. 일반적으로 세라믹 패 키지의 열방출 효과를 향상시키기 위해 칩 하단부에 방 열용 비아 홀 (thermal via hole)을 형성하거나 금속물질 (heat slug)을 부착한다. 본 실험에 사용된 LED 패키지는 칩과 패키지가 비아 홀로 연결되어 있어 칩의 발열을 효 과적으로 방출할 수 있는 구조를 가지고 있다.
LED 칩의 패키징 공정은 LED 칩을 패키지 내부에 실 장한 후 폴리머 재료를 이용하여 밀봉하는 공정으로 이 루어진다. 세부적인 패키징 공정으로는 LED 칩을 부착 하는 다이 본딩 (die bonding), 칩과 리드프레임을 전기적 으로 연결하는 와이어 본딩 (wire bonding), 그리고 실리콘 또는 에폭시 재료로 발광부의 외부를 몰딩 (encapsulation) 하는 공정으로 이루어진다. 열 방출과 관련이 밀접한 다 이 본딩 공정은 열 전달특성이 우수한 은 (Ag) 분말이 함 유된 페이스트 (paste) 형태가 일반적으로 사용되고 있다.
고출력 LED 패키지의 단면 구조는 Fig. 1과 같으며, 봉지 재와 혼합된 형광체를 사용하고 있다.2)본 실험에 사용된 LED 패키지는 두께 1.0 mm의 AlN (aluminium nitride) 기 판이 사용되었으며, Au 와이어를 사용하여 와이어 본딩 된 상용 LED 패키지를 사용하였다.
포화 수증기압 (saturated water vapor pressure, SWVP)시 험은 환경시험 조 내부의 수증기압을 이용하여 습기를 부
품 내부까지 가속하여 흡습되도록 하는 가속시험 방법이 다. 실험은 2가지 조건으로 진행하였으며, 실험조건은 Table 1과 같이 전류를 인가하지 않는 저장시험 (storage test)과 350 mA 전류를 인가하는 동작시험을 121oC, 100%
의 상대습도 조건에서 최대 168시간 동안 진행하였다. 실 험 후 두 실험에서 발생된 LED 패키지의 열화현상을 비 교 분석 하였다. 고장에 대한 판단기준은 반도체조명위원 회 (ASSIST)에서 제안하는 LED 조명의 사용기준을 적용 하여 초기 광속 (luminous flux) 값의 70% 이하를 고장으 로 판단하였다.3) LED 패키지의 고장판정을 위해 중간 및 최종 측정방법으로 광 출력, 전기적 특성 및 열 저항 값을 측정하였다. 측정 결과에 대한 엄격도 및 오찰 범위를 최 소화하기 위해 시험조에서 반출한 후 24시간 이내에 측정 하였다. 광 출력과 열 저항의 측정은 각각 LED 특성측정 시스템 (T3Ster, MicRed Ltd)과 반도체 특성측정 시스템 (Keithley 4200)을 사용하였다. 열 저항은 순방향 전압과 졍션 온도의 비인 K factor로 정의되며, 실시간 열 저항 변 화를 측정하여 누적된 값으로 평가한다. K factor는 이상 적인 p-n 접합상태에서 순방향전류를 인가하였을 때 순방 향 전압과 온도와의 비례계수로 표현되며, p-n 접합의 종 류에 따라 일정한 값을 나타내기 때문에 온도감응계수 (temperature sensitivity parameter, TSP)라고도 한다. 측정방 법으로는 패키지를 가열 후 냉각하며 측정하거나 또는 온 도를 상승시키며 측정한다. 본 연구에서는 LED 패키지 소 자특성을 고려하여 냉각과정으로부터 측정하였다. 본 실 험에서 K factor의 측정은 칩의 접합부 온도변화를 측정하 였으며, RC 네트워크 이론을 기초로 시간에 따른 순방향 바이어스 전압의 변화를 측정하여 비교하였다. 또한 가속 시험 중 전류 인가시 발생되는 샘플의 온도 상승을 억제
Fig. 1. Schematic cross-sectional structure of high power LED package with phosphor incorporated in the encapsulating material.2)
Table 1. Accelerated test conditions(saturated water vapor pressure) and failure criteria
sample Test condition Failure criteria Group A
121oC-100
%R.H.
No bias 30% luminous reduction
(L70%)
Group B 350 mA applied
Fig. 2. Photograph of aluminium heat-sink for heat dissipation of high power LED package.
하기 위해 Fig. 2와 같이 250×50×65 mm 크기의 알루미늄 (Al) 방열판을 사용하였다.
3. 결과 및 고찰
Table 2는 LED 패키지의 가속시험 방법에 따른 고장
메카니즘에 대하여 본 연구 결과와 타 연구 결과에 대한 비교 결과이다. 본 실험 결과에서 나타난 스펙트럼 강도 의 감소 및 누설전류와 열 저항의 증가가 다른 실험에서 진행된 타 연구결과와 동일하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로 볼 때, 포화 수증기압시험이 기존의 장시간 시험에 소요되던 고온저장, 전류가속, 고온·전 류가속시험, 고온·습도가속시험과 모두 동일한 고장 유 형을 나타내는 것으로 유추된다. 또한 이러한 고장 유형 이 동일하다면, 기존의 시험방법을 포화 수증기압시험에 의해 가속시험 방법으로 검증할 수 있었으며, 이것은 결 국 LED 패키지의 열화현상을 평가하기 위한 시험시간의 단축을 의미한다. 보다 자세한 항목별 열화해석 결과는 다음 절에 나타내었다.
3.1. 광속 열화
고출력 LED의 수명 단축의 주요 고장 부위와 고장 메 카니즘은 LED 패키지 칩의 성능열화보다 형광체, 봉지재 및 렌즈 열화에 의한 변색과 기포 등의 생성에 의해 발생 된다.4)이에 대한 연구결과는 다음의 Table 3과 같다.4-10) 그러나 현재까지 고출력 LED 패키지의 가속수명평가는 패키지 내부의 칩 (chip)에 전류와 온도를 인가하는 실험 을 대부분 적용하고 있어, 실제 패키지 초기 열화 메카니 즘과 일치하지 않는 실험방법이 적용되고 있다.
Meneghini 등5)과 Buso 등6)은 펄스 구동전류와 전류가 속을 통한 광 출력의 감소 특성에 대해 연구하였다. 그 결 과 30% 이하의 펄스 구동전류는 DC 구동전류 보다 높은
광 출력 감소를 나타내며, 전류가속시험에서는 순방향 전 류 증가 특성을 확인할 수 있었다. 강 등4)에 의한 LED 칩 의 열화특성 검토를 위한 메탈 (metal) 패키지 적용 스트 레스 시험결과 패키지의 영향을 배제한 LED 칩에 의한 열화는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. Trevisanello 등7)은 전류 및 온도 가속시험과 온도조건을 가속한 고온 저장시험 결과를 비교하였으며 그 결과, 두 조건 모두에 서 형광체 탄화 (carbonization)에 기인한 광 출력 감소가 나타난 것을 관찰할 수 있었다. Tsai 등8)은 고온 (150oC) 스트레스 시험에서의 형광체 (YAG)와 봉지재 (silicon)에 대한 열화 특성을 연구하였다. 고온 스트레스에서의 형 광체와 봉지재의 특성열화를 확인 하였으며, 특히 광 출 력 손실은 형광체 농도 (concentration)에 따라 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. Tan 등9)은 IPC/JEDEC 기준 의 85oC, 85% R.H. 조건에서 515시간 시험을 실시하여 LED 칩과 형광체 열화에 의한 광 출력 및 스펙트럼의 변 화를 확인하였다. Luo 등10)은 습기에 의한 패키지 내구성 시험을 실시하였다. 25oC, 60% R.H. 조건에서 37일 보관 과 순수 (pure water) 99oC와 85oC에서 각각 120시간 침지 하여 총 1008시간의 시험을 실시하였다. 그 결과 특정시 료에서 광속의 20% 이상 손실과 패키지 내부의 기포
(bubble)를 관찰하였다. 이러한 선행 연구결과를 보면, 고
출력 LED 패키지의 주요 고장 메카니즘은 패키지 내부 의 칩 열화보다는 봉지재 및 형광체 열화에 의한 광 출력 감소가 지배적임을 알 수 있다.
광 출력의 열화현상은 시간에 따른 광속 (luminous flux)의 감소와 색좌표 (chromatic diagram) 특성 열화로 나타난다. LED 칩의 열화발생은 활성영역 (active region) 의 비발광성 재결합 증가에 의한 양자 효율 (quantum efficiency)에 기인한다. p-GaN 성장시 마그네슘 (Mg)과 수소 (H)의 복합체 (complexes) 형성에 의해 높은 절연 특 성을 가지며 발열을 발생하여 발광효율을 감소한다.11)패 Table 2. Comparison of acceleration test method between a saturated water vapor pressure test and others
Aging type Failure mechanism Lumen
reduction
Spectrum intensity
I-V characteristics
Thermal resistance Saturated water
vapor pressure
Storage Pore/discoloration of package Yes Decrease Leakage current increase
-
Operating Carbonization of package Yes Decrease Increase
High temp. storage6)
Discoloration of package due to the carbonization
Yes Decrease Voltage increase -
Accelerated current4) Yes Decrease Leakage
current increase
-
High temp. / current5) Yes Decrease Increase
High temp. / humidity8) bubble of package Yes Decrease -
Table 3. Accelerated test conditions and failure criteria of high power LED package
Failure site Failure criteria Failure Mode Failure mechanism
Phosphor Encapsulant
Lens
Lumen depreciation (L70%)
· Lumen depreciation
· Chromatic diagram shift
· Spectrum intensity reduction
· Carbonization of the package
· Crack and Yellowing of the package
· Bubble of the lens
키지 내부의 접합공정에서 취약한 열 관리는 접합공정 온 도를 빠르게 상승시키며, 열 피로 (thermal fatigue)와 형 광체 변환효율 감소를 유발한다. 그리고 높은 접합온도 와 발광 파장은 봉지재 및 형광체의 탄화 (carbonization) 를 발생하여 광속의 고장을 가속시킨다.12) LED 패키지의 저장시험과 동작시험 후 광 출력 열화는 Table 4와 같다.
저장시험 96시간 후 22.6%, 168시간 후 29.8%의 광 출력 감소가 발생하였다. 동작시험 경우 광속 열화는 저장시 험보다 빠르게 발생하였으며 48시간 후 47%, 96시간 후 76% 감소하였다. 본 실험 결과에 대한 가속시험 결과의 유 효성 검증을 위해 유사 샘플을 사용한 타 연구결과 (60oC, 95% R.H. @ 200 mA, 500 h)와 비교한 결과 열화특성 변 화가 동일함을 확인할 수 있었다.13)결국, 포화수증기압 조건에서의 광속은 기존 고온, 고습 가속시험보다 빠른 열화가 발생하는 것으로 나타났으며, 동일한 시험 시간 내에서 동작시험의 광속 감소는 저장시험의 3.4배 높은 것으로 나타났다.
3.2. 스펙트럼 강도 열화
Narendran 등14)은 광 출력의 급속한 열화 메카니즘으로 p-n 접합의 높은 열과 짧은 파장 (short wave)의 발광 등에 의한 봉지재의 황색 변색 (yellowing)으로 규정 하였다. 따 라서 p-n 접합에서의 열은 백색 LED 수명을 결정하는 중 요한 인자임을 알 수 있다. 백색 LED 패키지의 제조방법 에서 가장 많이 활용되는 방법은 청색 단일 칩 위에 형광 물질을 도포하여 백색의 발광 색을 얻는 방법이다. 이 방 법은 구조가 간단하여 제조원가를 절감하고 높은 발광효 율을 추출할 수 있는 장점을 가지고 있다. 형광 물질은 외 부로부터 에너지를 흡수하여 고유의 가시광선을 발생하 는 물질로 합성된 발광 물질로써, 모재와 그 안에 혼입된 활성제로 구성되어 있으며, 활성제가 발광과정에 관여하 는 에너지 준위들을 결정하여 서로 다른 빛을 방출하게 한다.15)일반적으로 고출력 LED는 LED 칩의 청색파장 (455 nm)과 형광체에 의해 변화된 노랑파장 (560 nm)를 중심으로 적색(700 nm) 까지 넓은 파장범위에서 발광한
다. Tan 등9)의 연구결과에 의하면 패키지 열화에 의한 스 펙트럼 감소는 형광체 변환파장이 청색 파장 보다 빠르 게 감소함을 알 수 있다. 또한 Meneghini 등16)의 연구결 과에서도 형광체관련 노랑색 파장의 감소와 광 출력의 감 소가 밀접한 상관관계가 있음을 알 수 있다. Fig. 3과 Fig.
Table 4. Comparison of optical output degradation in the saturated water vapor phase test with aging time.
Test conditions 60oC-95% R.H. 200 mA14) 121oC-100% R.H. No bias 121oC-100% R.H. 350 mA applied
Aging time(h) 500 96 168 48 96
Mean values of
luminous flux reduction(%) 9.3 22.6 29.8 47.0 76.0
Table 5. Comparison of spectrum intensity reduction between storage and operation aging test
Test conditions 121oC-100% R.H. No bias 121oC-100% R.H. 350 mA applied
Wavelength (nm) 455 560 455 560
Mean values of lumen reduction (%)
48h - - 36 50
96h 43 58 62 75
168h 79 78 - -
Fig. 3. Spectrum intensity variation after the non-bias storage aging test with saturated water vapor pressure(SWVP) test time.
Fig. 4. Spectrum intensity variation after the biased operation aging test with saturated water vapor pressure(SWVP) test time.
4는 시험 후 LED 패키지의 스펙트럼 강도변화를 측정한 결과이다. 저장시험과 동작시험 후 Table 5와 같이 형광 체 변환 파장의 감소가 청색 파장보다 급격히 감하는 것 을 관찰할 수 있었다. 이러한 파장의 변화는 앞서 언급한 것과 같이 형광체 열화에 의해 기인한 것으로 판단되며, 형광체 열화에 대한 분석결과는 3.4절에서 언급하였다. 따 라서 저장시험과 동작시험에서 형광체 변환 스펙트럼의 강도 열화가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또 한 이러한 형광체관련 노랑색 파장의 감소는 광속 감소 와 강한 상관관계가 있음을 알 수 있다.
3.3. LED 패키지의 I-V 특성 열화
광 출력 감소는 LED 칩의 열화와 패키지의 열화에 의 해 발생한다. LED의 다이오드 특성곡선 (이하 I-V 특성) 의 변화는 LED 칩의 열화를 의미한다.17) 누설전류 (leakage current)의 증가는 다중 양자 우물 (multi-quantum well, MQW)의 터널링 (tunnelling) 전류로 판단할 수 있다.
이러한 현상은 LED 칩 내부의 전위 (dislocation) 등과 같 은 결함에 의해 발생한다.18)저장시험과 동작시험에서의 I-V 특성 측정 결과는 Fig. 5와 Fig. 6과 같다. 순방향 I-V 곡선에서 미세 전류의 증가에 따른 1 Ω의 저항 감소를 확 인 할 수 있었다. Buso 등6)의 인가전류 값을 증가시키는
전류 가속시험에 대한 연구 결과, 고출력 LED 패키지의 등가 직렬 저항 (equivalent series resistance)의 감소가 발생 하였다. 그러나 Meneghini 등16)의 고온저장 (200oC, 100 h) 시험 결과에서 저항의 증가 현상이 나타났으며, 이 현상 의 원인은 LED 칩 또는 칩 또는 리드 와이어의 접촉 특성 열화에 의해 발생되는 것으로 나타났다. 본 연구의 저장 시험과 동작시험에 대한 I-V 특성은 이러한 전류 가속 실 험 결과와 유사한 것으로 보아 고온저장 실험에 의한 고 출력 LED의 열화 메카니즘이 전류를 인가하지 않은 저장 시험과는 서로 다른 고장 메카니즘임을 알 수 있었다.
3.4. 패키지 재료의 열화
외부 온도의 증가 또는 고출력 LED 동작 중 발생하는 접합부위의 온도와 습기는 형광체와 봉지재의 열화를 유 발한다. 이러한 패키지 재료의 열화는 광 출력 및 스펙트 럼 강도 감소 등과 같은 광 특성의 고장을 유발하게 된다.
Trevisanello 등7)은 고출력 패키지의 변색에 대하여 두 가 지로 구분하였다. 첫 번째는 전원을 인가하지 않은 고온 상태에서의 패키지의 변색은 균일하게 변색되며, 칩 주 위의 형광체의 변색에 의해 갈색 (browning)으로 변화되 는 것이다. 두 번째는 전원인가에 의한 패키지의 변색은 양극 전극 (anode electrode) 부위의 변색이 음극 전극 Fig. 5. I-V characteristics after the non-biased storage aging test
with saturated water vapor pressure(SWVP) test time.
Fig. 6. I-V characteristics after the biased operation aging test with saturated water vapor pressure(SWVP) test time.
Fig. 7. Optical micrographs of the encapsulation materials under operation aging test: (a) before, (b) 48 h aging, and (c) 96 h aging with 350 mA.
(cathode electrode) 보다 짙은 갈색으로 변색되는 것이다.
본 실험 결과에서도 동작시험 후 LED 패키지의 변색에 대한 광학현미경 분석 결과 Fig. 7과 같이 LED 칩 윗부 분이 짙은 갈색으로 변색되는 것을 확인할 수 있었다. 그 러나 전원을 인가하지 않은 저장시험에서는 Fig. 8과 같이 칩 위 쪽 부분의 변색 보다는 패키지의 혼탁도 (murk)가 높아 보였으며 패키지의 흡습과 팽창 (hydro-mechanical stress)에 의한 미세 기포가 생성된 것을 관찰할 수 있었다.
이러한 변색 현상은 패키지 칩의 열화보다는 칩의 발열 또는 동작 중 발생된 열에 의해 형광체나 봉지재와 같은 패키지 재료의 열화에 의해 변색이 발생되며, 이로 인해 LED 패키지의 광속 열화가 나타남을 알 수 있다. 또한 동 작시험 96 h 후 고장 샘플에 대한 단면분석 결과 Fig. 9와 같이 형광체의 탄화 현상을 확인할 수 있었으며, LED 칩 위의 형광체와 봉지재가 농갈색 (dark brown)으로 변색된 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 봉지재 및 형광체의 변 색에 의한 광속열화는 패지 내부의 정션 (junction) 온도 상승에 기인한 고장으로 판단된다.
형광체에 대한 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM)과 energy dispersive spectroscopy (EDS) 분석 결과 활성제인 Eu (europium)와 Ba (baryum) 등의 성 분이 검출되어 실리케이트 (silicate)류의 형광체를 사용한
것으로 분석되었다.
3.5. 열 저항 열화해석
열 저항은 LED 접합에서 발생하는 열을 외부로 방출하 는 열 전달 능력을 표현하며, 식 (1)과 같이 정의된다.19) 여기서 Tj는 안정 상태에서의 접합부의 온도 (junction temperature)를 나타내며, Ta는 주변온도를, P는 고출력 LED에 인가되는 전기적 에너지를 의미한다.
(oC/W) (1)
본 연구에 사용된 고출력 LED 패키지의 열저항은 8oC/
Rθjx Tj–Tα ---P
=
Fig. 8. Optical micrographs of the encapsulation materials under storage aging: (a) before test, (b) 96 h aging, and (c) 168 h aging without bias.
Fig. 9. Optical micrographs of phosphor carbonization in encapsulation materials: (a) anode side and (b) cathode side before aging test, (c) anode side after aging 96 h and (d) cathode side after 96 h with 350 mA.
Fig. 10. SEM image and EDS results of (a) interest region of EDS analysis and (b) EDS analysis result of phosphor material.
W로, 식 (1)에 의해 121oC 동작 중 정션온도는 131oC로 계산된다. Busso 등4)의 연구결과에 의하면 고출력 LED 의 접합면의 온도는 120~180oC 사이로 LED 구조와 동작 조건에 따라 다르다. 최고 동작온도 (105~125oC) 보다 높 은 발열 온도임을 알 수 있다. 일반적으로 LED의 p-n 접 합 (junction)에서 발생되는 열은 LED 칩과 패키지 열화 의 중요한 요인이다. 특히 고출력 LED 패키지의 경우 소 비전력이 높아 발열에 대한 관리가 요구된다. 자체 발열 (self heating)된 열을 외부로 방출하지 못하면 LED 소자 의 온도가 상승하여 LED 칩의 광 효율을 감소시키는 원 인이 된다. 또한 열적 스트레스에 의한 패키지의 봉지재 및 형광체 재료의 열화에 따라 패키지 수명이 감소된다.
따라서 열 저항 (thermal resistance)은 패키지의 중요한 성 능 평가의 기준이다.
열 저항을 측정하는 방법으로는 전체 열 저항을 쉽게 구할 수 있는 K-factor 방법과 시간에 따른 순방향 바이 어스 전압 (forward bias voltage)의 변화에 따른 정션온도 의 변화를 측정하는 열전이 측정이 있다. 열전이 측정은 패키지의 내부 구조에 따라 열 저항의 합 (R)과 열용량의 합(C)으로 다음 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.20-22)
(2)
고출력 LED에 대한 동작시험 96 h 후의 열 저항을 측 정하였으며, 그 결과는 Fig. 11과 같다. 시험 후 LED 칩 의 접합부에서 0.89 K/W 증가가 발생하였으며, Fig. 11과 같이 칩에서 외부 방열판까지 총 3.3 K/W 열 저항이 증 가된 것으로 나타났다. 동작시험 후 수분 침투에 의해 칩 과 서브 마운트의 접합계면의 박리 (delamination) 또는 기공 (void)과 같은 고장발생에 의해 열 저항의 증가가 발 생한 것으로 판단된다.
5. 결 론
고출력 LED 패키지에 대한 포화 수증기압 스트레스에 의한 가속시험의 유효성 검토를 위하여 포화 수증기압시 험을 진행하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 무부하 저장시험과 전류를 인가한 동작시험 결과 형 광체 변환 파장의 급격한 감소는 기존 시험결과와 동일 하게 나타났으며, I-V 특성 비교 결과에서도 미세 전류 증가는 전류 가속시험 결과와 동일함을 확인하였다. 이 결과로부터 두 시험의 고장형태가 동일함을 확인할 수 있 었다.
2. LED 패키지에 사용된 형광체 및 봉지재의 변색은
포화 수증기압시험뿐 아니라 고온저장시험, 전류가속시 험 및 고온·전류 가속시험 모두 동일한 고장 메카니즘 임을 확인하였다. 또한 패키지 부품 열화에 의한 패키지 열 저항 증가는 고온·전류 가속시험의 결과와도 일치하 는 것으로 나타났다. 따라서 포화 수증기압 스트레스를 이용한 121oC, 100% R.H. 조건의 포화 수증기압 시험이 현재 사용되고 있는 장시간 수명시험 방법을 단축시킬 수 있는 새로운 시험방법임을 알 수 있었다.
참고문헌
1. K. R. Hardy, M. S. Olsson, B. P. Lakin, K. A. Steeves, J. R.
Sanderson, J. E. Simmons and P. A. Weber, “Advances in High Brightness Light Emitting Diodes in Underwater Appli- cation”, Oceans, 1 (2008).
2. M. Meneghini, A. Tazzoli, G. Mura, G. Meneghesso and E.
Zanoni, “A Review on the Physical Mechanisms That Limit the Reliability of GaN-Based LEDs”, IEEE Trans. Device Mater. Reliab., 57(1), 108 (2010).
3. Alliance for Solid-State Illumination System and Technolo- gies of Lighting Research Center, “LED Life for General Lighting”, Lighting Research Center, New York (2006).
4. J. M. Kang, J. W. Kim, J. H. Choi, D. H. Kim and H. K.
Kwon, “Life-time Estimation of High-Power Blue Light- Emitting Diode Chips”, Microelectron. Reliab., 49(9-11), 1231 (2009).
5. M. Meneghini, S. Podda, A. Morelli, R. Pintus, L. Tre- visanello, G. Meneghesso, M. Vanzi and E. Zanoni, “High Brightness GaN LEDs Degradation during DC and Pulsed Stress”, Microelectron. Reliab., 46(9-11), 1720 (2006).
6. S. Buso, G. Spiazzi, M. Meneghini and G. Meneghesso, “Per- formance Degradation of High Brightness Light Emitting Diodes Under DC and Pulsed Bias”, IEEE Trans. Device Mater. Reliab., 8(2), 312 (2008).
7. L. Trevisanello, M. Meneghini, G. Mura, M. Vanzi, M. Pavesi, G. Meneghesso and E. Zanoni, “Accelerated Life Test of High Brightness Light Emitting Diodes”, IEEE Trans. Device Mater. Reliab., 8(2), 304 (2008).
8. C. C. Tsai, J. Wang, M. H. Chen, Y. C. Hsu, Y. J. Lin, C. W.
Lee, S. B. Huang, H. L. Hu and W. H. Cheng, “Investigation of Ce: YAG Doping Effect on Thermal Aging for High Power Concerted White Light Emitting Diodes”, IEEE Trans.
Device Mater. Reliab., 9(3), 367 (2009).
K R( )Σ dCΣ dRΣ ---
=
Fig. 11. Thermal resistance measurement results of LED packages at before and after the saturated water vapor pressure test by using a differential structure function method.
9. C. M. Tan, B. K. Eric Chen, G. Xu and Y. Liu, “Analysis of Humidity Effects on the Degradation of High-Power White LEDs”, Microelectron. Reliab., 49(9-11). 1226 (2009).
10. X. Luo, B. Wu and S. Liu, “Effects of Moist Environments on LED Module Reliability”, IEEE Trans. Device Mater.
Reliab., 10(2), 182 (2010).
11. M. Meneghini, L. R. Trevisanello, G. Meneghesso and E.
Zanoni, “A Review on the Reliability of GaN-Based LEDs”, IEEE Trans. Device Mater. Reliab., 8(2), 323 (2008).
12. F. Wu, W. Zhao, S. Yang and C. Zhang, “Failure Modes and Failure Analysis of White LEDs”, Proc. 9th International Conference on Electronic Measurement and Instruments (ICEMI 2009), 5274756, 4978 (2009).
13. Ministry of Knowledge Economy(MKE), “Reliability Improve- ment of Ceramic Package for High Brightness White LEDs(in Kor.)”, pp.93-99, MKE, Seoul (2008).
14. N. Narendran, Y. Gu, H. Y. Freyssinier and L. Deng, “Solid- State Lighting: Failure Analysis of White LEDs”, J. Cryst.
Growth, 268, 449 (2004).
15. Ministry of Knowledge Economy(MKE), “Development of High Efficiency Lighting Technology for Optical Semicon- ductor(in Kor.)”, pp.72-86, MKE, Seoul (2008).
16. M. Meneghini, L. Trevisanello, C. Sanna, G. Mura, M.Vanzi,
G. Meneghesso and E. Zanoni, “High Temperature Electro- optical Degradation of InGaN/GaN HBLEDs”, Microelec- tron. Reliab., 47(9-11), 1625 (2007).
17. E. Nogueira, M. Vázquez, N. Núñez, “Evaluation of AlGaInP LEDs Reliability based on Accelerated Tests”, Microelectron.
Reliab., 49(9-11), 1240 (2009).
18. S. C. Yang, P. Lin, C. P. Wang, S. B. Huang, C. L. Chen, P.
F. Chiang, A. T. Lee and M. T. Chu, “Failure and Degradation Mechanisms of High-Power White Light Emitting Diodes”, Microelectron. Reliab., 50(7), 959 (2010).
19. JEDEC Standard EIZ/JESD51-1, Integrated Circuits Thermal Measurement Method-Electrical Test Method (Single Semi- conductor Device), EIA (1995).
20. M. W. Shin and J. P. Jung, “Introduction to LED Packaging Technology(in Kor.)”, pp.192-195, Bookswin, Seoul (2009).
21. H. H Kim, S. H. Choi, S. H. Shin, Y. G. Lee, S. M. Choi and Y. S. Oh, “Thermal Transient Characteristics of Die Attach in High Power LED Package”, J. Microelectron. Packag. Soc., 12(4), 331 (2005).
22. W. S. Lee, Y. W. Ko. C. S. Yoo, K. C. Kim and J. C. Park,
“A Study on the Thermal Behaviour of Via Design in the Ceramic Package”, J. Microelectron. Packag. Soc., 10(1), 39 (2003).
