[논문]고출력 형광체변환 백색 LED 패키지의 가속시험

천성일; 윤양기; 장중순

[국내논문] 고출력 형광체변환 백색 LED 패키지의 가속시험
Acceleration Test for Package of High Power Phosphor Converted White Light Emitting Diodes 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.10 no.2 = no.30, 2010년, pp.137 - 148

천성일 (전자부품연구원 신뢰성물리연구센터) , 윤양기 (한국기계전기전자시험연구원) , 장중순 (아주대학교 산업공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with the accelerated life test of high power phosphor converted white Light Emitting Diodes (High power LEDs). Samples were aged at $110^{\circ}C$/85% RH and $130^{\circ}C$/85% RH up to 900 hours under non-biased condition. The stress induced a luminous flux decay on LEDs in all the conditions. Aged devices exhibited modification of package silicon color from white to yellowish brown. The instability of the package contributes to the overall degradation of optical lens and structural degradations such as generating bubbles. The degradation mechanisms of lumen decay and reduction of spectrum intensity were ascribed to hygro-mechanical stress which results in package instabilities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고출력 LED 패키지의 고장 메커니즘에 기초한 가속시험을 진행하였다. 가속시험은 습기에 의한 패키지의 고장 메커니즘 규명을 위해 기존 반도체 산업에서 활용 중인 JESD22-A118의 고온-고습(110 ℃ - 85 %, R.
이 절에서는 non-biased HAST 시험에 대한 광학 및 전기적 특성 등에 대한 결과를 정리하고 분석하였다. 또한 광학현미경과 이차전자주사현미경 등을 사용한 패키지의 열화에 대한 내용을 정리 하였다.
본 논문에서는 고출력 LED의 패키지 고장에 기초한 가속시험 후의 고장 메커니즘 분석 결과에 대하여 논술하였다. 시험은 JESD22-A118의 전원을 인가하지 않는 가속 습기 내구성시험(110 ℃-85 % RH, 130℃-85 % RH)을 실시하였으며 1 W 고출력 LED를 사용하였다.
이 절에서는 non-biased HAST 시험에 대한 광학 및 전기적 특성 등에 대한 결과를 정리하고 분석하였다. 또한 광학현미경과 이차전자주사현미경 등을 사용한 패키지의 열화에 대한 내용을 정리 하였다.

제안 방법

non-biased HAST 시험조건은 와 같이 JESD22-A118(2000)에서 권고하는 110 ℃ - 85% RH 조건과 130 ℃-85% RH 조건으로 구분하여 시험시료 모두 고장발생까지 시험하였다.
따라서 본 연구에서는 고출력 LED 패키지의 고장 메커니즘에 기초한 가속시험을 진행하였다. 가속시험은 습기에 의한 패키지의 고장 메커니즘 규명을 위해 기존 반도체 산업에서 활용 중인 JESD22-A118의 고온-고습(110 ℃ - 85 %, R.H. 130 ℃ - 85 % RH)시험을 실시하였다 [11]. 본 시험의 장점은 시험조의 습기를 가속시켜 패키지 내부에 침투하는 시험으로 패키지 신뢰성 평가시간을 단축할 수 있는 시험방법이다.
Tan et al(2009)은 고온, 고습(85 ℃, 85 % RH 515 h)동작 시험결과 습기 가속에 의한 LED칩 고장과 형광체 열화를 볼 수 있었다. 고장분석 결과 패키지로 흡습된 수분의 기화(vaporize)스트레스 누적에 의한 칩 가장자리의 크랙을 확인 하였다. 또한 형광체 열화 및 용해(dissolution)에 의한 광 출력의 감소를 볼 수 있었다.
본 시험의 장점은 시험조의 습기를 가속시켜 패키지 내부에 침투하는 시험으로 패키지 신뢰성 평가시간을 단축할 수 있는 시험방법이다. 또한 기존의 가속수명시험과의 고장 메커니즘에 대한 검증(validation) 검토를 위해 LED의 성능검토와 패키지 물성분석을 위해 광학현미경과 적외선분광기(Infrared Spectrometer)등을 이용하여 패키지 열화에 대한 분석을 실시하였다. 본 논문의 구성은 2절에서 시험시료에 대한 정보와 시험절차에 관하여 기술한다.
non-biased HAST 시험조건은 <표 1>와 같이 JESD22-A118(2000)에서 권고하는 110 ℃ - 85% RH 조건과 130 ℃-85% RH 조건으로 구분하여 시험시료 모두 고장발생까지 시험하였다. 시험은 가속 반복측정 열화시험(accelerated repeated measure degradation test)으로 진행하였으며 100시간 간격으로 고출력 LED의 성능을 측정하였다. 측정결과에 대한 정확성을 위하여 시험조에서 반출 후 24시간 이내 측정하였다.
시험은 가속 반복측정 열화시험(accelerated repeated measure degradation test)으로 진행하였으며 100시간 간격으로 고출력 LED의 성능을 측정하였다. 측정결과에 대한 정확성을 위하여 시험조에서 반출 후 24시간 이내 측정하였다. 고장에 대한 판단기준은 반도체조명위원회(ASSIST)에서 권고하는 LED 조명 사용기준을 적용하여 초기 광속(luminance flux)의 70% 이하를 고장으로 판단하였다 [6].

대상 데이터

고출력 LED 패키지 가속 열화특성 해석을 위한 가속수명시험에 인가전력 1W급 백색 LED를 사용하였다. 고출력 LED의 구조는 <그림 1>과 같이 LED 칩(chip), 기판(substrate), 고분자 봉지재(encapsulating material), 반사판(reflector) 그리고 플라스틱 렌즈(lens)로 구성되어 있다.
본 논문에서는 고출력 LED의 패키지 고장에 기초한 가속시험 후의 고장 메커니즘 분석 결과에 대하여 논술하였다. 시험은 JESD22-A118의 전원을 인가하지 않는 가속 습기 내구성시험(110 ℃-85 % RH, 130℃-85 % RH)을 실시하였으며 1 W 고출력 LED를 사용하였다. 시험결과는 다음과 같은 결론을 얻었다.

이론/모형

측정결과에 대한 정확성을 위하여 시험조에서 반출 후 24시간 이내 측정하였다. 고장에 대한 판단기준은 반도체조명위원회(ASSIST)에서 권고하는 LED 조명 사용기준을 적용하여 초기 광속(luminance flux)의 70% 이하를 고장으로 판단하였다 [6].
광 특성과 전기적 특성측정에 대한 측정 각각 LED 측정시스템(광전자정밀(주))와 반도체 특성측정시스템(Keithley 4200)을 사용하였다.

성능/효과

1. non-biased HAST 시험에서 패키지 열화에 의한 광속 감소를 확인할 수 있었다. 또한 LED 칩 발광 스펙트럼(455 ㎚)의 감소가 형광체 변환 스펙트럼(560 ㎚) 감소보다 높은 것을 알 수 있었다.
<표 2>는 가속수명시험 시간대별 고출력 LED의 스펙트럼 강도변화를 측정한 결과이다. 100 ℃, 85% RH 시험에서 800시간 시험 후 모든 시험시료의 고장이 발생하였으며 청색파장과 노랑색 파장의 최고치의 감소가 각각 48%, 33% 발생하였다. 130 ℃ 85% RH 시험결과 400시간 진행 후 청색파장 최고치는 51%, 노랑 파장의 최고치는 29% 떨어졌다.
2. 고출력 LED 광속의 급격한 열화는 패키지 내의 실리콘 젤 변색과 렌즈의 기포 등과 같은 패키지 고장에 의해 발생하였다.
3. 패키지 변색과 광 출력의 감소에 대한 고장분석결과 패키지의 흡습과 팽창(hygromechanical stress)에 의한 실리콘 젤의 변색과 렌즈의 미세 기포(bubble), 작은 구멍(pore)등을 확인할 수 있었다.
광 출력 감소는 LED 칩의 열화와 패키지의 열화에 의해 발생한다. 3.3 고출력 LED의 I-V 특성검토 결과 LED 칩의 열화는 발생하지 않은 것으로 판단된다.
non-biased HAST 고장시료에 대한 광학현미경 검사결과 과 같이 패키지의 흡습과 팽창(hydro-mechanical stress)에 의한 미세 기포(bubble), 렌즈표면 작은 구멍 그리고 봉지재의 황갈색(yellowish brown) 변색이 발생한 것을 관찰할 수 있었다.
<그림 7>은 고장 LED에 대한 개봉(decapsulation) 후 고장부위에 대한 분석결과이다. non-biased HAST 실험에 의한 실리콘 젤과 렌즈의 색깔의 변색을 확인할 수 있었다. 따라서 고출력 LED 패키지의 변색은 실리콘 젤의 변색에 의해 발생한 것으로 추론할 수 있었다.
non-biased HAST 시험에서 패키지 열화에 의한 광속 감소를 확인할 수 있었다. 또한 LED 칩 발광 스펙트럼(455 ㎚)의 감소가 형광체 변환 스펙트럼(560 ㎚) 감소보다 높은 것을 알 수 있었다.
그리고 패키지의 외관 검사결과 렌즈 등과 같은 패키지 외관의 변화는 발생하지 않았다. 시험조건 110 ℃, 85% RH는 700시간 후 평균 광속의 감소가 30% 발생하였으며 900시간 후 35%의 감소를 확인할 수 있었다. 130 ℃ 85% RH에서는 시험 후 400시간 후 30%의 평균 광속열화를 확인 할 수 있었다.
그리고 Meneghini et al(2009)의 고온저장(200 ℃, 100 h)시험에서 저항의 증가를 관찰 할 수 있었다. 저항 증가의 원인으로 LED 칩 또는 리드 와이어의 접촉특성 열화에 의해 발생되는 것으로 확인 할 수 있었다. <그림 5>은 non-biased HAST시험 후의 I-V 특성을 나타내고 있다.
따라서 고출력 LED 패키지의 변색은 실리콘 젤의 변색에 의해 발생한 것으로 추론할 수 있었다. 적외선 분광기(infrared spectrometer)를 사용한 변색실리콘 젤에 대한 화학성분기 분석결과 페닐기 실리콘이 사용된 것으로 분석되었다. 페닐기 실리콘은 졍션의 높은 열과 빛의 발광 등에 안정적인 장점이 있지만 메틸기에 비해 습기에 취약하다.

후속연구

따라서 전원을 인가하지 않은 습기 가속시험은 패키지 고장 메커니즘에 기초한 가속수명시험방법으로 활용이 가능하다고 판단된다. 향후 패키지 고장에 기초한 고출력 LED의 가속수명시험에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 목표수명을 만족하지 못하게 하는 주요 장애요인은 무엇인가?	LED의 장 수명과 신뢰성에 대한 물리적 한계는 LED 칩 보다 패키지의 열화 및 고장에 의한 영향이 크다는 것은 Meneghini et al(2010), Trevisanello et al(2009), Kang et al(2009) 등에 의해 연구되었으며 LED 목표수명을 만족하지 못하는 주요 장애요인은 패키지의 열화와 고장이다. 그러나 현재까지 고출력 LED의 신뢰성과 가속수명시험(accelerated life test, ALT)에 대한 연구는 LED 칩 위주의 평가로 패키지 고장 메커니즘기반 신뢰성시험과 가속수명시험에 대한 연구가 많이 진행되지 않고 있는 실정이다.
	고출력 백색 LED의 시스템 응용을 위해 요구되는 것은 무엇인가?	최근 고출력 백색 LED(이하, 고출력 LED)는 150 lm/W 이상의 에너지 효율향상과 높은 신뢰성, 장수명 등으로 차세대 광원으로 각광받고 있다 Dupuis and Krames(2008). 따라서 고출력(구동전류 350 mA 이상) LED의 응용은 실내조명으로 부터 옥외 가로등, 자동차 및 해양, 심해(undersea) 조명 등으로 확장되고 있으며 고출력 LED의 시스템 응용을 위해서 사용 환경에 적합한 패키지의 신뢰성 시험이 요구되고 있다 Hardy et al(2008). 일예로 홍콩에서 사용되는 도로조명(road lighting system)은 여름철 폭풍우 등과 같은 환경에서 견딜 수 있는 높은 신뢰성이 요구된다 Hui et al(2010).
	LED 패키지는 어떤 역할을 하는가?	현재 활용이 높은 고출력 LED 백색 구현은 형광체변환(phosphor converted) 패키징 방법으로 GaN 칩에서 발광되는 청색과 형광체(phosphor)에 의해 변환된 노랑색을 혼합하여 백색을 구현한다 Hsu et al(2008). LED 패키지의 기능은 사용 환경으로부터 LED 칩을 보호하고, 칩에서 발생하는 열을 밖으로 방출하는 역할을 수행한다. 특히 빛의 추출(extraction)은 고출력 LED의 중요한 기능이다Liu et al(2009).

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