Fiabilité des LED : mécanismes et modélisation

par Benoit Hamon

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Guy Feuillet.

Soutenue le 17-10-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) et de Laboratoire de packaging et assemblage (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marie Dilhac.

Le jury était composé de Laurent Mendizabal, Benoît Bataillou.

Les rapporteurs étaient Jean-Yves Duboz, Nicolas Grandjean.


  • Résumé

    Ces dernières années, les diodes électroluminescentes (ou LED) blanches ont connu une forte augmentation de leurs performances ainsi qu'une baisse de coût, faisant de cette technologie la source d'éclairage incontournable des années à venir. Tout comme leur faible consommation en énergie, leur forte durée de vie est un argument de poids pour leur adoption massive dans les solutions d'éclairage. Cependant, cette même durée de vie est l'un des paramètres qui rend l'évaluation de leur fiabilité longue et coûteuse. La multitude de produits proposés, tant au niveau de la puce que du packaging, multiplie les mécanismes de défaillance potentiels et rend donc les études de fiabilité plus difficiles. Ce travail de thèse se concentre l'étude de la fiabilité de ces composants dans son ensemble, depuis les défaillances précoces jusqu'aux défaillances de fin de vie. Dans un premier temps, nous verrons que la mise en place d'un nouveau test de qualification en fin de chaîne de production a permis la caractérisation ainsi que l'amélioration de la détection des défaillances précoces. Le suivi croisé de caractéristiques optiques et électriques au cours de tests accélérés en température et en courant a permis, dans un second temps, d'étudier les défauts aléatoires et les défauts de fin de vie des échantillons. Les résultats statistiques de cette étude ont abouti à la mise en place d'un modèle de variations électro-optiques, permettant une prédiction de la durée de vie plus précise que l'état de l'art actuel. Finalement, l'analyse des échantillons présentant une défaillance durant les tests accélérés a permis la mise en évidence des mécanismes de dégradation majoritairement responsables de la dégradation des échantillons étudiés. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de la fiabilité des LED au travers de la modélisation de leur comportement dans le temps et de l'identification de leurs principaux mécanismes de défaillance. La fiabilité des produits étant un élément différenciateur critique, ce travail de thèse est particulièrement utile pour l'industrie des LED.

  • Titre traduit

    LED Reliability : mechanisms and modeling


  • Résumé

    In the past years, white light emitting diodes (LEDs) have faced an increase of their performances combined with a decrease of their cost. In the present situation, LEDs are considered to be the light source of the future. As well as their low energy consumption, their long lifetime is one argument for a massive adoption of this technology. However, due to their long lifetime and the multitude of existing failure mechanisms (at die and package levels), the study of their reliability still remains challenging. This thesis proposes a wild range study of LED reliability, from early life failures to end of life failures. First, a new qualification test has been implemented in production to characterize and detect early failures of LED. Second, the cross study of electrical and optical variations during accelerated lifetime has been conducted. Results allowed modeling those variations and using this model for more precise lifetime estimations. Finally, failure analyses of aged samples have been conducted highlighting the failures mechanisms responsible for the measured degradations. The obtain results allow a better understanding of LED reliability through the modeling of their behavior during time and the analysis of the most critical failure mechanisms. Because lighting device reliability is a key factor, these results are useful for the LED industry.

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