大功率白光LED的應(yīng)用及其可靠性研究

1  簡介

　　半導(dǎo)體照明是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一，上世紀(jì)九十年代以來，隨著以GaN和SiC為代表的第三代半導(dǎo)體的興起，藍(lán)色和白色發(fā)光二極管相繼研究成功，使實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體白光LED照明成為可能。大功率白光LED作為半導(dǎo)體光源，相比傳統(tǒng)照明光源，有節(jié)能、壽命長、綠色環(huán)保、使用電壓低、開光時(shí)間短等特點(diǎn)。大功率白光LED技術(shù)迅速發(fā)展，有著極為廣闊的應(yīng)用前景，而器件的可靠性是實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用的保證。

　　2  大功率白光LED的應(yīng)用

　　大功率白光LED主要用在照明市場，需根據(jù)不同的要求專門設(shè)計(jì)產(chǎn)品。主要可以歸納為在以下幾個方面的應(yīng)用：

　?。?）景觀照明市場：包括建筑裝飾、室內(nèi)裝飾、旅游景點(diǎn)裝飾等，主要用于重要建筑、街道、商業(yè)中心、名勝古跡、橋梁、社區(qū)、庭院、草坪、家居、休閑娛樂場所的裝飾照明，以及集裝飾與廣告為一體的商業(yè)照明。

　?。?）汽車市場：車用市場是LED運(yùn)用發(fā)展最快的市場，主要用于車內(nèi)儀表盤、空調(diào)、音響等指示燈及內(nèi)部閱讀燈，車外的第三剎車燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈、側(cè)燈等。

　?。?）背光源市場：LED作為背光源已經(jīng)普遍運(yùn)用于手機(jī)、電腦、便攜式電子產(chǎn)品等。

　　（4）戶外大屏幕顯示和交通信號燈。由于LED具有亮度高、壽命長、省電等優(yōu)點(diǎn)，在金融、證券、交通、機(jī)場等領(lǐng)域備受青睞。尤其是在全球各大型體育館幾乎已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

　　（5）特殊照明和軍事運(yùn)用：由于LED光源具有抗震性、耐潮性、密封性等特點(diǎn)，以及熱輻射低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于防爆、野外作業(yè)、礦山、軍事行動等特殊工作場所或惡劣的工作環(huán)境中。

　　（6）其他應(yīng)用：還可應(yīng)用在玩具、禮品、手電筒、圣誕燈等輕工業(yè)產(chǎn)品之中。作為全球輕工業(yè)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，我國對LED有著巨大的市場需求。

　　3  大功率白光LED的可靠性研究

　　由于大功率LED應(yīng)用已經(jīng)廣泛開展，半導(dǎo)體照明材料的突出優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能，綠色環(huán)保，高效，壽命長，后期維護(hù)成本低廉，相比較傳統(tǒng)的光源有著十分誘人的特點(diǎn)，但在實(shí)際的應(yīng)用過程中，LED的性能并沒有像人們預(yù)期的那樣表現(xiàn)出來，而是出現(xiàn)了各種各樣的問題。比如說，壽命長這一突出特點(diǎn)，理論估計(jì)為十萬小時(shí)，但在實(shí)際的使用條件下，才有幾千小時(shí)。因此，大功率白光LED要想得到長遠(yuǎn)的發(fā)展，并且最終能夠替代傳統(tǒng)光源，其可靠性的研究是必須且緊迫的。

　　通常LED可靠性研究大致可以分為兩個方向：

　　3.1 基于半導(dǎo)體物理學(xué)的失效機(jī)理分析

　　半導(dǎo)體器件的可靠性分析大都是圍繞其壽命來表征的，因此大都是壽命試驗(yàn)與失效機(jī)理分析相結(jié)合來進(jìn)行的。由于LED的理論壽命長達(dá)十萬小時(shí)，通常一般的壽命試驗(yàn)需要很長的時(shí)間，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束了，所選用的產(chǎn)品也該荒廢了。對于壽命較長的LED器件，要根據(jù)條件選用加速壽命實(shí)驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)按方法分為：恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)操作和控制相對簡單，技術(shù)已比較成熟，外推數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，由此得到的壽命可靠，缺點(diǎn)是仍然比較費(fèi)時(shí)。步進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)現(xiàn)在是研究的熱點(diǎn)，能夠減短試驗(yàn)時(shí)間，降低對試樣數(shù)量的要求，具有比恒定應(yīng)力試驗(yàn)更高的加速效率，但目前多用在前期應(yīng)力范圍的確定中，如金玲在GaAs紅外發(fā)光二極管加速壽命試驗(yàn)，到電流步進(jìn)摸底試驗(yàn)來摸清試驗(yàn)器件所能承受的最高電流應(yīng)力。序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中應(yīng)力隨時(shí)間不斷上升，可以更快地激發(fā)器件失效，從而進(jìn)一步提高了加速壽命試驗(yàn)的效率。但由于外加應(yīng)力難以精確控制，在試驗(yàn)過程中容易引起失效機(jī)理的改變，因此并不常用。LED器件多是電流驅(qū)動，并且受溫度影響顯著，因此常選用電流和溫度作為應(yīng)力。加速試驗(yàn)是進(jìn)行可靠性分析的有效手段，但是必須保證器件的失效機(jī)理在整個試驗(yàn)過程中不發(fā)生改變。

　　對可靠性的研究不能只停留在數(shù)據(jù)的測量和壽命的推算上，重要的是利用有效數(shù)據(jù)進(jìn)行失效機(jī)理的分析。器件的失效分為早期失效，偶然失效，耗損失效三個階段，服從浴盆分布曲線。如圖1所示：

　　對于早期的突然失效分析，根據(jù)半導(dǎo)體器件的性能特點(diǎn)，早期失效階段的失效率較高，但失效率隨時(shí)間的增加而下降。器件的失效是由一種或幾種具有普遍性的原因所造成的，對不同品種，不同工藝的器件，這一階段的延續(xù)時(shí)間和失效比例是不同的。嚴(yán)格工藝操作和對原材料、半成品和成品的檢驗(yàn)，可減少這階段的失效。進(jìn)行合理的篩選可以盡可能的在交付使用前把早期失效的器件篩選掉，可使出廠的器件的失效率達(dá)到或者接近偶然失效水平。

　　根據(jù)實(shí)際情況，對于LED器件來說，目前國內(nèi)外對其早期失效機(jī)理的分析還是很少的，但由于LED器件的成本較高，并且早期失效占有較大比例，對這方面的分析應(yīng)該引起人們的重視。G.Cassanelli對大功率白光LED的早期突然失效進(jìn)行了試驗(yàn)分析，認(rèn)為電極Ag與封裝材料中的硫磺反應(yīng)生成Ag2S，從而增大電阻以至完全開路造成器件的失效。從可靠性的一般觀點(diǎn)認(rèn)為，在LED器件中觀察到的大部分失效機(jī)制都是在光通量和電參數(shù)隨著時(shí)間持續(xù)的衰減時(shí)所分析出的結(jié)果，通常對失效模型和機(jī)制的研究需要很長的時(shí)間。目前關(guān)于白光LED的失效機(jī)理主要分為以下幾個方面：

（1）封裝材料的退化。

　　高溫時(shí)，封裝材料的出光效率衰減很快。Meneghesso等人觀察到了大電流下封裝材料的退化現(xiàn)象。

　　（2）歐姆接觸退化。

　　Meneghesso等人對LED進(jìn)行大DC電流條件老化，觀察到IV特性的退化，認(rèn)為這是由于p型歐姆接觸在大電流和高溫下退化，使得串聯(lián)電阻增加所致。

　?。?）熒光粉退化。

　　實(shí)現(xiàn)白光的途徑有很多種，目前使用最為普遍，也是最為成熟的是通過在藍(lán)光芯片上涂敷發(fā)黃光的熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光。對熒光粉的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)中說法不一。

　　（4）金屬電遷移。

　　P型電極金屬會沿著缺陷到達(dá)PN結(jié)區(qū)形成歐姆通路，造成結(jié)區(qū)特性退化。

　?。?）能級缺陷增加。

　　在高溫條件下，能級缺陷會快速增殖和繁衍，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重降低器件的發(fā)光效率。

　?。?）靜電的破壞。

　　靜電會引起PN結(jié)區(qū)短路、短路，或在結(jié)區(qū)形成結(jié)構(gòu)缺陷，使得漏電流增大。不同的LED器件有其不同的失效機(jī)理。那么對于大功率白光LED可靠性的研究應(yīng)該在借鑒其他LED器件，前人成果的基礎(chǔ)上，并且針對白光LED的特點(diǎn)進(jìn)行。目前，商用的大功率白光LED器件都是采用寬禁帶GaN材料，制作出發(fā)藍(lán)光芯片，然后利用光轉(zhuǎn)化材料，如：熒光粉，藍(lán)光與經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)化的黃光，合成白光。因此，在充分了解白光LED芯片材料和結(jié)構(gòu)的前提下，才能更好的開展可靠性工作。針對其他類型的LED器件的可靠性分析有些已經(jīng)不適應(yīng)白光LED。例如，對老化后的芯片進(jìn)行解理，觀察等，對白光就不合適，因?yàn)榘坠饫锏乃{(lán)光芯片上涂有熒光粉，無法進(jìn)行微觀的失效機(jī)理的觀察。目前對大功率白光LED的可靠性分析，可分為兩大部分：藍(lán)光芯片的可靠性分析及熒光粉的可靠性分析，但是它們又不是獨(dú)立的，而是相互聯(lián)系的。

　　3.2 基于可靠性工程學(xué)的可靠性預(yù)測

　　大功率白光LED器件具有高達(dá)10萬小時(shí)的壽命，按照目前半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展的速度，即使采取加速壽命試驗(yàn)，仍然很費(fèi)時(shí)費(fèi)力，基于可靠性工程學(xué)的可靠性預(yù)測機(jī)制，就是嘗試一種在無需長期壽命試驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)對LED可靠性量化預(yù)測的方法，它可以大大減少試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約壽命試驗(yàn)成本。

　　通過管子初期性能指標(biāo)的測試，分析出與后期失效相關(guān)的特征值，從而達(dá)到預(yù)測器件性能的目的。同時(shí)，可以根據(jù)試驗(yàn)初始值，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行后期模擬，具有重要的實(shí)用價(jià)值。與大功率LED可靠性相關(guān)的特性曲線分為：

　?。?）電壓-電流伏安曲線。

　?。?）電導(dǎo)數(shù)特性曲線。

　　（3）光輸出特性曲線。

　?。?）光譜特性曲線。

　?。?）熱特性曲線。

　　4  大功率白光LED燈具的可靠性

　　大功率白光LED已經(jīng)進(jìn)入照明燈具的應(yīng)用，那么產(chǎn)品可靠性同樣需要引起重視，因?yàn)榇种茷E造的LED僅求瞬時(shí)的亮度，缺少合理的燈具散熱設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)，不能保證LED光源優(yōu)勢的充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致LED產(chǎn)業(yè)不能良性快速發(fā)展。燈具的可靠性屬于系統(tǒng)可靠性范疇，對它的研究主要從以下幾方面來考慮：

　?。?）由于燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，散熱不良，而引起LED的光衰，甚至失效。

　　（2）由于安裝不合理，使LED與燈具的接觸部分電阻過大，使LED芯片溫度過高而引起的光衰甚至失效。

　　（3）驅(qū)動電流過大，使LED工作溫度過高，引起光衰甚至失效，或驅(qū)動電源的失效引起燈具的失效。

　　（4）光路設(shè)計(jì)方面，燈具要根據(jù)需要選擇出光角度不同的LED，滿足光學(xué)要求的燈具結(jié)構(gòu)，可能會造成散熱不良，從而引起光衰甚至失效。

　　5  總結(jié)

　?。?）不同類型的LED器件具有不同的失效機(jī)理，對白光LED器件的可靠性研究可采用對同一批次的藍(lán)光芯片和白光芯片進(jìn)行對比試驗(yàn)。通過對比實(shí)驗(yàn)，可以分析出白光LED的失效是由于藍(lán)光芯片的失效起主要作用，還是外敷的熒光粉的失效起主要作用。

　?。?）對LED器件做加速壽命試驗(yàn)的時(shí)候，應(yīng)考慮器件性能的一致性，不僅要選擇同一廠家同一批次的產(chǎn)品，還可以考慮按照其初始的一些參數(shù)，如開啟電壓，來進(jìn)行分類。因?yàn)榧词雇慌蔚钠骷阅芤矔泻艽蟛顒e，而對LED的可靠性研究就是要從細(xì)微之處入手。

　　（3）提高對LED應(yīng)用產(chǎn)品可靠性的重視，發(fā)揮LED器件的優(yōu)勢，促使產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。目前，大功率白光LED應(yīng)用在照明上還不是很成熟，應(yīng)用產(chǎn)品還沒有真正的投入市場，要從根本上提高品質(zhì)，需要加大對可靠性的研究。