基于電流和溫度雙重應(yīng)力加速的LED可靠性技術(shù)研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展,LED以高光效、低能耗、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)成為第四代綠色光源,很多領(lǐng)域都已經(jīng)將利用LED照明取代傳統(tǒng)光源照明列入例行計(jì)劃之中。但是,大多數(shù)LED照明產(chǎn)品在較短的時(shí)間內(nèi)光衰明顯,光電性能下降顯著,其可靠性問(wèn)題已成為當(dāng)前LED照明取代傳統(tǒng)照明的瓶頸之一。而研究LED可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題在于找到LED的失效模式與失效機(jī)理,獲得快速評(píng)定及預(yù)測(cè)LED產(chǎn)品壽命的方法。本文針對(duì) LED照明產(chǎn)品可靠性低、短時(shí)間內(nèi)光衰明顯等問(wèn)題,采

2、用了與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境狀態(tài)相符的電流和溫度雙應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法,以達(dá)到研究LED照明產(chǎn)品的失效機(jī)理,快速預(yù)測(cè)LED產(chǎn)品壽命的目的。為后續(xù)改善LED產(chǎn)品可靠性提供參考依據(jù)。具體開展的研究工作有:
　　首先,考慮到半導(dǎo)體光電子器件的LED照明與常規(guī)半導(dǎo)體器件的差異性,以及LED照明的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計(jì)并實(shí)施了基于溫度與電流應(yīng)力的LED加速壽命試驗(yàn),根據(jù)LED器件的光衰表現(xiàn)特征,探討了LED器件的失效機(jī)理,特別是熒光粉轉(zhuǎn)化效率降低所帶來(lái)的

3、光衰影響。具體表現(xiàn)為,在電流與溫度雙重應(yīng)力環(huán)境下,相對(duì)光強(qiáng)會(huì)隨著應(yīng)力的增大而逐漸降低,相關(guān)色溫、峰值波長(zhǎng)以及正向電壓隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)也會(huì)逐漸升高,并且電流對(duì)LED整體可靠性的影響比溫度更為顯著;同時(shí),熒光粉在老化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)激發(fā)效率降低以及碳化發(fā)黑現(xiàn)象,可以確定熒光粉會(huì)受溫度的影響使LED的光電性能產(chǎn)生變化。
　　其次,針對(duì)熒光粉老化后激發(fā)效率降低以及碳化發(fā)黑等現(xiàn)象引起的光衰問(wèn)題,對(duì)白光 LED中熒光粉的老化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

4、試驗(yàn)采用了同一批次芯片的白光LED和藍(lán)光 LED,在相同的試驗(yàn)條件下同時(shí)進(jìn)行了相同溫度不同電流的加速壽命試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程中兩者的光通量、發(fā)光光譜圖、色品圖等數(shù)據(jù),計(jì)算出了白光LED在老化過(guò)程中熒光粉轉(zhuǎn)化藍(lán)光為黃光的轉(zhuǎn)化率,通過(guò)計(jì)算特定時(shí)間段的轉(zhuǎn)化值得到了熒光粉轉(zhuǎn)化效率隨老化時(shí)間的變化成指數(shù)下降趨勢(shì);同時(shí),通過(guò)觀察色坐標(biāo)的偏移趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)芯片的老化與熒光粉的老化均會(huì)使白光LED光通量衰減。
　　然后,根據(jù)前述試驗(yàn)中因熱效應(yīng)產(chǎn)生的

5、光通量衰減、封裝材料老化及熒光粉轉(zhuǎn)化效率降低等可靠性問(wèn)題,展開了LED器件熱特性研究,重點(diǎn)研究了LED熱阻結(jié)構(gòu)在老化前后的變化規(guī)律,運(yùn)用T3ster瞬態(tài)熱測(cè)試儀獲得了各應(yīng)力老化環(huán)境下的熱阻值,分析了各層熱阻值變化對(duì)總熱阻的影響,并提出了降低器件總熱阻的方法。通過(guò)研究熱阻的老化特性獲得以下結(jié)論:第一,LED器件在老化過(guò)程中總熱阻會(huì)隨著老化時(shí)間逐漸增大,且加載應(yīng)力越大,總熱阻增大越明顯;第二,芯片層熱阻與內(nèi)部鋁熱沉熱阻在老化前后熱阻值變化較

6、小,其不是引起總熱阻值變大的直接原因,但由于芯片襯底材料和內(nèi)部熱沉材料均會(huì)占據(jù)總熱阻一定比值,設(shè)計(jì)更先進(jìn)的芯片結(jié)構(gòu)和選用散熱性能更好的熱沉材料不失為降低總熱阻的一種途徑;第三,在LED各層熱阻的變化中,老化后明顯增大的有固晶層、焊接層以及鋁基板層,其中焊接層與鋁基板層熱阻的增量最大,各層間發(fā)生熱阻值增大的原因在于不同材料間熱膨脹系數(shù)不匹配,產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂紋、分層等,使熱傳導(dǎo)界面減小,熱流密度增大,從而使總熱阻值增大。
　　最后

7、,通過(guò)前述試驗(yàn)獲得的光通量衰減結(jié)果,采用不同的加速壽命模型進(jìn)行了LED的可靠性壽命預(yù)測(cè)。根據(jù)LED的光通量隨時(shí)間變化呈指數(shù)關(guān)系,采用外推法來(lái)推算大功率LED在不同環(huán)境條件下的老化壽命;利用加速壽命模型-阿倫尼斯模型針對(duì)不同結(jié)溫條件下的LED進(jìn)行壽命預(yù)測(cè),并且對(duì)激活能與0?的關(guān)系進(jìn)行了分析;使用基于電流加速應(yīng)力的壽命計(jì)算模型,分別對(duì)同溫度下不同加載電流的LED的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè);根據(jù)總體計(jì)算結(jié)果,該批樣品正常工作條件下的壽命值為11000小