大功率白光LED的可靠性探討

1 簡介

大功率白光LED作為半導體光源，相比傳統照明光源，有節能、壽命長、綠色環保、使用電壓低、開光時間短等特點。大功率白光LED技術迅速發展，有著極為廣闊的應用前景，而器件的可靠性是實現其廣泛應用的保證。

2 大功率白光LED的應用

大功率白光LED主要用在照明市場，需根據不同的要求專門設計產品。主要可以歸納為在以下幾個方面的應用：

　　(1)景觀照明市場：包括建筑裝飾、室內裝飾、旅游景點裝飾等，主要用于重要建筑、街道、商業中心、名勝古跡、橋梁、社區、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照明。

　　(2)汽車市場：車用市場是LED運用發展最快的市場，主要用于車內儀表盤、空調、音響等指示燈及內部閱讀燈，車外的第三剎車燈、尾燈、轉向燈、側燈等。

　　(3)背光源市場：LED作為背光源已經普遍運用于手機、電腦、便攜式電子產品等。

　　(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、省電等優點，在金融、證券、交通、機場等領域備受青睞。尤其是在全球各大型體育館幾乎已經成為標準設備。

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

　　(6)其他應用：還可應用在玩具、禮品、手電筒、圣誕燈等輕工業產品之中。作為全球輕工業產品的重要生產基地，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應用已經廣泛開展，半導體照明材料的突出優點：節能，綠色環保，高效，壽命長，后期維護成本低廉，相比較傳統的光源有著十分誘人的特點，但在實際的應用過程中，LED的性能并沒有像人們預期的那樣表現出來，而是出現了各種各樣的問題。比如說，壽命長這一突出特點，理論估計為十萬小時，但在實際的使用條件下，才有幾千小時。因此，大功率白光LED要想得到長遠的發展，并且最終能夠替代傳統光源，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 基于半導體物理學的失效機理分析

半導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與失效機理分析相結合來進行的。由于LED的理論壽命長達十萬小時，通常一般的壽命試驗需要很長的時間，當試驗結束了，所選用的產品也該荒廢了。對于壽命較長的LED器件，要根據條件選用加速壽命實驗。加速壽命試驗按方法分為：恒定應力加速壽命試驗，步進應力加速壽命試驗和序進應力加速壽命試驗。恒定應力加速試驗操作和控制相對簡單，技術已比較成熟，外推數據準確，由此得到的壽命可靠，缺點是仍然比較費時。步進應力加速試驗現在是研究的熱點，能夠減短試驗時間，降低對試樣數量的要求，具有比恒定應力試驗更高的加速效率，但目前多用在前期應力范圍的確定中，如金玲在GaAs紅外發光二極管加速壽命試驗，到電流步進摸底試驗來摸清試驗器件所能承受的最高電流應力。序進應力試驗中應力隨時間不斷上升，可以更快地激發器件失效，從而進一步提高了加速壽命試驗的效率。但由于外加應力難以精確控制，在試驗過程中容易引起失效機理的改變，因此并不常用。LED器件多是電流驅動，并且受溫度影響顯著，因此常選用電流和溫度作為應力。加速試驗是進行可靠性分析的有效手段，但是必須保證器件的失效機理在整個試驗過程中不發生改變。

對可靠性的研究不能只停留在數據的測量和壽命的推算上，重要的是利用有效數據進行失效機理的分析。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：

浴盆分布曲線

對于早期的突然失效分析，根據半導體器件的性能特點，早期失效階段的失效率較高，但失效率隨時間的增加而下降。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，這一階段的延續時間和失效比例是不同的。嚴格工藝操作和對原材料、半成品和成品的檢驗，可減少這階段的失效。進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到或者接近偶然失效水平。

根據實際情況，對于LED器件來說，目前國內外對其早期失效機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的早期突然失效進行了試驗分析，認為電極Ag與封裝材料中的硫磺反應生成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認為，在LED器件中觀察到的大部分失效機制都是在光通量和電參數隨著時間持續的衰減時所分析出的結果，通常對失效模型和機制的研究需要很長的時間。目前關于白光LED的失效機理主要分為以下幾個方面：

　　(1)封裝材料的退化。

　　高溫時，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象。

　　(2)歐姆接觸退化。

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

　　(3)熒光粉退化。

　　實現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光芯片上涂敷發黃光的熒光粉，使藍光和黃光混合成白光。對熒光粉的穩定性，文獻中說法不一。

　　(4)金屬電遷移。

　　P型電極金屬會沿著缺陷到達PN結區形成歐姆通路，造成結區特性退化。

　　(5)能級缺陷增加。

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

　　(6)靜電的破壞。

靜電會引起PN結區短路、短路，或在結區形成結構缺陷，使得漏電流增大。不同的LED器件有其不同的失效機理。那么對于大功率白光LED可靠性的研究應該在借鑒其他LED器件，前人成果的基礎上，并且針對白光LED的特點進行。目前，商用的大功率白光LED器件都是采用寬禁帶GaN材料，制作出發藍光芯片，然后利用光轉化材料，如：熒光粉，藍光與經熒光粉轉化的黃光，合成白光。因此，在充分了解白光LED芯片材料和結構的前提下，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不適應白光LED。例如，對老化后的芯片進行解理，觀察等，對白光就不合適，因為白光里的藍光芯片上涂有熒光粉，無法進行微觀的失效機理的觀察。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，但是它們又不是獨立的，而是相互聯系的。