大功率白光LED的應用及其可靠性研究

1 簡介

　　半導體照明是21世紀最具發展前景的高技術領域之一，上世紀九十年代以來，隨著以GaN和SiC為代表的第三代半導體的興起，藍色和白色發光二極管相繼研究成功，使實現半導體白光LED照明成為可能。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。