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(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(gè)方面的應(yīng)用：

　　(1)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。

　　(2)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。

　　(3)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(gè)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(gè)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(gè)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(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(gè)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。

　　(3)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。

　　(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(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。

　　(6)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。