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(gè)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。

　?。?）戶外大屏幕顯示和交通信號(hào)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。

　?。?）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(dòng)等特殊工作場所或惡劣的工作環(huán)境中。

　?。?）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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)，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。