大功率白光LED的應(yīng)用及其可靠性研究

么東閣 陳建新 閆 靜

(北京工業(yè)大學光電子技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，北京 100021)

1 簡介

半導體照明是21世紀最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)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(fā)光二極管相繼研究成功，使實現(xiàn)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(tǒng)照明光源，有節(jié)能、壽命長、綠色環(huán)保、使用電壓低、開光時間短等特點。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)計產(chǎn)品。主要可以歸納為在以下幾個方面的應(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)普遍運用于手機、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，在金融、證券、交通、機場等領(lǐng)域備受青睞。尤其是在全球各大型體育館幾乎已經(jīng)成為標準設(shè)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(yōu)點，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，半導體照明材料的突出優(yōu)點:節(jié)能，綠色環(huán)保，高效，壽命長，后期維護成本低廉，相比較傳統(tǒng)的光源有著十分誘人的特點，但在實際的應(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，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(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方向:基于半導體物理學的失效機理分析和基于可靠性工程學的可靠性預(yù)測。

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(jié)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(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驗。加速壽命試驗按方法分為:恒定應(yīng)力加速壽命試驗，步進應(yīng)力加速壽命試驗和序進應(yīng)力加速壽命試驗。恒定應(yīng)力加速試驗操作和控制相對簡單，技術(shù)已比較成熟，外推數(shù)據(jù)準確，由此得到的壽命可靠，缺點是仍然比較費時。步進應(yīng)力加速試驗現(xiàn)在是研究的熱點，能夠減短試驗時間，降低對試樣數(shù)量的要求，具有比恒定應(yīng)力試驗更高的加速效率，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［1］，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(yīng)力。序進應(yīng)力試驗中應(yīng)力隨時間不斷上升，可以更快地激發(fā)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(yīng)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(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(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:

圖1 器件失效分布曲線 (浴盆曲線)

對于早期的突然失效分析，根據(jù)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(xù)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(jù)實際情況，對于LED器件來說，目前國內(nèi)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(yīng)該引起人們的重視。G.Cassanelli對大功率白光LED的早期突然失效進行了試驗分析，認為電極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。［2］

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(shù)隨著時間持續(xù)的衰減時所分析出的結(jié)果，通常對失效模型和機制的研究需要很長的時間。目前關(guān)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(xiàn)象。［3］

(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(lián)電阻增加所致。［4］

(3)熒光粉退化。實現(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光芯片上涂敷發(fā)黃光的熒光粉，使藍光和黃光混合成白光。對熒光粉的穩(wěn)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(jié)區(qū)形成歐姆通路，造成結(jié)區(qū)特性退化。［5］

(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合中心，嚴重降低器件的發(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。［6］

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(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(fā)藍光芯片，然后利用光轉(zhuǎn)化材料，如:熒光粉，藍光與經(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(lián)系的。

目前多采用如下方法:對封裝的藍光和白光LED(采用同一藍光芯片)進行對比試驗。陳靜波等人，在“YAG:Ce3+熒光粉對白光LED衰減的影響”中;方福波等人，在“白光LED衰減的光譜分析”中;宇彬等人，在“白光LED中的熒光粉老化研究”中;代順等人，在“大功率發(fā)光二極管的壽命試驗及其失效分析”中，都采用了這種方法，從不同的角度對藍光芯片和熒光粉的退化進行了研究。

3.2 基于可靠性工程學的可靠性預(yù)測

大功率白光LED器件具有高達10萬小時的壽命，按照目前半導體材料和器件發(fā)展的速度，即使采取加速壽命試驗，仍然很費時費力，基于可靠性工程學的可靠性預(yù)測機制，就是嘗試一種在無需長期壽命試驗條件下實現(xiàn)對LED可靠性量化預(yù)測的方法，它可以大大減少試驗時間，節(jié)約壽命試驗成本。通過管子初期性能指標的測試，分析出與后期失效相關(guān)的特征值，從而達到預(yù)測器件性能的目的。同時，可以根據(jù)試驗初始值，利用計算機仿真技術(shù)進行后期模擬，具有重要的實用價值。［5］

與大功率LED可靠性相關(guān)的特性曲線分為:

(1)電壓-電流伏安曲線。

(2)電導數(shù)特性曲線。

(3)光輸出特性曲線。

(4)光譜特性曲線。

(5)熱特性曲線。

4 大功率白光LED燈具的可靠性

大功率白光LED已經(jīng)進入照明燈具的應(yīng)用，那么產(chǎn)品可靠性同樣需要引起重視，因為粗制濫造的LED僅求瞬時的亮度，缺少合理的燈具散熱設(shè)計和光學設(shè)計，不能保證LED光源優(yōu)勢的充分發(fā)揮，從而導致LED產(chǎn)業(yè)不能良性快速發(fā)展。燈具的可靠性屬于系統(tǒng)可靠性范疇，對它的研究主要從以下幾方面來考慮:

(1)由于燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，散熱不良，而引起LED的光衰，甚至失效。

(2)由于安裝不合理，使LED與燈具的接觸部分電阻過大，使 LED芯片溫度過高而引起的光衰甚至失效。

(3)驅(qū)動電流過大，使LED工作溫度過高，引起光衰甚至失效，或驅(qū)動電源的失效引起燈具的失效。

(4)光路設(shè)計方面，燈具要根據(jù)需要選擇出光角度不同的LED，滿足光學要求的燈具結(jié)構(gòu)，可能會造成散熱不良，從而引起光衰甚至失效。

5 總結(jié)

(1)不同類型的LED器件具有不同的失效機理，對白光LED器件的可靠性研究可采用對同一批次的藍光芯片和白光芯片進行對比試驗。通過對比實驗，可以分析出白光LED的失效是由于藍光芯片的失效起主要作用，還是外敷的熒光粉的失效起主要作用。

(2)對LED器件做加速壽命試驗的時候，應(yīng)考慮器件性能的一致性，不僅要選擇同一廠家同一批次的產(chǎn)品，還可以考慮按照其初始的一些參數(shù)，如開啟電壓，來進行分類。因為即使同一批次的器件，性能也會有很大差別，而對LED的可靠性研究就是要從細微之處入手。

(3)提高對LED應(yīng)用產(chǎn)品可靠性的重視，發(fā)揮LED器件的優(yōu)勢，促使產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。目前，大功率白光LED應(yīng)用在照明上還不是很成熟，應(yīng)用產(chǎn)品還沒有真正的投入市場，要從根本上提高品質(zhì)，需要加大對可靠性的研究。

［1］金玲.GaAs紅外發(fā)光二極管加速壽命試驗.半導體光電，1995，16(1).

［2］G.Cassanelli，G.Mura， F.Fantiniand M.Vanzi.Failure Analysis of High Power White LEDs.International conference on microelectronics，11-14MAY，2008

［3］G.Meneghesso，S.Levada，E.Zanoni.Reliability of visible GaN LEDs in Plastic Package.Mieroeleetronies Reliability，2003，43(9):1737～1742.

［4］G.Meneghesso， S. Levada， R. Pierobon， et al.Degradation mechanisms ofGaN based LEDs after aeeelerated DC current aging. IEDM'02 Digest.International Eleetron Deviees Meeting，2002，103～106.

［5］大功率LED可靠性預(yù)測機制研究.

［6］鄧永孝.半導體器件失效分析.北京:宇航出版社，1991.