通過(guò)加速老化實(shí)驗(yàn)對(duì)LED器件可靠性的研究

陳宇 黃帆 嚴(yán)華鋒 殷錄橋 張建華 李志君

(1.上海亞明燈泡廠有限公司，上海 201801;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

1 引言

與傳統(tǒng)的照明光源(白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度放電燈)相比，LED由于具有節(jié)能、高效、壽命長(zhǎng)、抗震、體積小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，大功率LED器件得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)潛力逐漸變大。作為一種新型的照明光源，大功率LED照明產(chǎn)品將成為繼傳統(tǒng)照明光源之后的新一代照明光源［1］。然而，在眾多的LED照明產(chǎn)品中，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，其中問(wèn)題之一是LED器件的可靠性。LED光源與燈具的可靠性問(wèn)題阻礙了其進(jìn)入通用照明的步伐［2］。LED產(chǎn)品的可靠性，是決定其能否進(jìn)入通用照明的關(guān)鍵因素之一。研究人員們對(duì)LED可靠性做了大量的研究工作，常見的壽命試驗(yàn)方法有普通條件外推法、溫度加速壽命實(shí)驗(yàn)法、電流加速壽命實(shí)驗(yàn)法，由于普通條件外推法周期非常長(zhǎng)，一般多采用溫度加速壽命實(shí)驗(yàn)法和電流加速壽命實(shí)驗(yàn)法。

F．Manyakhin［3］等人利用電流加速老化實(shí)驗(yàn)分析了GaN基LED的空間電荷層離化受主的分布和光電參數(shù)的變化，對(duì)老化過(guò)程中發(fā)光強(qiáng)度的變化作了一種解釋，認(rèn)為是有源層中的Mg-H化合物受熱分解成Mg+從而使P型層離子濃度增加，從而使非輻射復(fù)合增加降低了發(fā)光強(qiáng)度。對(duì)于功率型器件而言，散熱是必須解決的問(wèn)題，特別是多芯片集成大功率LED模組和燈具會(huì)使熱量更加聚集，熱量的聚集引起LED芯片結(jié)溫迅速上升，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料和熒光粉的發(fā)光效率下降［4］。劉勝教授［5］課題組隊(duì)對(duì)濕氣擴(kuò)散和溫度對(duì)LED可靠性的影響進(jìn)行了研究。認(rèn)為在濕應(yīng)力和熱應(yīng)力的耦合作用下，造成了LED芯片與熒光粉間、熒光粉與硅膠間、硅膠與透鏡的界面分層，并且硅膠容易產(chǎn)生空洞，裂紋等缺陷。美國(guó)新墨西哥州大學(xué)的Barton［6］用PDS分析了環(huán)氧樹脂的短波輻射退化現(xiàn)象，并用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的褐化溫度在150℃，周文英教授［7］等人觀察到了大電流條件下封裝材料的碳化現(xiàn)象。L．R．Trevisanello［8］等人利用溫度加速老化實(shí)驗(yàn)對(duì)HP-LED進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂會(huì)隨著溫度的升高而變成褐色，并且對(duì)LED的光學(xué)和熱學(xué)特性的變化也作了相關(guān)的研究。J．Z．Hu［9］對(duì)熱濕應(yīng)力對(duì) LED器件影響作了大量的研究，發(fā)現(xiàn)濕應(yīng)力的增大會(huì)造成熱應(yīng)力的增大，從而影響器件材料間的分層。

LED常見的失效機(jī)制有:芯片材料失效、電遷移破壞、芯片擊穿、封裝材料失效、鍵合失效、熒光粉失效和基板失效等［10］。其他失效機(jī)理:由于局部溫度過(guò)高導(dǎo)致金線與電極開路;由于各材料之間熱膨脹系數(shù)之間存在差異，溫度的變化造成的應(yīng)力使得金線斷裂;芯片鍵合老化;倒裝芯片中焊球的脫落等［11］。

溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)試LED的開關(guān)效應(yīng)或在晝夜環(huán)境溫度變化的可靠性，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，利用材料的熱膨脹系數(shù)的不同對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造成疲勞效果，進(jìn)而影響LED的可靠性。為了更好的理解研究LED 的 可 靠 性，參 考 EIAJED—4701/100 和IEC60749—25的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)采用了冷熱溫度加速老化實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)功率型LED進(jìn)行了可靠性的研究。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)采用共4組不同結(jié)構(gòu)和不同封裝材料的器件:分別為1W藍(lán)光器件 (A，6顆)、1 W白光器件2組 (B、C;每組各6顆)、以及COB模組(D，3條)。1 W的A、B、C、D四組器件的芯片大小都為45 mil×45 mil，每條COB器件共有36粒小芯片，結(jié)構(gòu)與材料的不同如表1所示。

表1 4組不同結(jié)構(gòu)與不同材料LED器件

2.2 溫度循環(huán)條件

依據(jù) EIAJED—4701/100和 IEC60749—25標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件為－25℃/125℃的冷熱溫度循環(huán)，循環(huán)條件如圖1所示，每一次循環(huán)周期為2.5小時(shí)，其中－25℃低溫保持1小時(shí)，25℃常溫保持0.5小時(shí)以及125℃ 高溫保持1小時(shí)。

圖1 高低溫循環(huán)曲線

2.3 測(cè)試方法

A、B、C和D器件的老化時(shí)間為900小時(shí)。實(shí)驗(yàn)前期每20次循環(huán)進(jìn)行一次光學(xué)測(cè)試，穩(wěn)定后每50次循環(huán)進(jìn)行一次光學(xué)測(cè)試。1 W器件在整個(gè)老化期間內(nèi)進(jìn)行老化前、老化中、老化后3次熱學(xué)參數(shù)的測(cè)量。并對(duì)失效的器件進(jìn)行I－V特性分析。光熱特性參數(shù)采用平均值法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 LED光學(xué)特性的變化

光學(xué)性能方面主要測(cè)量了光通量、主波長(zhǎng)與色溫等光學(xué)特性隨老化時(shí)間的變化，測(cè)量設(shè)備為遠(yuǎn)方的HAAS－2000。A、B、C、D的老化時(shí)間均為900小時(shí)。圖2為各組樣品隨老化時(shí)間的光通量維持率隨著老化時(shí)間的編號(hào)趨勢(shì)。通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn):A、B、D三組器件的光通量衰減較小，而C組器件光衰略大。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同結(jié)構(gòu)與封裝材料的LED器件可以通過(guò)高低溫老化方法作為其可靠性的一個(gè)測(cè)試方法。

圖2 各組樣品隨老化時(shí)間的光衷變化

圖3 表示A組1W藍(lán)光器件的主波長(zhǎng)隨老化時(shí)間的變化情況，在高低溫循環(huán)加速老化900小時(shí)后，藍(lán)光器件的主波長(zhǎng)飄移不明顯，都在0.3 nm范圍內(nèi)變化。這表明此種加速老化實(shí)驗(yàn)方法對(duì)藍(lán)光器件的主波長(zhǎng)影響較小。

圖4表示B、C兩組1W白光器件和D組COB的色溫隨老化時(shí)間的變化情況。在高低溫循環(huán)加速老化900小時(shí)后，白光LED器件的色溫略有增加，在50K范圍內(nèi)變化。

3.2 LED樣品熱學(xué)特性的變化

結(jié)溫和熱阻等熱學(xué)參數(shù)的測(cè)量采用的是Analysis Tech Phase 11。本文通過(guò)900小時(shí)的加速老化實(shí)驗(yàn)，對(duì)3組功率型LED的結(jié)溫和熱阻在老化前、老化中、老化后進(jìn)行三次測(cè)量。結(jié)溫和熱阻的測(cè)試結(jié)果分別如圖5、圖6所示:通過(guò)3組樣品3次測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，900小時(shí)后各組LED器件的結(jié)溫都有增加，且各組的增加速率不一樣，C組的增加比其他組略高。熱阻也有類似的變化趨勢(shì)，樣品C熱阻的增加比其他幾組，與C組器件光衰相對(duì)略大趨勢(shì)一致。

圖3 A、B藍(lán)光器件主波長(zhǎng)隨老化時(shí)間的變化

圖4 C、D、E白光器件色溫隨老化時(shí)間的變化

圖5 結(jié)溫隨加速老化時(shí)間的變化

3.3 失效樣品的電學(xué)特性

圖6 熱阻隨加速老化時(shí)間的變化

隨著老化時(shí)間的增加，各組樣品先后會(huì)有器件失效。表2表示了900小時(shí)內(nèi)各組器件隨老化時(shí)間的增加失效數(shù)的變化。功率型器件A、B、C器件數(shù)每組為6顆，COB器件共3條，每條由36顆小芯片構(gòu)成。從表中可以看出:不同組的LED器件在經(jīng)過(guò)900小時(shí)的高低溫加速老化后，其失效率各不相同，其中A、B組失效個(gè)數(shù)與樣本數(shù)之比為1∶6，而C組6顆LED器件全部都失效，D組沒有失效器件。由此可以看出，高低溫循環(huán)加速老化此種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)可靠性的評(píng)價(jià)和器件優(yōu)劣的篩選有很大的參考價(jià)值。

表2 失效個(gè)數(shù)隨老化時(shí)間的變化

其中失效的LED器件有一個(gè)共同的現(xiàn)象即閃爍發(fā)光，本實(shí)驗(yàn)采用 Tokyo Electronics Trading co．，Ltd．(TET)來(lái)分析失效器件的I－V特性。圖7所示的為其中失效器件的I－V曲線，可以看出失效器件的I－V曲線已經(jīng)出現(xiàn)波動(dòng)。圖8(a)表示在350 mA恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)電壓在某一個(gè)區(qū)間內(nèi)變化;圖6(b)表示在3.6 V的恒壓驅(qū)動(dòng)下電流的不穩(wěn)定性，在某一個(gè)區(qū)間內(nèi)變化。

4 結(jié)論

圖7 失效器件的I－V特性

圖8 (a)恒流驅(qū)動(dòng)時(shí) (350 mA)電壓的變化(b)恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí) (3.6 V)電流的變化

通過(guò)本冷熱溫度循環(huán)加速老化實(shí)驗(yàn) (－25℃/125℃)，分析討論了經(jīng)過(guò)900小時(shí)的加速老化后LED的光、熱和電學(xué)特性變化趨勢(shì)，主要可以得到以下結(jié)論:1)不同封裝結(jié)構(gòu)的LED器件的光衰速率有一定的差距，其中正裝結(jié)構(gòu)鋁基板封裝形式(C組)的LED器件光衰率略高;2)垂直結(jié)構(gòu)陶瓷封裝 (A組藍(lán)光LED器件)主波長(zhǎng)在老化過(guò)程中沒有發(fā)生明顯變化，C、D組白光LED器件色溫略有變化，變化值約50 K;3)不同組的LED器件經(jīng)過(guò)加速老化后失效率各不相同，其中C組6個(gè)器件全部失效，A、B組分別失效1個(gè);4)基于COB封裝技術(shù)的小功率LED集成封裝器件的光通量維持率總體來(lái)說(shuō)高于功率型LED，且在老化時(shí)間為900小時(shí)時(shí)失效率為0;5)失效的LED器件呈現(xiàn)一個(gè)共同的閃爍現(xiàn)象，穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)時(shí)電流在某個(gè)區(qū)間變化，穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)時(shí)電壓在某個(gè)區(qū)間內(nèi)變化。

［1］LED applications．US Department of Energy(DOE)，2009(www．ssl．energy．gov)

［2］http://www．eccin．

［3］F．Manyakhin，A．Kovalev， A．E．Yunovich．Aging Mechanisms of InGaN， AlGaN， GaN Light-Emitting Diodes Operating at High Currents［J］．MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research．1998(3):53

［4］劉行仁，薛勝薜，黃德森，林秀華．白光LED現(xiàn)狀和問(wèn)題［J］．光源與照明，2003(03)

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［9］J．Hu，L．Yang，and M．W．Shin，“Thermal and mechanical analysis of high-power LEDs with ceramic packages，”IEEE Trans．Device Mater．Reliab．，2008，V8(2):297～303

［10］Guoguang LU，Shaohua YANG，Yun HUANG．Analysis on Failure Modes and Mechanisms of LED ［J］．IEEE．2009:1237～1241

［11］陳宇彬，李炳乾，范廣涵．白光LED老化機(jī)理研究進(jìn)展 ［J］．國(guó)外電子元器件，2007(1):8～12