淺析發(fā)光二極管失效成因和使用壽命影響因素

趙曉慧

摘 要：該文對發(fā)光型二極管的基本原理進行闡述，并在此基礎(chǔ)上分析了影響發(fā)光型二極管壽命和失效的相關(guān)因素，建立了分析發(fā)光二極管的數(shù)學(xué)模型，通過實驗實測數(shù)據(jù)，探索了其失效機理。

關(guān)鍵詞：功率型發(fā)光二極管 失效 壽命

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0086-01

1 影響LED壽命及失效的因素分析

1.1 LED發(fā)光基本原理

LED采用電場發(fā)光，半導(dǎo)體晶片的P型半導(dǎo)體里空穴為多數(shù)載流子，N型半導(dǎo)體里電子為多數(shù)載流子，兩種導(dǎo)體連接形成PN結(jié)。電流通過晶片，電子會移向P型半導(dǎo)體和空穴復(fù)合，空穴會移向N型半導(dǎo)體與電子復(fù)合，然后以光子的形式向外發(fā)送能量，將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能，這就是LED發(fā)光的基本原理。

1.2 影響LED壽命的因素

從LED發(fā)光的基本原理看，在理想條件下LED不存在傳統(tǒng)光源燈具的老化和燒斷現(xiàn)象，因此從理論上其壽命是很長的，但其忽略了一些邊界條件。實際上現(xiàn)有電子工業(yè)的制造水平和工藝不可能達到所謂的理想條件，故影響LED壽命的因素主要在電子工業(yè)技術(shù)和工藝的瓶頸上，主要有以下幾個方面：

（1）管芯質(zhì)量的高低

制造過程中，如何克服其他雜志離子污染以及晶格缺陷等成為其制造水平高低的一個衡量標準，也是影響LED壽命的先決因素。

（2）封裝技術(shù)

LED的工藝封裝過程中，工藝結(jié)構(gòu)的致命缺陷是封裝技術(shù)的硬傷，也是影響LED壽命的一個重要因素。

（3）燈具設(shè)計

燈具設(shè)計也是影響LED壽命的重要因素，如果設(shè)計不合理，光源與散熱通道間沒有良好的接觸，造成散熱不暢，使得結(jié)溫過高，會影響LED的壽命。

1.3 LED失效因素

（1）偶然性因素

主要有二極管的靜電擊穿、LED內(nèi)部之間的連結(jié)導(dǎo)體斷裂等，這些可稱為LED失效的突變因素。

（2）必然性因素

這是在LED使用過程中必然出現(xiàn)的晶體性能退化過程，這是失效的緩變過程，主要是熒光粉失效及芯片物理性能衰減。

2 LED失效模型建立及分析方法

由于決定LED使用壽命的制造過程和工藝無法統(tǒng)一，我們只討論其在使用過程中失效的部分。另外，偶然性因素?zé)o法確切的在模型中表示，故本文的模型只考慮LED失效過程中的必然性因素。

2.1 LED失效模型的建立

LED失效過程可以看作一個性能退化問題。針對性能退化問題的數(shù)學(xué)模型中，適合解決LED失效問題的是反應(yīng)速率論模型。反應(yīng)速率論認為器件性能退化與化學(xué)反應(yīng)機制類似，用反應(yīng)速率描述器件性能衰減的過程。反應(yīng)速率論有兩大經(jīng)典模型：Arrhenius模型和Eyring模型。

（1）Arrhenius模型

Arrhenius于19世紀提出了此模型，其認為化學(xué)反應(yīng)速率與激活能和溫度有關(guān)。其模型公式如下：

式中，A為常數(shù)，Ea為激活能，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，R（T）為溫度T時的反應(yīng)速率。

從模型中可以看出，Arrhenius模型僅考慮了溫度對反應(yīng)速率的影響，并沒有考慮其他應(yīng)力對速率的影響。

（2）Eyring模型

Eyring模型在考慮了溫度應(yīng)力之外，還考慮了其他應(yīng)力對速率的影響。

式中，S即為其他應(yīng)力因子；為修正后的Arrhenius模型，為僅考慮溫度應(yīng)力的部分；，分別表示其他應(yīng)力對能量分布和激活能的修正因子；A、C、D均為常數(shù)。

在LED壽命測試實驗中，為縮短測試時間，往往采用數(shù)據(jù)擬合的方式得到LED性能隨時間變化的曲線。另外，在小應(yīng)力作用下LED性能衰減非常緩慢，短時間內(nèi)無法利用數(shù)據(jù)擬合出LED的性能-時間曲線，這是由于在小應(yīng)力作用下LED性能衰減速率過慢。因此在試驗中還需加大衰減速率以縮短測試時間，這就必須在試驗中加大應(yīng)力。得到大應(yīng)力作用下的性能衰減曲線后再通過Arrhenius模型或Eyring模型推斷出小應(yīng)力作用下的性能衰減曲線。

2.2 LED失效分析方法

決定功率型發(fā)光二極管的性能衰減的主要因素是溫度和電流，因此可以考慮用Eyring模型來描述這一問題，在模型中僅考慮溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力的影響。將Eyring模型中f1，f2綜合用Ix表示，得到LED失效簡化模型為：

如果當LED性能衰減到原有性能指標的時判定LED失效，則失效時間可以表示為：

LED壽命測試實驗可以分別以溫度和電流作為影響變量進行。僅考慮溫度時，可以指定電流，在不同溫度下進行實驗，這時可以采用Arrhenius模型對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合求出Ea和，這樣其他溫度作用下的壽命就可以得到；類似，僅考慮電流時，可以指定溫度，在不同電流下進行實驗，采用簡化的Eyring模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到B和x，然后得到在其他電流作用下的壽命。

3 實驗結(jié)果及分析

選取某商用功率型LED作為實驗對象，分兩批。一批在400 mA電流下分別在70 ℃、80 ℃、90 ℃的條件下進行壽命測試；另一批在70 ℃下分別在400 mA、600 mA、800 mA的條件下進行壽命測試。以LED的光效作為性能衰減的指標，老化時間為2400 h，間隔200 h監(jiān)測LED的性能。

在指定電流下，LED的光通與溫度有關(guān)，整體趨勢隨著時間的變化呈指數(shù)衰減，隨溫度的不同變化曲線略有不同；在性能退化前157h內(nèi)光效是逐步增加的，這是由于芯片的退火效應(yīng)造成，退火效應(yīng)發(fā)生在性能退化前期，持續(xù)的時間與芯片性能有關(guān)，性能越好，持續(xù)時間越長。在小電流區(qū)域，LED的光效是增加的，這是因為此時輻射復(fù)合強于非輻射復(fù)合，造成電子源源不斷的轉(zhuǎn)換為光子，其后電流進一步增加帶來的熱效應(yīng)造成非輻射復(fù)合加大，使得光效呈現(xiàn)下降的趨勢。由此可見小電流相對于大電流有著更高的光效，這也使小功率芯片的優(yōu)勢所在。

4 結(jié)語

本文通過對影響功率型LED壽命和失效因素的分析，建立LED失效的數(shù)學(xué)模型，并通過壽命測試實驗獲得的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到了LED的性能隨溫度及電流變化的規(guī)律，對于功率型LED的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻

[1] 劉洪濤，錢可元，羅毅.功率型LED封裝中的熱阻分析[J].半導(dǎo)體光電，2009（6）：15-17.

[2] 王兵.白光LED老化壽命試驗分析研究[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2011 （8）：29.endprint

摘 要：該文對發(fā)光型二極管的基本原理進行闡述，并在此基礎(chǔ)上分析了影響發(fā)光型二極管壽命和失效的相關(guān)因素，建立了分析發(fā)光二極管的數(shù)學(xué)模型，通過實驗實測數(shù)據(jù)，探索了其失效機理。

關(guān)鍵詞：功率型發(fā)光二極管 失效 壽命

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0086-01

1 影響LED壽命及失效的因素分析

1.1 LED發(fā)光基本原理

LED采用電場發(fā)光，半導(dǎo)體晶片的P型半導(dǎo)體里空穴為多數(shù)載流子，N型半導(dǎo)體里電子為多數(shù)載流子，兩種導(dǎo)體連接形成PN結(jié)。電流通過晶片，電子會移向P型半導(dǎo)體和空穴復(fù)合，空穴會移向N型半導(dǎo)體與電子復(fù)合，然后以光子的形式向外發(fā)送能量，將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能，這就是LED發(fā)光的基本原理。

1.2 影響LED壽命的因素

從LED發(fā)光的基本原理看，在理想條件下LED不存在傳統(tǒng)光源燈具的老化和燒斷現(xiàn)象，因此從理論上其壽命是很長的，但其忽略了一些邊界條件。實際上現(xiàn)有電子工業(yè)的制造水平和工藝不可能達到所謂的理想條件，故影響LED壽命的因素主要在電子工業(yè)技術(shù)和工藝的瓶頸上，主要有以下幾個方面：

（1）管芯質(zhì)量的高低

制造過程中，如何克服其他雜志離子污染以及晶格缺陷等成為其制造水平高低的一個衡量標準，也是影響LED壽命的先決因素。

（2）封裝技術(shù)

LED的工藝封裝過程中，工藝結(jié)構(gòu)的致命缺陷是封裝技術(shù)的硬傷，也是影響LED壽命的一個重要因素。

（3）燈具設(shè)計

燈具設(shè)計也是影響LED壽命的重要因素，如果設(shè)計不合理，光源與散熱通道間沒有良好的接觸，造成散熱不暢，使得結(jié)溫過高，會影響LED的壽命。

1.3 LED失效因素

（1）偶然性因素

主要有二極管的靜電擊穿、LED內(nèi)部之間的連結(jié)導(dǎo)體斷裂等，這些可稱為LED失效的突變因素。

（2）必然性因素

這是在LED使用過程中必然出現(xiàn)的晶體性能退化過程，這是失效的緩變過程，主要是熒光粉失效及芯片物理性能衰減。

2 LED失效模型建立及分析方法

由于決定LED使用壽命的制造過程和工藝無法統(tǒng)一，我們只討論其在使用過程中失效的部分。另外，偶然性因素?zé)o法確切的在模型中表示，故本文的模型只考慮LED失效過程中的必然性因素。

2.1 LED失效模型的建立

LED失效過程可以看作一個性能退化問題。針對性能退化問題的數(shù)學(xué)模型中，適合解決LED失效問題的是反應(yīng)速率論模型。反應(yīng)速率論認為器件性能退化與化學(xué)反應(yīng)機制類似，用反應(yīng)速率描述器件性能衰減的過程。反應(yīng)速率論有兩大經(jīng)典模型：Arrhenius模型和Eyring模型。

（1）Arrhenius模型

Arrhenius于19世紀提出了此模型，其認為化學(xué)反應(yīng)速率與激活能和溫度有關(guān)。其模型公式如下：

式中，A為常數(shù)，Ea為激活能，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，R（T）為溫度T時的反應(yīng)速率。

從模型中可以看出，Arrhenius模型僅考慮了溫度對反應(yīng)速率的影響，并沒有考慮其他應(yīng)力對速率的影響。

（2）Eyring模型

Eyring模型在考慮了溫度應(yīng)力之外，還考慮了其他應(yīng)力對速率的影響。

式中，S即為其他應(yīng)力因子；為修正后的Arrhenius模型，為僅考慮溫度應(yīng)力的部分；，分別表示其他應(yīng)力對能量分布和激活能的修正因子；A、C、D均為常數(shù)。

在LED壽命測試實驗中，為縮短測試時間，往往采用數(shù)據(jù)擬合的方式得到LED性能隨時間變化的曲線。另外，在小應(yīng)力作用下LED性能衰減非常緩慢，短時間內(nèi)無法利用數(shù)據(jù)擬合出LED的性能-時間曲線，這是由于在小應(yīng)力作用下LED性能衰減速率過慢。因此在試驗中還需加大衰減速率以縮短測試時間，這就必須在試驗中加大應(yīng)力。得到大應(yīng)力作用下的性能衰減曲線后再通過Arrhenius模型或Eyring模型推斷出小應(yīng)力作用下的性能衰減曲線。

2.2 LED失效分析方法

決定功率型發(fā)光二極管的性能衰減的主要因素是溫度和電流，因此可以考慮用Eyring模型來描述這一問題，在模型中僅考慮溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力的影響。將Eyring模型中f1，f2綜合用Ix表示，得到LED失效簡化模型為：

如果當LED性能衰減到原有性能指標的時判定LED失效，則失效時間可以表示為：

LED壽命測試實驗可以分別以溫度和電流作為影響變量進行。僅考慮溫度時，可以指定電流，在不同溫度下進行實驗，這時可以采用Arrhenius模型對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合求出Ea和，這樣其他溫度作用下的壽命就可以得到；類似，僅考慮電流時，可以指定溫度，在不同電流下進行實驗，采用簡化的Eyring模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到B和x，然后得到在其他電流作用下的壽命。

3 實驗結(jié)果及分析

選取某商用功率型LED作為實驗對象，分兩批。一批在400 mA電流下分別在70 ℃、80 ℃、90 ℃的條件下進行壽命測試；另一批在70 ℃下分別在400 mA、600 mA、800 mA的條件下進行壽命測試。以LED的光效作為性能衰減的指標，老化時間為2400 h，間隔200 h監(jiān)測LED的性能。

在指定電流下，LED的光通與溫度有關(guān)，整體趨勢隨著時間的變化呈指數(shù)衰減，隨溫度的不同變化曲線略有不同；在性能退化前157h內(nèi)光效是逐步增加的，這是由于芯片的退火效應(yīng)造成，退火效應(yīng)發(fā)生在性能退化前期，持續(xù)的時間與芯片性能有關(guān)，性能越好，持續(xù)時間越長。在小電流區(qū)域，LED的光效是增加的，這是因為此時輻射復(fù)合強于非輻射復(fù)合，造成電子源源不斷的轉(zhuǎn)換為光子，其后電流進一步增加帶來的熱效應(yīng)造成非輻射復(fù)合加大，使得光效呈現(xiàn)下降的趨勢。由此可見小電流相對于大電流有著更高的光效，這也使小功率芯片的優(yōu)勢所在。

4 結(jié)語

本文通過對影響功率型LED壽命和失效因素的分析，建立LED失效的數(shù)學(xué)模型，并通過壽命測試實驗獲得的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到了LED的性能隨溫度及電流變化的規(guī)律，對于功率型LED的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻

[1] 劉洪濤，錢可元，羅毅.功率型LED封裝中的熱阻分析[J].半導(dǎo)體光電，2009（6）：15-17.

[2] 王兵.白光LED老化壽命試驗分析研究[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2011 （8）：29.endprint

摘 要：該文對發(fā)光型二極管的基本原理進行闡述，并在此基礎(chǔ)上分析了影響發(fā)光型二極管壽命和失效的相關(guān)因素，建立了分析發(fā)光二極管的數(shù)學(xué)模型，通過實驗實測數(shù)據(jù)，探索了其失效機理。

關(guān)鍵詞：功率型發(fā)光二極管 失效 壽命

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（a）-0086-01

1 影響LED壽命及失效的因素分析

1.1 LED發(fā)光基本原理

LED采用電場發(fā)光，半導(dǎo)體晶片的P型半導(dǎo)體里空穴為多數(shù)載流子，N型半導(dǎo)體里電子為多數(shù)載流子，兩種導(dǎo)體連接形成PN結(jié)。電流通過晶片，電子會移向P型半導(dǎo)體和空穴復(fù)合，空穴會移向N型半導(dǎo)體與電子復(fù)合，然后以光子的形式向外發(fā)送能量，將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能，這就是LED發(fā)光的基本原理。

1.2 影響LED壽命的因素

從LED發(fā)光的基本原理看，在理想條件下LED不存在傳統(tǒng)光源燈具的老化和燒斷現(xiàn)象，因此從理論上其壽命是很長的，但其忽略了一些邊界條件。實際上現(xiàn)有電子工業(yè)的制造水平和工藝不可能達到所謂的理想條件，故影響LED壽命的因素主要在電子工業(yè)技術(shù)和工藝的瓶頸上，主要有以下幾個方面：

（1）管芯質(zhì)量的高低

制造過程中，如何克服其他雜志離子污染以及晶格缺陷等成為其制造水平高低的一個衡量標準，也是影響LED壽命的先決因素。

（2）封裝技術(shù)

LED的工藝封裝過程中，工藝結(jié)構(gòu)的致命缺陷是封裝技術(shù)的硬傷，也是影響LED壽命的一個重要因素。

（3）燈具設(shè)計

燈具設(shè)計也是影響LED壽命的重要因素，如果設(shè)計不合理，光源與散熱通道間沒有良好的接觸，造成散熱不暢，使得結(jié)溫過高，會影響LED的壽命。

1.3 LED失效因素

（1）偶然性因素

主要有二極管的靜電擊穿、LED內(nèi)部之間的連結(jié)導(dǎo)體斷裂等，這些可稱為LED失效的突變因素。

（2）必然性因素

這是在LED使用過程中必然出現(xiàn)的晶體性能退化過程，這是失效的緩變過程，主要是熒光粉失效及芯片物理性能衰減。

2 LED失效模型建立及分析方法

由于決定LED使用壽命的制造過程和工藝無法統(tǒng)一，我們只討論其在使用過程中失效的部分。另外，偶然性因素?zé)o法確切的在模型中表示，故本文的模型只考慮LED失效過程中的必然性因素。

2.1 LED失效模型的建立

LED失效過程可以看作一個性能退化問題。針對性能退化問題的數(shù)學(xué)模型中，適合解決LED失效問題的是反應(yīng)速率論模型。反應(yīng)速率論認為器件性能退化與化學(xué)反應(yīng)機制類似，用反應(yīng)速率描述器件性能衰減的過程。反應(yīng)速率論有兩大經(jīng)典模型：Arrhenius模型和Eyring模型。

（1）Arrhenius模型

Arrhenius于19世紀提出了此模型，其認為化學(xué)反應(yīng)速率與激活能和溫度有關(guān)。其模型公式如下：

式中，A為常數(shù)，Ea為激活能，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，R（T）為溫度T時的反應(yīng)速率。

從模型中可以看出，Arrhenius模型僅考慮了溫度對反應(yīng)速率的影響，并沒有考慮其他應(yīng)力對速率的影響。

（2）Eyring模型

Eyring模型在考慮了溫度應(yīng)力之外，還考慮了其他應(yīng)力對速率的影響。

式中，S即為其他應(yīng)力因子；為修正后的Arrhenius模型，為僅考慮溫度應(yīng)力的部分；，分別表示其他應(yīng)力對能量分布和激活能的修正因子；A、C、D均為常數(shù)。

在LED壽命測試實驗中，為縮短測試時間，往往采用數(shù)據(jù)擬合的方式得到LED性能隨時間變化的曲線。另外，在小應(yīng)力作用下LED性能衰減非常緩慢，短時間內(nèi)無法利用數(shù)據(jù)擬合出LED的性能-時間曲線，這是由于在小應(yīng)力作用下LED性能衰減速率過慢。因此在試驗中還需加大衰減速率以縮短測試時間，這就必須在試驗中加大應(yīng)力。得到大應(yīng)力作用下的性能衰減曲線后再通過Arrhenius模型或Eyring模型推斷出小應(yīng)力作用下的性能衰減曲線。

2.2 LED失效分析方法

決定功率型發(fā)光二極管的性能衰減的主要因素是溫度和電流，因此可以考慮用Eyring模型來描述這一問題，在模型中僅考慮溫度應(yīng)力和電流應(yīng)力的影響。將Eyring模型中f1，f2綜合用Ix表示，得到LED失效簡化模型為：

如果當LED性能衰減到原有性能指標的時判定LED失效，則失效時間可以表示為：

LED壽命測試實驗可以分別以溫度和電流作為影響變量進行。僅考慮溫度時，可以指定電流，在不同溫度下進行實驗，這時可以采用Arrhenius模型對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合求出Ea和，這樣其他溫度作用下的壽命就可以得到；類似，僅考慮電流時，可以指定溫度，在不同電流下進行實驗，采用簡化的Eyring模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合得到B和x，然后得到在其他電流作用下的壽命。

3 實驗結(jié)果及分析

選取某商用功率型LED作為實驗對象，分兩批。一批在400 mA電流下分別在70 ℃、80 ℃、90 ℃的條件下進行壽命測試；另一批在70 ℃下分別在400 mA、600 mA、800 mA的條件下進行壽命測試。以LED的光效作為性能衰減的指標，老化時間為2400 h，間隔200 h監(jiān)測LED的性能。

在指定電流下，LED的光通與溫度有關(guān)，整體趨勢隨著時間的變化呈指數(shù)衰減，隨溫度的不同變化曲線略有不同；在性能退化前157h內(nèi)光效是逐步增加的，這是由于芯片的退火效應(yīng)造成，退火效應(yīng)發(fā)生在性能退化前期，持續(xù)的時間與芯片性能有關(guān)，性能越好，持續(xù)時間越長。在小電流區(qū)域，LED的光效是增加的，這是因為此時輻射復(fù)合強于非輻射復(fù)合，造成電子源源不斷的轉(zhuǎn)換為光子，其后電流進一步增加帶來的熱效應(yīng)造成非輻射復(fù)合加大，使得光效呈現(xiàn)下降的趨勢。由此可見小電流相對于大電流有著更高的光效，這也使小功率芯片的優(yōu)勢所在。

4 結(jié)語

本文通過對影響功率型LED壽命和失效因素的分析，建立LED失效的數(shù)學(xué)模型，并通過壽命測試實驗獲得的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到了LED的性能隨溫度及電流變化的規(guī)律，對于功率型LED的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻

[1] 劉洪濤，錢可元，羅毅.功率型LED封裝中的熱阻分析[J].半導(dǎo)體光電，2009（6）：15-17.

[2] 王兵.白光LED老化壽命試驗分析研究[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2011 （8）：29.endprint