白光LED光衰可靠性研究

李治強(qiáng) 唐德良

【摘要】白光LED在LCD背光顯示領(lǐng)域應(yīng)用逐步廣泛。與傳統(tǒng)CCFL背光相比，其環(huán)保和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)十分明顯。隨著LED價(jià)格成本逐漸降低，白光LED將進(jìn)一步占領(lǐng)LCD背光市場(chǎng)份額，如何提升白光LED壽命及降低白光LED光衰減成為LED業(yè)者攻克的最大難題，本文就影響白光LED衰減針對(duì)材料、封裝、PN結(jié)溫度因素進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】白光LED;光衰;晶片;固晶膠;熒光粉;熒光膠水;支架;封裝工藝;PN結(jié)

引言

最近幾年白光LED廣受全球矚目，目前市場(chǎng)上最廣泛的白光LED封裝方式為藍(lán)光LED晶片激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，其成本低廉、性能穩(wěn)定深受廣大LED封裝廠歡迎。目前白光LED已廣泛應(yīng)用在一般家用照明和液晶電視（顯示器）中。但是目前在產(chǎn)品實(shí)際使用過程中遇到最大的問題是LED壽命和光衰還遠(yuǎn)達(dá)不到其理論標(biāo)稱10萬小時(shí)以上壽命，為了讓白光LED能夠健康、快速的發(fā)展，我們就需要正視白光LED存在的問題，本文通過分析對(duì)LED壽命造成影響的材料、封裝技術(shù)、工作結(jié)溫等因素的研究，找到影響LED壽命的關(guān)鍵因素，與LED業(yè)者同仁共同交流、探討，為LED行業(yè)的發(fā)展略盡綿力。

一、材料對(duì)LED光衰的影響

1.晶片對(duì)LED光衰的影響

影響晶片可靠性的主要因素有：良好的導(dǎo)熱性、抗靜電性能和抗浪涌電壓和電流等。

從目前實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，晶片對(duì)光衰的影響分為兩大類：第一是晶片的材質(zhì)不同導(dǎo)致衰減不同。目前常用的藍(lán)光晶片襯底材質(zhì)為碳化硅和藍(lán)寶石，碳化硅一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單電極，其導(dǎo)熱效果比較好，藍(lán)寶石一般設(shè)計(jì)為雙電極，熱量較難導(dǎo)出，導(dǎo)熱效果較差;第二是晶片的尺寸大小，在晶片材質(zhì)相同時(shí)，尺寸大小不同衰減差距也不同。就芯片相比較而言，藍(lán)光和綠光LED芯片，主要是外延材料摻雜不同，襯底一般都是藍(lán)寶石，襯底的導(dǎo)熱能力相同的。所以，外延部分的材料結(jié)構(gòu)決定了他們的耐受溫度的能力，這應(yīng)該也是芯片改進(jìn)的重點(diǎn)，在芯片的外延材料結(jié)構(gòu)沒有那么快改善的情況下，只有像現(xiàn)在這樣，通過置換襯底材料來改進(jìn)導(dǎo)熱能力。藍(lán)光LED的壽命是最差的，先天的不足導(dǎo)致由它構(gòu)成的白光LED的壽命更差。

2.熒光粉對(duì)LED光衰的影響

實(shí)現(xiàn)白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過在藍(lán)光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質(zhì)對(duì)白光LED的衰減影響很大。市場(chǎng)最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍(lán)光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同廠商的熒光粉對(duì)光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關(guān)系密切。圖1為用兩種不同熒光粉封裝的白光LED與藍(lán)光LED對(duì)比的光衰曲線。

LED用的熒光粉受光激發(fā)效率隨溫度的變化關(guān)系，似乎還沒有相關(guān)資料，已有充分的事實(shí)可以證明，溫度升高，即影響到熒光粉的性能和壽命。熒光粉廠家做了測(cè)試，在溫度為80度時(shí)，熒光粉的激發(fā)效率降低了2%，冷卻后又恢復(fù)，而這僅僅是做很短時(shí)間的一個(gè)測(cè)試而已，已說明溫度升高，熒光粉的性能下降，至于不可恢復(fù)的性能衰退，則是一個(gè)累計(jì)的過程，需要一定的時(shí)間。我們使用某廠家的4個(gè)樣本3020LED封裝做整機(jī)的高溫5000小時(shí)老化試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)LED背光亮度有一個(gè)先升高再下降的過程，如圖2所示。這種狀況可能由下列情況產(chǎn)生：

A.熒光粉和混合膠作用，使熒光粉的性能降低，在溫度的初期作用下，使熒光粉的性能恢復(fù)。

B.熒光粉和混合膠作用，使熒光粉的性能提高。

C.藍(lán)光芯片的初始一段時(shí)間性能有增強(qiáng)。

我們使用不同廠家的5630封裝LED做高溫5000小時(shí)老化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在初始一段時(shí)間內(nèi)，白光LED的光通能量既有一開始就上升的，也有一開始就下降的（如圖3所示），這種狀況在相同的紅光芯片在不同廠家封裝時(shí)也有發(fā)生，所以，僅以短時(shí)間的試驗(yàn)是很難斷定是熒光粉的問題，還是封裝材料或封裝工藝的問題。有幾個(gè)現(xiàn)象還可以證明，白光LED的壽命主要是由于熒光粉的性能衰退而縮短的。首先，有試驗(yàn)表明，在對(duì)LED進(jìn)行老化試驗(yàn)后，LED已不是白光，而是嚴(yán)重偏藍(lán)色的光，說明熒光粉的作用喪失。其次，有人做了這樣的試驗(yàn)，將已衰減30%多的白光LED取出芯片測(cè)試，發(fā)現(xiàn)芯片只衰減了百分之幾。這也說明熒光粉的作用失去?？傮w來講，在溫度的作用下，熒光粉是會(huì)衰減的。溫度越高，熒光粉性能衰退越嚴(yán)重。所以，白光LED的光衰減，主要原因就是熱作用下熒光粉性能的首先、快速衰減。究竟是熒光粉自身在LED正常工作的溫度下就有衰減，還是由于有混合膠的影響造成衰減，還需做更充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。方法如下：取相同的熒光粉分為幾份，其中一份不做何處理以做對(duì)比，另外幾份分別以不同的溫度、和時(shí)間來加熱處理?？傊瑹o論是熒光粉自身還是熒光粉與膠體混合，它們都在一定溫度下就會(huì)是熒光粉性能快速衰退。所以說，熒光粉是白光LED光衰的第一位原因。

3.支架對(duì)LED光衰的影響

LED支架主要有銅支架和鐵支架。銅支架導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，價(jià)格高。而鐵支架的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能相對(duì)較差，更容易生銹，但價(jià)格便宜。市場(chǎng)上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對(duì)LED的性能影響也不同，特別是對(duì)光衰的影響尤為突出，如圖4，這主要是由于銅的導(dǎo)熱性能比鐵的好很多，銅的導(dǎo)熱系數(shù)398W/（m.k），而鐵的導(dǎo)熱系數(shù)只有50W/（m.k）左右，僅為前者的1/8，還有支架的電鍍層厚度也密切相關(guān)。在選用支架時(shí)，還要注意支架的碗杯大小是否與發(fā)光芯片以及模粒匹配，其匹配質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響白光LED的光學(xué)效果，否則容易造成光斑形狀不對(duì)稱、有黃圈，以及黑斑等，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.固晶底膠對(duì)LED光衰的影響

在白光LED封裝行業(yè)中通常用到的固晶膠有環(huán)氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊，在選用時(shí)要綜合考慮。環(huán)氧樹脂絕緣膠導(dǎo)熱性差，但亮度高;硅樹脂絕緣膠導(dǎo)熱效果比環(huán)氧樹脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時(shí)旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環(huán)氧樹脂相結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生隔層現(xiàn)象，經(jīng)過冷熱沖擊后將產(chǎn)生剝離導(dǎo)致死燈;銀膠的導(dǎo)熱性比前兩者都好，可以延長LED芯片的壽命，但銀膠對(duì)光的吸收比較大，導(dǎo)致亮度低。對(duì)于雙電極藍(lán)光晶片在用銀膠固晶時(shí)，對(duì)膠量的控制也很嚴(yán)格，否則容易產(chǎn)生短路，直接影響到產(chǎn)品的良品率。圖5所示為分別采用銀膠和絕緣膠固晶封裝的白光LED的光衰實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，用銀膠的壽命明比用絕緣膠高出很多。

5.熒光膠水對(duì)LED光衰的影響

傳統(tǒng)封裝的白光LED，熒光膠一般采用環(huán)氧樹脂或硅膠，經(jīng)過光衰實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出，用硅膠配粉的白光LED壽命明顯比環(huán)氧樹脂的長。如圖6所示，分別用環(huán)氧樹脂和硅膠配粉進(jìn)行光衰實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。原因之一是用硅膠和環(huán)氧樹脂配粉的封裝工藝不一樣，硅膠烘烤溫度較低，時(shí)間較短，對(duì)芯片的損傷也小;另外，硅膠比環(huán)氧樹脂更具有彈性，更能對(duì)芯片起到保護(hù)作用。但在相同條件下，用硅膠配粉的初始亮度要比環(huán)氧樹脂配粉的要低，最主要是由于硅膠的折射率（1.3～1.4）比環(huán)氧樹脂（1.5以上）低，所以初始光效不及環(huán)氧樹脂高。

二、封裝工藝對(duì)LED光衰的影響

有了好的LED芯片，還要有科學(xué)的封裝方法，這樣才能得到壽命較長的白光LED光源。

首先對(duì)白光LED封裝所用的材料進(jìn)行分析。固定LED芯片所用的固晶膠，有導(dǎo)電膠和絕緣膠之分，如果LED芯片為L型電極，就必須使用導(dǎo)電膠，這種固晶膠既能導(dǎo)電又能導(dǎo)熱。如果LED芯片是V型電極，就要使用導(dǎo)熱性能好的絕緣膠作為固晶膠。

其次是選用引腳式封裝的支架，目前支架由兩種材料做成：一種是鐵支架，外表鍍銀;另一種是銅支架，外表也是鍍銀。這兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，相差比較大。

封裝過程中每道工藝的條件都可能對(duì)LED的性能和可靠性造成影響，在生產(chǎn)工藝方面，問題最多的是在粘片盒焊接工藝上，因?yàn)樘摵笗?huì)增加熱阻和阻抗，而增加的阻抗又產(chǎn)生額外的熱量。粘片的膠太厚、膠體中含水汽、氣泡、雜質(zhì)、虛粘等，都會(huì)增加熱阻及電阻。

三、PN結(jié)溫度對(duì)LED光衰的影響

理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明，LED的壽命是與LED的PN結(jié)工作溫度緊密相關(guān)的。PN結(jié)的工作溫度一般在110～120℃之間，但在設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮長期工作的情況下，PN結(jié)盡量保持在100℃左右。當(dāng)LED芯片內(nèi)結(jié)溫升高10℃時(shí)，光通量就會(huì)衰減1%，LED芯片發(fā)光的主波長就會(huì)漂移1～2nm。美國CREE公司的光衰曲線如圖7所示。

對(duì)于白光LED來說，溫度對(duì)白光LED的壽命影響很大。一方面PN結(jié)溫升，促使光衰增大;另一方面促使發(fā)光主波長漂移，同時(shí)也影響了光對(duì)熒光粉的有效激發(fā)，不但光衰增大，色溫也產(chǎn)生變化。因?yàn)橹鞑ㄩL改變了，激發(fā)的黃光也發(fā)生變化，結(jié)果混合光就和原有光的色溫不一樣。所以要延長LED壽命的關(guān)鍵是要降低其結(jié)溫。

圖7 CREE公司LED光衰曲線

四、結(jié)論

本文通過對(duì)LED相關(guān)的材料、封裝、工作結(jié)溫等因素的研究，分析了各種因素可能對(duì)LED壽命產(chǎn)生的影響。對(duì)于在LED產(chǎn)品應(yīng)用過程中LED光衰不僅與LED本身質(zhì)量有關(guān)，而且與其工作的環(huán)境溫度也密切相關(guān)。如果長期工作的較高的溫度下，其壽命會(huì)隨著溫度升高大大的降低。因此，溫度是影響LED光衰的主要因素之一。而不同的封裝廠由于材料和封裝工藝的不同其壽命差異也很大，所以背光廠家在引入LED封裝時(shí)需要先測(cè)試LED的溫升和大于1000小時(shí)的高溫老化試驗(yàn)來預(yù)估LED的壽命。

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