低色溫?zé)o熒光粉LED光源的可靠性研究

李嘉祥， 潘 拴， 劉軍林， 吳小明

(南昌大學(xué) 國家硅基LED工程技術(shù)研究中心， 江西 南昌 330047)

1 引 言

從上世紀60年代世界上首支GaAsP紅光LED的誕生，到90年代GaN藍光LED的重大技術(shù)突破，再到LED廣泛應(yīng)用于固態(tài)照明、汽車車燈、交通指示燈以及植物照明等領(lǐng)域[1-5]，LED的科學(xué)研究及商業(yè)生產(chǎn)得到了巨大發(fā)展。隨著LED在照明領(lǐng)域應(yīng)用的擴展與深入，市場也對LED光源提出了更高的要求，要實現(xiàn)節(jié)能、健康、智慧的半導(dǎo)體照明[6]。

目前市面上的白光LED多為藍光LED加熒光粉構(gòu)成，其中藍光成分占比較多，色溫偏高(大于5 000 K)，研究表明短波長的藍光不僅會損傷視網(wǎng)膜色素細胞，還會抑制褪黑素的分泌，影響人體節(jié)律，導(dǎo)致失眠等現(xiàn)象[7-9]。人類在長期進化過程中習(xí)慣了低色溫光源(小于3 000 K)，為滿足健康舒適的照明需求，LED光源的色溫要進一步降低。Deng等[10]和李琪等[11]通過改變熒光粉中的紅光/藍綠光成分，分別制得色溫為3 774 K和3 000 K的暖白光LED。Zhong等[12]合成了無稀土的紅色熒光粉，采用UV LED+RGB熒光粉的技術(shù)路線制得3 255 K的暖白光LED。Chakrabarti等[13]和楊厚云等[14]通過使用LED芯片補償白光LED的方法，分別獲得了色溫為2 200 K左右和2 700 K的低色溫白光LED。目前各研究機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的低色溫LED光源主要是熒光粉LED，由于它存在能量損失、熒光粉失效和不易做到低色溫等問題，另一條技術(shù)路徑即純LED照明技術(shù)成為了健康照明的更優(yōu)選擇[15]。

低色溫純LED照明技術(shù)的難點主要在于黃光LED的光效比較低，本單位研發(fā)的硅襯底InGaN黃光LED，在20 A/cm2驅(qū)動下波長565 nm黃光LED光效達26.7%，對應(yīng)164 lm/W，已達到實用化水平，為純LED照明技術(shù)提供了重要支撐[16-17]?；谠摳吖庑S光制備了低色溫?zé)o熒光粉LED光源[17]。低色溫?zé)o熒光粉LED光源作為純LED照明產(chǎn)品，相對于熒光粉LED光源來說，完全避免了藍光危害，不存在激發(fā)熒光粉帶來的能量損失，使用過程中避免了熒光粉自身發(fā)熱帶來的可靠性問題，并且節(jié)省了制備熒光粉所需的稀土元素這一國家戰(zhàn)略資源。夜間照明或家居照明使用這種無藍光、色溫較低的光源，既對人眼安全舒適，又能有效提高睡眠品質(zhì)。Lin等[18]通過光生物醫(yī)學(xué)觀測，證明了該低色溫?zé)o熒光粉LED光源在改善睡眠、保護眼睛和毛發(fā)再生等方面具有積極作用，適用于室內(nèi)照明并有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時該光源作為室外照明的路燈使用時，不僅集成LED節(jié)能環(huán)保和鈉燈暖色調(diào)的雙重優(yōu)勢，還具有健康不炫光、穿透能力強和壽命長等優(yōu)點。

低色溫?zé)o熒光粉LED光源雖然具有諸多優(yōu)點，但是作為一種新型人造光源，它的可靠性尚不明確。因為其中使用了InGaN和AlGaInP兩種材料體系的芯片，可能會出現(xiàn)峰值波長、半峰寬以及色溫等發(fā)生改變的情況，需要進行系統(tǒng)研究[19]。本文通過高溫加速老化實驗和溫度步進應(yīng)力實驗，測量了不同低色溫光源老化前后光電性能的變化，得到其衰減規(guī)律并分析失效機理，研究了其可靠性。

2 實 驗

實驗樣品分別為自制2 000 K無熒光粉樣品和市場采購的2 000 K、3 000 K熒光粉樣品，以下依次記為樣品A、樣品B和樣品C。3種樣品采用相同的5050陶瓷封裝，具有相同的散熱條件。樣品A由兩顆1.143 mm(45 mil)黃光芯片和兩顆1.066 8 mm(42 mil)紅光芯片組成，4顆芯片之間采用兩串兩并的電路形式，如圖1(a)所示。樣品B和樣品C都是在單顆1.651 mm(65 mil)藍光芯片上涂敷黃色和紅色熒光粉，利用熒光粉的配比和厚度獲得不同的色溫。在25 ℃、400 mA工作電流下測得3種樣品的光電特性如表1所示。從表1中可以看出，作為純LED的低色溫樣品，樣品A已經(jīng)體現(xiàn)出了比同色溫?zé)晒夥蹣?2 000 K)更好的光電參數(shù)，顯色指數(shù)更高，光效更優(yōu)。隨著技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)品的更新，本單位目前研發(fā)的2 000 K無熒光粉LED光源，光效已經(jīng)提高至141.9 lm/W[17]，明顯好于相同或相近色溫的熒光粉光源。

表1 3種樣品在25 ℃及400 mA下的光電特性

在LED工作中，電流密度和溫度是兩個非常關(guān)鍵的因素。老化實驗也多是根據(jù)電流密度和溫度進行設(shè)計。在環(huán)境溫度和散熱條件相同的情況下，影響工作溫度的主要是電功率。但是因為藍光LED和紅光、黃光LED在相同電流密度下工作電壓相差很大，無法同時實現(xiàn)相同電流密度和相同電功率兩個條件。故在85 ℃的高溫加速老化實驗中，以電流密度和電功率為標準，對每種樣品各設(shè)置了3個不同的老化條件，獲得兩組相同的電流密度和兩組相同老化功率的數(shù)據(jù)進行比較，如表2所示。每個條件下選取4只LED老化2 000 h，老化過程中在一定的時間點拆下樣品測試其光電性能。

表2 85 ℃高溫加速老化應(yīng)力條件

Tab.2 Stress conditions of high temperature accelerated aging at 85 ℃

樣品種類老化電流/mA電流密度/(A·cm-2)電功率/W低色溫?zé)o熒光粉400201.9700353.61 000505.52 000 K和3 000 K熒光粉400201.21 000503.61 400675.5

溫度步進應(yīng)力實驗中所有樣品的老化電流均為400 mA，將烘箱溫度設(shè)置從100 ℃開始以20 ℃或者10 ℃為步長逐漸升溫。樣品在每個溫度點維持點亮12 h，然后降至室溫進行光電性能測試。每種樣品各取4只進行老化。實驗中用熱電偶測量鋁基板上固定點的溫度作為殼體溫度，測量位置如圖1(b)中的點T所示。

圖1 (a)低色溫?zé)o熒光粉LED光源兩串兩并電路;(b)殼體溫度測量點T。

Fig.1 (a)Simplified electrical circuit of low color temperature phosphor-free LED light source. (b)Temperature measurement point T of shell.

兩組實驗所有樣品的光電性能，都是在25 ℃及400 mA的工作電流下，通過積分球系統(tǒng)測得。

3 結(jié)果與討論

樣品光通量隨高溫老化時間的變化趨勢如圖2所示。從圖2(a)可以看出，當老化電流密度為20 A/cm2(即工作電流密度)時，3種樣品的光通量變化趨勢基本一致，光通量在整個老化過程中保持穩(wěn)定，顯示出3種樣品都具有良好的可靠性。當加速老化實驗的電流應(yīng)力水平提高以后，三者的光通量衰減情況呈現(xiàn)明顯差異。由圖2(b)、(c)可以看出，在老化電流密度為50 A/cm2和老化功率為3.6 W時，光通量衰減從大到小排序為樣品B>樣品A>樣品C。由圖2(d)可以看出，當老化功率增大到5.5 W時，光通量衰減從大到小排序為樣品B>樣品C>樣品A。上述結(jié)果表明，在工作電流密度下老化時，3種樣品的光通量都表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，但是當老化的電流應(yīng)力水平或電功率提高后，無熒光粉的樣品A光通量衰減一直小于同色溫的樣品B。對各老化功率下老化到2 000 h的樣品進行測試，測得當老化功率從3.6 W增大至5.5 W時，樣品A的光通量衰減增量(-0.3%)遠小于樣品B(6.7%)、C(8.9%)。

為分析光通量隨老化時間的變化情況，以老化功率5.5 W實驗的樣品為例，給出了不同老化時間節(jié)點的歸一化光譜曲線，如圖3所示。圖3(a)為樣品A的光譜曲線隨老化時間的變化，插圖顯示了黃光波段峰值強度的變化情況，由圖可知黃光部分在高溫大功率老化過程中略有衰減，紅光部分相對穩(wěn)定。由圖3(b)、(c)可以看出，在熒光粉衰減方面，樣品B的熒光粉比樣品C的熒光粉衰減幅度更大。相比于樣品C，色溫較低的樣品B在制備過程中，需要增加熒光粉的厚度并增加紅色熒光粉所占比例，從而提高熒光粉光譜強度、降低藍光強度來達到低色溫的目標，故樣品B光譜中藍光峰很弱。

得到不同樣品在老化過程中的光譜變化規(guī)律后，可以進一步分析樣品的失效機理。從圖2(b)可以看出，當老化電流密度為50 A/cm2時，3種樣品在老化過程中有不同程度的光通量衰減。樣品A的光通量在整個老化過程中緩慢下降，這主要是因為在高溫大電流應(yīng)力下隨著老化的進行，在LED有源區(qū)內(nèi)缺陷和非輻射復(fù)合中心增加，內(nèi)量子效率降低，并且非輻射復(fù)合會加劇晶格震動，導(dǎo)致缺陷發(fā)生運動并進一步增加，光通量衰減[20-23]。樣品B、C均為熒光粉樣品，但樣品B光通量衰減最大而樣品C衰減最小。出現(xiàn)差異的原因是，在兩者的熒光粉層中不同種類的熒光粉占比不同。兩種樣品的熒光粉層均由黃色YAG熒光粉、紅色熒光粉和硅膠通過一系列工藝制成。相對來說樣品B的色溫更低，在樣品B的熒光粉層中，紅色熒光粉所占比例更大。相比黃色YAG熒光粉，紅色熒光粉性能更不穩(wěn)定，在老化過程中更易失效[24]。在加速老化過程中，由于紅色熒光粉轉(zhuǎn)換效率較低[25]，會產(chǎn)生更多的熱量，導(dǎo)致熒光粉層溫度和LED結(jié)溫提高。隨著溫度的升高，芯片內(nèi)量子效率降低并且熒光粉光譜強度呈指數(shù)衰減，從而非輻射復(fù)合進一步增加，產(chǎn)生更多熱量[26]，造成了光通量衰減，所以樣品B的光通量衰減大于樣品C。

圖2 不同老化應(yīng)力下的光通量隨老化時間的變化曲線。(a)20 A/cm2；(b)50 A/cm2；(c)3.6 W；(d)5.5 W。

Fig.2 Change curves of luminous flux with aging time under different aging stresses. (a)20 A/cm2. (b)50 A/cm2. (c)3.6 W. (d)5.5 W.

從圖2(c)、(d)可以看出，樣品A在兩個不同老化功率下的光通量衰減基本一致，并且在5.5 W老化功率下的光通量衰減小于其他兩種熒光粉樣品，體現(xiàn)了在大功率條件下工作的優(yōu)勢。隨老化功率的提高，樣品B和樣品C的光通量衰減幅度增加。這是因為老化功率增大后LED發(fā)熱量增加，結(jié)溫會明顯升高。通過管腳溫度法可以測量樣品的結(jié)溫[27]，對各老化功率下老化到2 000 h的樣品進行測試，測得當老化功率從3.6 W增大至5.5 W時，樣品B的結(jié)溫從163 ℃升高到217 ℃，樣品C的結(jié)溫從148 ℃升高到170 ℃。溫度過高使得芯片內(nèi)量子效率降低和熒光粉衰減，最終導(dǎo)致光通量的衰減。

光譜中不同波段衰減的差異會導(dǎo)致光源色溫的變化，可能會引起照明品質(zhì)的下降，為此我們研究了老化過程中色溫的變化。所有樣品在20 A/cm2的工作電流密度下老化時，色溫均保持穩(wěn)定，老化2 000 h后色溫改變量不超過±30 K。下面給出了樣品在3.6 W和5.5 W下老化的色溫變化情況。圖4所示為色溫改變量隨老化時間的變化曲線，從圖中可以看出，當老化功率為3.6 W時，樣品A、B的色溫在老化初期下降然后趨于平穩(wěn)，樣品C的色溫基本不變。當老化功率為5.5 W時，3種樣品的色溫均呈下降趨勢，且下降幅度幾乎一致?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著老化功率的增大，樣品B、C的色溫下降更快。

圖3 5.5 W老化功率下光譜曲線隨老化時間的變化。(a)樣品A；(b)樣品B;(c)樣品C。

Fig.3 Spectral curve changes with aging time at 5.5 W aging power. (a)Sample A. (b)Sample B. (c)Sample C.

樣品A色溫的改變主要取決于紅光和黃光輻射通量的相對比例。從圖3(a)可以看出，隨著老化的進行，黃光衰減比紅光更明顯，也就是說色溫更低的紅光占比增加，導(dǎo)致樣品A的色溫降低。導(dǎo)致樣品B、C色溫降低的原因是藍光部分占比越來越少。藍光占比減少的主要原因可能是：在高溫及強光輻照下熒光粉層透光率下降，使藍光的出射減少[24，28]。所以藍光部分衰減大于熒光粉部分衰減，最終藍光部分在總輻射通量中占比減少。

工作電壓的改變和LED芯片性能緊密相關(guān)，為探究長時間高溫老化對LED芯片性能的影響，我們對正向電壓的變化進行了研究。圖5所示為電壓改變量隨老化時間的變化曲線。由圖可見在兩個不同的老化功率下，3種樣品在整個老化過程中的電壓變化趨勢相差不大，老化至2 000 h電壓變化量均在0.05 V左右，沒出現(xiàn)明顯變化，說明3種樣品的芯片都具有很好的穩(wěn)定性。

圖4 不同老化應(yīng)力下色溫改變量隨老化時間的變化曲線。(a)3.6 W;(b)5.5 W。

Fig.4 Change curves of color temperature with aging time under different aging stresses. (a)3.6 W. (b)5.5 W.

從上述討論可知，隨著高溫加速老化實驗電流應(yīng)力水平的提高，3種樣品的光通量和色溫的變化規(guī)律也相應(yīng)地發(fā)生改變。為了探究樣品在不同溫度應(yīng)力下的工作性能，選用85 ℃下可以穩(wěn)定工作的20 A/cm2工作電流密度進行了溫度步進應(yīng)力實驗。如圖6所示，橫坐標為樣品基板溫度?？梢钥闯鲭S著溫度升高，樣品A的光通量在整個老化過程中直至200 ℃都未出現(xiàn)大幅度衰減，而樣品B、C的光通量在175 ℃附近出現(xiàn)急劇衰減，并且樣品B在195 ℃已有50%的實驗樣品失效(流明維持率小于70%)，說明無熒光粉的樣品A可以承受更高的工作溫度。3種樣品的色溫變化規(guī)律存在差異，樣品A的色溫在整個老化過程中先保持不變?nèi)缓舐晕⑾陆?。樣品B、C的色溫在175 ℃前略有降低，原因與高溫加速老化實驗中所述一致。在175 ℃后色溫呈上升趨勢，這是因

圖5 不同老化應(yīng)力下電壓改變量隨老化時間的變化曲線。(a)3.6 W；(b)5.5 W。

為隨著老化溫度的逐漸升高，LED內(nèi)量子效率以及熒光粉轉(zhuǎn)換效率衰減加劇[29-30]，并且熒光粉的失效更為嚴重，所以藍光部分在總輻射通量中占比增加，色溫升高。所有樣品的電壓在整個老化過程中基本維持穩(wěn)定，變化量均小于0.025 V。

圖6 溫度步進應(yīng)力實驗結(jié)果。(a)光通量變化曲線；(b)色溫改變量變化曲線；(c)電壓改變量變化曲線。

Fig.6 Temperature step-stress test results. (a)Light flux change curves. (b)Color temperature change curves. (c)Voltage change curves.

在溫度步進應(yīng)力實驗過程中，兩種熒光粉LED光源均有部分樣品出現(xiàn)芯片表面發(fā)黑的現(xiàn)象，如圖7所示。隨著老化時間的增加和溫度應(yīng)力的不斷提高，溫度升高的同時熒光粉轉(zhuǎn)換效率持續(xù)下降，最終導(dǎo)致熒光粉層中的硅膠發(fā)生碳化即芯片表面發(fā)黑[31-32]，使得光通量急劇下降。

圖7 溫度步進應(yīng)力試驗前(a)、后(b)的LED實物圖。

Fig.7 Image of LED before(a) and after(b) temperature step-stress test

4 結(jié) 論

對低色溫?zé)o熒光粉LED光源和熒光粉LED光源進行高溫加速老化實驗，測試其光電參數(shù)的變化，分析了不同LED光源的失效機理；通過溫度步進應(yīng)力實驗，給出了溫度應(yīng)力進一步提高以后各種樣品工作性能的優(yōu)劣。結(jié)果表明，在85 ℃工作電流下各LED性能均保持穩(wěn)定，老化2 000 h的光通量衰減為1.6%～2.1%,但隨著電流應(yīng)力或溫度應(yīng)力的提高，熒光粉層對LED可靠性的影響逐漸明顯。當功率增加到5.5 W、加速老化2 000 h后，低色溫?zé)o熒光粉LED光源的光通量衰減為6.5%,2 000 K和3 000 K熒光粉LED光源的光通量衰減分別為19%和12.4%,衰減的差異主要是由大功率條件下產(chǎn)生的熱量增加、溫度升高、熒光粉性能變差引起的。在溫度步進應(yīng)力實驗中，當溫度高于175 ℃后，部分熒光粉LED光源出現(xiàn)硅膠碳化的現(xiàn)象。而低色溫?zé)o熒光粉LED未出現(xiàn)明顯劣化，其光電性能及可靠性均優(yōu)于同色溫的熒光粉LED，并且可靠工作的溫度上限更高，制得的光源能夠更廣泛地適用于溫度不同的各種工作環(huán)境中。