- 探析大功率白光LED的應用及其可靠性研究
- 基于半導體物理學(xué)的失效機理分析
- 基于可靠性工程學(xué)的可靠性預測
1 簡(jiǎn)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(lái)，隨著(zhù)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(shí)現半導體白光LED照明成為可能。大功率白光LED作為半導體光源，相比傳統照明光源，有節能、壽命長(cháng)、綠色環(huán)保、使用電壓低、開(kāi)光時(shí)間短等特點(diǎn)。大功率白光LED技術(shù)迅速發(fā)展，有著(zhù)極為廣闊的應用前景，而器件的可靠性是實(shí)現其廣泛應用的保證。
2 大功率白光LED的應用
大功率白光LED主要用在照明市場(chǎng)，需根據不同的要求專(zhuān)門(mén)設計產(chǎn)品。主要可以歸納為在以下幾個(gè)方面的應用：
（1）景觀(guān)照明市場(chǎng)：包括建筑裝飾、室內裝飾、旅游景點(diǎn)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、庭院、草坪、家居、休閑娛樂(lè )場(chǎng)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(chē)市場(chǎng)：車(chē)用市場(chǎng)是LED運用發(fā)展最快的市場(chǎng)，主要用于車(chē)內儀表盤(pán)、空調、音響等指示燈及內部閱讀燈，車(chē)外的第三剎車(chē)燈、尾燈、轉向燈、側燈等。
（3）背光源市場(chǎng)：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(hù)外大屏幕顯示和交通信號燈。由于LED具有亮度高、壽命長(cháng)、省電等優(yōu)點(diǎn)，在金融、證券、交通、機場(chǎng)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(diǎn)，以及熱輻射低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應用于防爆、野外作業(yè)、礦山、軍事行動(dòng)等特殊工作場(chǎng)所或惡劣的工作環(huán)境中。
（6）其他應用：還可應用在玩具、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(zhù)巨大的市場(chǎng)需求。
3 大功率白光LED的可靠性研究
由于大功率LED應用已經(jīng)廣泛開(kāi)展，半導體照明材料的突出優(yōu)點(diǎn)：節能，綠色環(huán)保，高效，壽命長(cháng)，后期維護成本低廉，相比較傳統的光源有著(zhù)十分誘人的特點(diǎn)，但在實(shí)際的應用過(guò)程中，LED的性能并沒(méi)有像人們預期的那樣表現出來(lái)，而是出現了各種各樣的問(wèn)題。比如說(shuō)，壽命長(cháng)這一突出特點(diǎn)，理論估計為十萬(wàn)小時(shí)，但在實(shí)際的使用條件下，才有幾千小時(shí)。因此，大功率白光LED要想得到長(cháng)遠的發(fā)展，并且最終能夠替代傳統光源，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(gè)方向：
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3.1 基于半導體物理學(xué)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(lái)表征的，因此大都是壽命試驗與失效機理分析相結合來(lái)進(jìn)行的。由于LED的理論壽命長(cháng)達十萬(wàn)小時(shí)，通常一般的壽命試驗需要很長(cháng)的時(shí)間，當試驗結束了，所選用的產(chǎn)品也該荒廢了。對于壽命較長(cháng)的LED器件，要根據條件選用加速壽命實(shí)驗。加速壽命試驗按方法分為：恒定應力加速壽命試驗，步進(jìn)應力加速壽命試驗和序進(jìn)應力加速壽命試驗。恒定應力加速試驗操作和控制相對簡(jiǎn)單，技術(shù)已比較成熟，外推數據準確，由此得到的壽命可靠，缺點(diǎn)是仍然比較費時(shí)。步進(jìn)應力加速試驗現在是研究的熱點(diǎn)，能夠減短試驗時(shí)間，降低對試樣數量的要求，具有比恒定應力試驗更高的加速效率，但目前多用在前期應力范圍的確定中，如金玲在GaAs紅外發(fā)光二極管加速壽命試驗，到電流步進(jìn)摸底試驗來(lái)摸清試驗器件所能承受的最高電流應力。序進(jìn)應力試驗中應力隨時(shí)間不斷上升，可以更快地激發(fā)器件失效，從而進(jìn)一步提高了加速壽命試驗的效率。但由于外加應力難以精確控制，在試驗過(guò)程中容易引起失效機理的改變，因此并不常用。LED器件多是電流驅動(dòng)，并且受溫度影響顯著(zhù)，因此常選用電流和溫度作為應力。加速試驗是進(jìn)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(gè)試驗過(guò)程中不發(fā)生改變。
對可靠性的研究不能只停留在數據的測量和壽命的推算上，重要的是利用有效數據進(jìn)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(gè)階段，服從浴盆分布曲線(xiàn)。如圖1所示：
浴盆分布曲線(xiàn)
根據實(shí)際情況，對于LED器件來(lái)說(shuō)，目前國內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(jìn)行了試驗分析，認為電極Ag與封裝材料中的硫磺反應生成Ag2S，從而增大電阻以至完全開(kāi)路造成器件的失效。從可靠性的一般觀(guān)點(diǎn)認為，在LED器件中觀(guān)察到的大部分失效機制都是在光通量和電參數隨著(zhù)時(shí)間持續的衰減時(shí)所分析出的結果，通常對失效模型和機制的研究需要很長(cháng)的時(shí)間。目前關(guān)于白光LED的失效機理主要分為以下幾個(gè)方面：
（1）封裝材料的退化。
高溫時(shí)，封裝材料的出光效率衰減很快。Meneghesso等人觀(guān)察到了大電流下封裝材料的退化現象。
（2）歐姆接觸退化。
Meneghesso等人對LED進(jìn)行大DC電流條件老化，觀(guān)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。
（3）熒光粉退化。
實(shí)現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(guò)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。對熒光粉的穩定性，文獻中說(shuō)法不一。
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（4）金屬電遷移。
P型電極金屬會(huì )沿著(zhù)缺陷到達PN結區形成歐姆通路，造成結區特性退化。
（5）能級缺陷增加。
在高溫條件下，能級缺陷會(huì )快速增殖和繁衍，直至侵入發(fā)光區，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(huì )引起PN結區短路、短路，或在結區形成結構缺陷，使得漏電流增大。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可靠性的研究應該在借鑒其他LED器件，前人成果的基礎上，并且針對白光LED的特點(diǎn)進(jìn)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，然后利用光轉化材料，如：熒光粉，藍光與經(jīng)熒光粉轉化的黃光，合成白光。因此，在充分了解白光LED芯片材料和結構的前提下，才能更好的開(kāi)展可靠性工作。針對其他類(lèi)型的LED器件的可靠性分析有些已經(jīng)不適應白光LED。例如，對老化后的芯片進(jìn)行解理，觀(guān)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(wú)法進(jìn)行微觀(guān)的失效機理的觀(guān)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。
3.2 基于可靠性工程學(xué)的可靠性預測
大功率白光LED器件具有高達10萬(wàn)小時(shí)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(shí)費力，基于可靠性工程學(xué)的可靠性預測機制，就是嘗試一種在無(wú)需長(cháng)期壽命試驗條件下實(shí)現對LED可靠性量化預測的方法，它可以大大減少試驗時(shí)間，節約壽命試驗成本。
通過(guò)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，從而達到預測器件性能的目的。同時(shí)，可以根據試驗初始值，利用計算機仿真技術(shù)進(jìn)行后期模擬，具有重要的實(shí)用價(jià)值。與大功率LED可靠性相關(guān)的特性曲線(xiàn)分為：
（1）電壓-電流伏安曲線(xiàn)。
（2）電導數特性曲線(xiàn)。
（3）光輸出特性曲線(xiàn)。
（4）光譜特性曲線(xiàn)。
（5）熱特性曲線(xiàn)。
4 大功率白光LED燈具的可靠性
大功率白光LED已經(jīng)進(jìn)入照明燈具的應用，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(shí)的亮度，缺少合理的燈具散熱設計和光學(xué)設計，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可靠性范疇，對它的研究主要從以下幾方面來(lái)考慮：
（1）由于燈具結構設計不合理，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(guò)大，使LED芯片溫度過(guò)高而引起的光衰甚至失效。
（3）驅動(dòng)電流過(guò)大，使LED工作溫度過(guò)高，引起光衰甚至失效，或驅動(dòng)電源的失效引起燈具的失效。
（4）光路設計方面，燈具要根據需要選擇出光角度不同的LED，滿(mǎn)足光學(xué)要求的燈具結構，可能會(huì )造成散熱不良，從而引起光衰甚至失效。
5 總結
（1）不同類(lèi)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(jìn)行對比試驗。通過(guò)對比實(shí)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(shí)候，應考慮器件性能的一致性，不僅要選擇同一廠(chǎng)家同一批次的產(chǎn)品，還可以考慮按照其初始的一些參數，如開(kāi)啟電壓，來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。因為即使同一批次的器件，性能也會(huì )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應用在照明上還不是很成熟，應用產(chǎn)品還沒(méi)有真正的投入市場(chǎng)，要從根本上提高品質(zhì)，需要加大對可靠性的研究。
