通過加速老化實驗對LED器件可靠性的研究

陳宇 黃帆 嚴華鋒 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.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

1 引言

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

F．Manyakhin［3］等人利用電流加速老化實驗分析了GaN基LED的空間電荷層離化受主的分布和光電參數的變化，對老化過程中發光強度的變化作了一種解釋，認為是有源層中的Mg-H化合物受熱分解成Mg+從而使P型層離子濃度增加，從而使非輻射復合增加降低了發光強度。對于功率型器件而言，散熱是必須解決的問題，特別是多芯片集成大功率LED模組和燈具會使熱量更加聚集，熱量的聚集引起LED芯片結溫迅速上升，導致半導體材料和熒光粉的發光效率下降［4］。劉勝教授［5］課題組隊對濕氣擴散和溫度對LED可靠性的影響進行了研究。認為在濕應力和熱應力的耦合作用下，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，并且硅膠容易產生空洞，裂紋等缺陷。美國新墨西哥州大學的Barton［6］用PDS分析了環氧樹脂的短波輻射退化現象，并用實驗發現環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象。L．R．Trevisanello［8］等人利用溫度加速老化實驗對HP-LED進行了研究，發現環氧樹脂會隨著溫度的升高而變成褐色，并且對LED的光學和熱學特性的變化也作了相關的研究。J．Z．Hu［9］對熱濕應力對 LED器件影響作了大量的研究，發現濕應力的增大會造成熱應力的增大，從而影響器件材料間的分層。

LED常見的失效機制有: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］。其他失效機理:由于局部溫度過高導致金線與電極開路;由于各材料之間熱膨脹系數之間存在差異，溫度的變化造成的應力使得金線斷裂;芯片鍵合老化;倒裝芯片中焊球的脫落等［11］。

溫度循環實驗主要是測試LED的開關效應或在晝夜環境溫度變化的可靠性，對環境的適應性，利用材料的熱膨脹系數的不同對產品結構造成疲勞效果，進而影響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的實驗標準，本實驗采用了冷熱溫度加速老化實驗的方法對功率型LED進行了可靠性的研究。

2 實驗方法

2.1 實驗樣品

本實驗采用共4組不同結構和不同封裝材料的器件:分別為1W藍光器件 (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，結構與材料的不同如表1所示。

表1 4組不同結構與不同材料LED器件

2.2 溫度循環條件

依據 EIAJED—4701/100和 IEC60749—25標準，本實驗的實驗條件為－25℃/125℃的冷熱溫度循環，循環條件如圖1所示，每一次循環周期為2.5小時，其中－25℃低溫保持1小時，25℃常溫保持0.5小時以及125℃ 高溫保持1小時。

圖1 高低溫循環曲線

2.3 測試方法

A、B、C和D器件的老化時間為900小時。實驗前期每20次循環進行一次光學測試，穩定后每50次循環進行一次光學測試。1 W器件在整個老化期間內進行老化前、老化中、老化后3次熱學參數的測量。并對失效的器件進行I－V特性分析。光熱特性參數采用平均值法處理實驗數據。

3 實驗結果與分析

3.1 LED光學特性的變化

光學性能方面主要測量了光通量、主波長與色溫等光學特性隨老化時間的變化，測量設備為遠方的HAAS－2000。A、B、C、D的老化時間均為900小時。圖2為各組樣品隨老化時間的光通量維持率隨著老化時間的編號趨勢。通過圖2可以發現:A、B、D三組器件的光通量衰減較小，而C組器件光衰略大。從本實驗結果可以看出，不同結構與封裝材料的LED器件可以通過高低溫老化方法作為其可靠性的一個測試方法。

圖2 各組樣品隨老化時間的光衷變化

圖3 表示A組1W藍光器件的主波長隨老化時間的變化情況，在高低溫循環加速老化900小時后，藍光器件的主波長飄移不明顯，都在0.3 nm范圍內變化。這表明此種加速老化實驗方法對藍光器件的主波長影響較小。

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

3.2 LED樣品熱學特性的變化

結溫和熱阻等熱學參數的測量采用的是Analysis Tech Phase 11。本文通過900小時的加速老化實驗，對3組功率型LED的結溫和熱阻在老化前、老化中、老化后進行三次測量。結溫和熱阻的測試結果分別如圖5、圖6所示:通過3組樣品3次測量可以發現，900小時后各組LED器件的結溫都有增加，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，樣品C熱阻的增加比其他幾組，與C組器件光衰相對略大趨勢一致。

圖3 A、B藍光器件主波長隨老化時間的變化

圖4 C、D、E白光器件色溫隨老化時間的變化

圖5 結溫隨加速老化時間的變化

3.3 失效樣品的電學特性

圖6 熱阻隨加速老化時間的變化

隨著老化時間的增加，各組樣品先后會有器件失效。表2表示了900小時內各組器件隨老化時間的增加失效數的變化。功率型器件A、B、C器件數每組為6顆，COB器件共3條，每條由36顆小芯片構成。從表中可以看出:不同組的LED器件在經過900小時的高低溫加速老化后，其失效率各不相同，其中A、B組失效個數與樣本數之比為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，高低溫循環加速老化此種實驗方法對可靠性的評價和器件優劣的篩選有很大的參考價值。

表2 失效個數隨老化時間的變化

其中失效的LED器件有一個共同的現象即閃爍發光，本實驗采用 Tokyo Electronics Trading co．，Ltd．(TET)來分析失效器件的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曲線已經出現波動。圖8(a)表示在350 mA恒流驅動時電壓在某一個區間內變化;圖6(b)表示在3.6 V的恒壓驅動下電流的不穩定性，在某一個區間內變化。

4 結論

圖7 失效器件的I－V特性

圖8 (a)恒流驅動時 (350 mA)電壓的變化(b)恒壓驅動時 (3.6 V)電流的變化

通過本冷熱溫度循環加速老化實驗 (－25℃/125℃)，分析討論了經過900小時的加速老化后LED的光、熱和電學特性變化趨勢，主要可以得到以下結論:1)不同封裝結構的LED器件的光衰速率有一定的差距，其中正裝結構鋁基板封裝形式(C組)的LED器件光衰率略高;2)垂直結構陶瓷封裝 (A組藍光LED器件)主波長在老化過程中沒有發生明顯變化，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器件經過加速老化后失效率各不相同，其中C組6個器件全部失效，A、B組分別失效1個;4)基于COB封裝技術的小功率LED集成封裝器件的光通量維持率總體來說高于功率型LED，且在老化時間為900小時時失效率為0;5)失效的LED器件呈現一個共同的閃爍現象，穩壓驅動時電流在某個區間變化，穩流驅動時電壓在某個區間內變化。

［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現狀和問題［J］．光源與照明，2003(03)

［5］L．X．Tan，J．Li，K．Wang，S．Liu．Effect of defects on the thermal and optical performance of HB LED．4th China International Forum on Solid State Lighting，2007

［6］Young-Bok Yoon and Jin-Woo Park． The Thermal Resistance of Solder Joints in High Brightness Light Emitting Diode(HB LED)Packages［J］． IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2009:1～7

［7］周文英．高導熱絕緣高分子復合材料研究 ［D］．西安:西北工業大學，2007

［8］L．R Trevisanello et aI，Accelerated life test of high brightness light emitting diodes，IEEE Trans-DMR，2008，V8(2):304～311，(2008)

［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老化機理研究進展 ［J］．國外電子元器件，2007(1):8～12