功率高壓LED模組在不同應(yīng)力下的老化實(shí)驗(yàn)

雷 珺， 郭偉玲， 李松宇， 譚祖雄

(北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院 光電子技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

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功率高壓LED模組在不同應(yīng)力下的老化實(shí)驗(yàn)

雷 珺， 郭偉玲*， 李松宇， 譚祖雄

(北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院 光電子技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

對(duì)LED進(jìn)行應(yīng)力加速老化實(shí)驗(yàn)及分析可以對(duì)器件可靠性做出最快、最有效的評(píng)估。本文將相同的6 V高壓功率白光LED分為兩組，一組施加180 mA電流應(yīng)力和85 ℃溫度應(yīng)力進(jìn)行高溫老化實(shí)驗(yàn)，另一組施加180 mA電流應(yīng)力、85 ℃高溫和85%相對(duì)濕度進(jìn)行高溫高濕老化實(shí)驗(yàn)。在老化過(guò)程中，測(cè)試了LED光電參數(shù)隨老化時(shí)間的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高溫大電流應(yīng)力下的樣品的光退化幅度為0.9%～3.4%，高溫高濕大電流應(yīng)力下的樣品的光退化幅度為25.4%～27.8%，高溫高濕下樣品的老化程度遠(yuǎn)高于高溫老化下樣品的老化程度，濕度對(duì)LED可靠性有顯著的影響。退化的原因包括熒光粉的退化和器件內(nèi)部歐姆接觸退化等。

白光LED； 老化； 光通量； 光衰

(KeyLaboratoryofOptoelectronicsTechnology,MinistryofEducation,

1 引 言

LED具有環(huán)保節(jié)能、效率高、易驅(qū)動(dòng)和壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已大規(guī)模運(yùn)用于路燈、汽車、背光燈、景觀照明和顯示屏等領(lǐng)域[1]。受不同生產(chǎn)廠家的工藝、技術(shù)和材料等因素的影響，市場(chǎng)上的LED產(chǎn)品的使用壽命也不盡相同[2]。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，商用LED的發(fā)光效率已經(jīng)可以達(dá)到令人滿意的數(shù)值[3]。雖然LED已經(jīng)具備了比較良好的特性也滿足了人們?nèi)粘Ｕ彰鞯囊螅琅f存在一些不足之處。隨著電子系統(tǒng)越來(lái)越高的復(fù)雜程度和越來(lái)越嚴(yán)酷及多樣的使用環(huán)境，人們對(duì)元器件可靠性的要求也越來(lái)越高[4]。由于LED技術(shù)的飛速發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新工藝層出不窮，LED的可靠性問(wèn)題仍然十分突出。例如在進(jìn)行器件老化期間，由于雜質(zhì)的不穩(wěn)定或者非輻射復(fù)合與摻雜，LED芯片會(huì)出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象；在應(yīng)力作用下，器件的透鏡和封裝都會(huì)有明顯的老化，顏色變黃、顯色指數(shù)發(fā)生變化和發(fā)光效率降低也是常見的問(wèn)題，更甚者會(huì)有失效的情況發(fā)生[1-5]。可見，LED的壽命與器件工藝和工作條件有著密切的關(guān)系，針對(duì)LED在大電流、濕度應(yīng)力和溫度應(yīng)力條件下的老化研究是非常必要的。

正常工作條件下，對(duì)LED進(jìn)行壽命實(shí)驗(yàn)、壽命評(píng)估及各種參數(shù)的采集是一件耗時(shí)很長(zhǎng)的事情，尤其對(duì)于高可靠性的樣品而言，其實(shí)驗(yàn)周期會(huì)更長(zhǎng)。因此，對(duì)于LED光源的可靠性實(shí)驗(yàn)一般采用加大應(yīng)力(如電流和應(yīng)力等)的方法對(duì)樣品進(jìn)行加速老化，這樣可在短時(shí)間內(nèi)得到樣品失效信息并對(duì)其可靠性進(jìn)行分析。本文在對(duì)樣品施加電流應(yīng)力、高溫應(yīng)力和濕度應(yīng)力等老化條件下開展LED的可靠性研究，分析樣品的光電參數(shù)在老化過(guò)程中的變化規(guī)律以及兩種老化條件下樣品的退化機(jī)理，并且將兩種老化條件下樣品光電參數(shù)的變化做了對(duì)比和分析，從實(shí)驗(yàn)及理論兩方面解釋了老化條件對(duì)LED的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所采用樣品為白光LED，芯片為國(guó)內(nèi)某企業(yè)1833芯片，支架為長(zhǎng)盈3030PCT，熒光粉型號(hào)為格亮光電英特美GAL535，封裝膠型號(hào)為天寶1525，焊線為金線。樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩個(gè)芯片串聯(lián)，單晶芯片工作電流為150 mA,電壓為3 V，串聯(lián)成6 V、1 W的功率白光LED模組。

對(duì)封裝后的成品樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將樣品平均分為兩組,每組5只LED，第一組樣品編號(hào)為A1～A5，第二組樣品編號(hào)為B1～B5。第一組實(shí)驗(yàn)采用恒溫實(shí)驗(yàn)老化箱對(duì)樣品進(jìn)行高溫老化，實(shí)驗(yàn)溫度為85 ℃；第二組實(shí)驗(yàn)采用恒溫恒濕老化箱對(duì)樣品進(jìn)行高溫高濕老化，實(shí)驗(yàn)溫度為85 ℃，相對(duì)濕度為85%。兩組都施加180 mA老化電流進(jìn)行加速老化,并且給樣品配以特制散熱板使其能夠有效散熱。根據(jù)老化時(shí)間設(shè)定測(cè)量周期，并使用專用的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)量參數(shù)，測(cè)試電流為150 mA。測(cè)量參數(shù)有光通量、光效值和正向電壓等。

3 結(jié)果與討論

3.1 光通量及光效的變化

圖1和圖2為兩組樣品的光通量(φ)隨老化時(shí)間的變化曲線。圖3和圖4為兩組樣品的光效值(η)隨老化時(shí)間的變化曲線。可以看出，樣品的光通量值和光效值在施加高溫、高濕和應(yīng)力電流加速老化后都有所下降。A組樣品的光通量值在開始時(shí)隨著時(shí)間的遞增略有上升，緊接著為樣品緩慢老化的階段，光通量值隨時(shí)間的遞增開始緩慢下降，最后為L(zhǎng)ED發(fā)光性能的快速老化階段。在老化實(shí)驗(yàn)后期，光通量值隨時(shí)間急速下降。對(duì)于B組樣品，在0～300 h期間，其光通量值就隨老化時(shí)間迅速下降；在300～1 000 h期間，光通量值趨于平穩(wěn)但總體趨勢(shì)依然是下降，其老化速度明顯快于A組樣品。

圖1 高溫老化條件下，樣品光通量隨時(shí)間的變化。

Fig.1 Fluxvs. aging time of the samples under high temperature

圖2 高溫高濕老化條件下，樣品光通量隨時(shí)間的變化。

Fig.2 Fluxvs. aging time of the samples under high temperature and humidity

從圖3中可看出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，A組樣品的光效值先下降而后上升，轉(zhuǎn)而繼續(xù)迅速下降。實(shí)驗(yàn)中光效值略微上升的原因是老化剛開始的一段時(shí)間相當(dāng)于退火過(guò)程，P型受主因?yàn)闇囟壬叨M(jìn)一步被激活，空穴的濃度提高，因此增大了電子空穴的輻射復(fù)合幾率，光輸出增大[6]。從圖4可以看出，B組樣品的光效值在0～1 000 h期間一直處于下降的趨勢(shì)，前期急速，后期平緩。

圖3 高溫老化條件下，樣品光效值隨時(shí)間的變化。

Fig.3 Luminous efficiencyvs. aging time of the samples under high temperature

圖4 高溫高濕老化條件下，樣品光效值隨時(shí)間的變化。

Fig.4 Luminous efficiencyvs. aging time of the samples under high temperature and humidity

對(duì)于光衰的計(jì)算有如下公式：

(1)

其中，αn為老化n小時(shí)的光衰，φn為老化n小時(shí)的光通量，φ0為老化0小時(shí)的光通量。按照公式(1)計(jì)算得出，A組樣品在高溫老化后的光退化幅度為0.9%～3.4%，B組樣品在高溫高濕老化后的光退化幅度為25.4%～27.8%。B組樣品的光退化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A組樣品，可見環(huán)境濕度對(duì)LED可靠性的影響是很大的。光衰的產(chǎn)生跟樣品晶片、固晶膠和熒光粉等都有密切關(guān)系，這些物質(zhì)的退化會(huì)直接導(dǎo)致光衰。老化時(shí)間的增加使得芯片中晶格不匹配，且這些芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的老化缺陷是引起LED光衰的主要原因[6]。在高溫條件下，LED芯片散熱不好，芯片溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致芯片衰減加劇；另一方面，過(guò)大的工作電流也會(huì)進(jìn)一步加速芯片性能的退化。此外，濕度高的環(huán)境可進(jìn)一步導(dǎo)致熒光粉性能的惡化和轉(zhuǎn)換效率的降低，水汽進(jìn)入器件內(nèi)會(huì)加速發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，影響光的傳播路徑進(jìn)而使得光輸出降低，所以高溫高濕老化下的樣品比高溫老化下的樣品退化更為迅速。

3.2 色坐標(biāo)的變化

色坐標(biāo)的測(cè)量原理是由色坐標(biāo)的基本規(guī)定并基于光源的光譜分布進(jìn)行計(jì)算所得。在顏色坐標(biāo)中分為x軸與y軸，通過(guò)色坐標(biāo)確定CIE色度圖上一個(gè)表示樣品發(fā)光顏色的點(diǎn)。圖5和圖6分別為樣品在高溫老化和高溫高濕老化實(shí)驗(yàn)中，色坐標(biāo)相對(duì)于老化時(shí)間的變化曲線。樣品色坐標(biāo)按圖中所示箭頭的方向變化。可以看出，隨著色坐標(biāo)數(shù)值的降低，樣品色溫逐漸變大。隨著注入載流子濃度的增加，芯片的峰值波長(zhǎng)可能會(huì)偏移，黃光所占比例減少。在高溫高濕老化下，色坐標(biāo)下移比高溫老化更迅速[6-15]。樣品顏色的變化與熒光粉老化有關(guān)，在高溫、高電流和高濕的應(yīng)力加速老化下，樣品中的熒光粉的發(fā)光性能隨時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。

圖5 高溫老化條件下，樣品色坐標(biāo)隨時(shí)間的變化。

Fig.5 Color coordinatesvs. aging time of the samples under high temperature

圖6 高溫高濕老化條件下，樣品色坐標(biāo)隨時(shí)間的變化。

Fig.6 Color coordinatesvs. aging time of the samples under high temperature and humidity

3.3 正向電壓的變化

圖7和圖8分別為樣品在高溫老化下和高溫高濕老化條件下，正向電壓隨老化時(shí)間的變化曲線。A組樣品的正向電壓呈先上升后下降再上升的變化趨勢(shì)。B組樣品在實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，其正向電壓值總體趨于下降，而后呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。LED中有源區(qū)和歐姆接觸層之間的電阻是器件中的串聯(lián)電阻，在老化前期，器件溫度的升高會(huì)使其內(nèi)部歐姆接觸增加，所以串聯(lián)電阻會(huì)減小，導(dǎo)致正向電壓下降；但隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，歐姆接觸退化、半導(dǎo)體缺陷和金線部位的老化將導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大[6-18]，所以正向電壓上升。由于高溫老化實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，因此獲得的數(shù)據(jù)具有局限性，只能呈現(xiàn)出樣品在高溫環(huán)境前期器件內(nèi)部因?yàn)闅W姆接觸的增加而減小了正向電壓值。而圖8中繪制的高溫高濕老化下樣品的正向電壓變化趨勢(shì)卻出現(xiàn)了明顯的一大段上升曲線，可見高溫高濕下樣品的老化速度明顯快于高溫老化下的老化速度。

圖7 高溫老化條件下，樣品正向電壓隨時(shí)間的變化。

Fig.7 Forward voltagevs. aging time of the samples under high temperature

圖8 高溫高濕老化條件下，正向電壓隨時(shí)間的變化。

Fig.8 Forward voltagevs. aging time of the samples under high temperature and humidity

4 結(jié) 論

在高溫大電流和高溫高濕大電流條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了加速老化實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)后的光通量和色坐標(biāo)等特性值的變化進(jìn)行了分析。高溫老化下的樣品光退化幅度為0.9%～3.4%，高溫高濕老化下的樣品光退化幅度為25.4%～27.8%。在加速老化過(guò)程中，由于應(yīng)力對(duì)熒光粉的影響，使得黃光轉(zhuǎn)換率降低，顏色也隨之受到影響，這是色溫上升的主要原因。溫度對(duì)樣品內(nèi)部歐姆接觸的影響也會(huì)導(dǎo)致器件老化，并且硅膠的老化也會(huì)導(dǎo)致光衰的發(fā)生。高濕環(huán)境對(duì)LED有明顯加速老化的作用，在其他條件都相同的情況下，高濕環(huán)境下的樣品老化程度明顯高于對(duì)比組樣品的老化程度。

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雷珺(1990-)，女，陜西西安人，碩士研究生，2013年于西北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光電子器件可靠性方面的研究。

E-mail: cly_900512@126.com

郭偉玲(1965-)，女，山西垣曲人，教授，碩士生導(dǎo)師，2003年于北京工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事光電子器件的研究。

E-mail: guoweiling@bjut.edu.cn

Aging Experiments of High Voltage Power White LEDs Under Different Stresses

LEI Jun, GUO Wei-ling*, LI Song-yu， TAN Zu-xiong

CollegeofElectronicInformationandControlEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

The stress accelerated aging test and analysis are the most efficient and effective way to analysis the reliability of the devices. In this paper, the same 6 V LED modules were divided into two groups for aging. 180 mA stress current and 85 ℃ high temperature were applied for one group, and 180 mA stress current and 85 ℃/85%RH moisture condition for another. During the aging time, the optical and electrical characteristics of the LEDs were measured and analyzed. The experimental results show that the degradation rate of the samples which under high temperature and high current stress is 3.4%-0.9%, and the degradation rate of the samples which under high humidity, high temperature and high current stress is 25.4%-27.8%. The degradation of LEDs under high temperature and high humidity condition is more serious than that under high temperature. So it is strong evidence that the humidity badly affects the reliability of LEDs. The failure reasons include the degradation of the phosphor and the Ohmic contact in the devices.

white LED; aging; luminous flux; light decay

2016-01-28；

2016-03-16

“863”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA03305)資助項(xiàng)目

1000-7032(2016)07-0804-05

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163707.0804

*CorrespondingAuthor,E-mail:guoweiling@bjut.edu.cn