大功率白光LED的应用及其可靠性研究

么东阁 陈建新 闫 静

(北京工业大学光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京 100021)

1 简介

半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，上世纪九十年代以来，随着以GaN和SiC为代表的第三代半导体的兴起，蓝色和白色发光二极管相继研究成功，使实现半导体白光LED照明成为可能。大功率白光LED作为半导体光源，相比传统照明光源，有节能、寿命长、绿色环保、使用电压低、开光时间短等特点。大功率白光LED技术迅速发展，有着极为广阔的应用前景，而器件的可靠性是实现其广泛应用的保证。

2 大功率白光LED的应用

大功率白光LED主要用在照明市场，需根据不同的要求专门设计产品。主要可以归纳为在以下几个方面的应用:

(1)景观照明市场:包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。

(2)汽车市场:车用市场是LED运用发展最快的市场，主要用于车内仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。

(3)背光源市场:LED作为背光源已经普遍运用于手机、电脑、便携式电子产品等。

(4)户外大屏幕显示和交通信号灯。由于LED具有亮度高、寿命长、省电等优点，在金融、证券、交通、机场等领域备受青睐。尤其是在全球各大型体育馆几乎已经成为标准设备。

(5)特殊照明和军事运用:由于LED光源具有抗震性、耐潮性、密封性等特点，以及热辐射低、体积小、重量轻等优点，可以广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣的工作环境中。

(6)其他应用:还可应用在玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工业产品之中。作为全球轻工业产品的重要生产基地，我国对LED有着巨大的市场需求。

3 大功率白光LED的可靠性研究

由于大功率LED应用已经广泛开展，半导体照明材料的突出优点:节能，绿色环保，高效，寿命长，后期维护成本低廉，相比较传统的光源有着十分诱人的特点，但在实际的应用过程中，LED的性能并没有像人们预期的那样表现出来，而是出现了各种各样的问题。比如说，寿命长这一突出特点，理论估计为十万小时，但在实际的使用条件下，才有几千小时。因此，大功率白光LED要想得到长远的发展，并且最终能够替代传统光源，其可靠性的研究是必须且紧迫的。

通常LED可靠性研究大致可以分为两个方向:基于半导体物理学的失效机理分析和基于可靠性工程学的可靠性预测。

3.1 基于半导体物理学的失效机理分析

半导体器件的可靠性分析大都是围绕其寿命来表征的，因此大都是寿命试验与失效机理分析相结合来进行的。由于LED的理论寿命长达十万小时，通常一般的寿命试验需要很长的时间，当试验结束了，所选用的产品也该荒废了。对于寿命较长的LED器件，要根据条件选用加速寿命实验。加速寿命试验按方法分为:恒定应力加速寿命试验，步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验。恒定应力加速试验操作和控制相对简单，技术已比较成熟，外推数据准确，由此得到的寿命可靠，缺点是仍然比较费时。步进应力加速试验现在是研究的热点，能够减短试验时间，降低对试样数量的要求，具有比恒定应力试验更高的加速效率，但目前多用在前期应力范围的确定中，如金玲在GaAs红外发光二极管加速寿命试验［1］，到电流步进摸底试验来摸清试验器件所能承受的最高电流应力。序进应力试验中应力随时间不断上升，可以更快地激发器件失效，从而进一步提高了加速寿命试验的效率。但由于外加应力难以精确控制，在试验过程中容易引起失效机理的改变，因此并不常用。LED器件多是电流驱动，并且受温度影响显著，因此常选用电流和温度作为应力。加速试验是进行可靠性分析的有效手段，但是必须保证器件的失效机理在整个试验过程中不发生改变。

对可靠性的研究不能只停留在数据的测量和寿命的推算上，重要的是利用有效数据进行失效机理的分析。器件的失效分为早期失效，偶然失效，耗损失效三个阶段，服从浴盆分布曲线。如图1所示:

图1 器件失效分布曲线 (浴盆曲线)

对于早期的突然失效分析，根据半导体器件的性能特点，早期失效阶段的失效率较高，但失效率随时间的增加而下降。器件的失效是由一种或几种具有普遍性的原因所造成的，对不同品种，不同工艺的器件，这一阶段的延续时间和失效比例是不同的。严格工艺操作和对原材料、半成品和成品的检验，可减少这阶段的失效。进行合理的筛选可以尽可能的在交付使用前把早期失效的器件筛选掉，可使出厂的器件的失效率达到或者接近偶然失效水平。根据实际情况，对于LED器件来说，目前国内外对其早期失效机理的分析还是很少的，但由于LED器件的成本较高，并且早期失效占有较大比例，对这方面的分析应该引起人们的重视。G.Cassanelli对大功率白光LED的早期突然失效进行了试验分析，认为电极Ag与封装材料中的硫磺反应生成 Ag2S，从而增大电阻以至完全开路造成器件的失效。［2］

从可靠性的一般观点认为，在LED器件中观察到的大部分失效机制都是在光通量和电参数随着时间持续的衰减时所分析出的结果，通常对失效模型和机制的研究需要很长的时间。目前关于白光LED的失效机理主要分为以下几个方面:

(1)封装材料的退化。高温时，封装材料的出光效率衰减很快。Meneghesso等人观察到了大电流下封装材料的退化现象。［3］

(2)欧姆接触退化。Meneghesso等人对LED进行大DC电流条件老化，观察到IV特性的退化，认为这是由于p型欧姆接触在大电流和高温下退化，使得串联电阻增加所致。［4］

(3)荧光粉退化。实现白光的途径有很多种，目前使用最为普遍，也是最为成熟的是通过在蓝光芯片上涂敷发黄光的荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光。对荧光粉的稳定性，文献中说法不一。

(4)金属电迁移。P型电极金属会沿着缺陷到达PN结区形成欧姆通路，造成结区特性退化。［5］

(5)能级缺陷增加。在高温条件下，能级缺陷会快速增殖和繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的发光效率。

(6)静电的破坏。静电会引起PN结区短路、短路，或在结区形成结构缺陷，使得漏电流增大。［6］

不同的LED器件有其不同的失效机理。那么对于大功率白光LED可靠性的研究应该在借鉴其他LED器件，前人成果的基础上，并且针对白光LED的特点进行。目前，商用的大功率白光LED器件都是采用宽禁带GaN材料，制作出发蓝光芯片，然后利用光转化材料，如:荧光粉，蓝光与经荧光粉转化的黄光，合成白光。因此，在充分了解白光LED芯片材料和结构的前提下，才能更好的开展可靠性工作。针对其他类型的LED器件的可靠性分析有些已经不适应白光LED。例如，对老化后的芯片进行解理，观察等，对白光就不合适，因为白光里的蓝光芯片上涂有荧光粉，无法进行微观的失效机理的观察。目前对大功率白光LED的可靠性分析，可分为两大部分:蓝光芯片的可靠性分析及荧光粉的可靠性分析，但是它们又不是独立的，而是相互联系的。

目前多采用如下方法:对封装的蓝光和白光LED(采用同一蓝光芯片)进行对比试验。陈静波等人，在“YAG:Ce3+荧光粉对白光LED衰减的影响”中;方福波等人，在“白光LED衰减的光谱分析”中;宇彬等人，在“白光LED中的荧光粉老化研究”中;代顺等人，在“大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析”中，都采用了这种方法，从不同的角度对蓝光芯片和荧光粉的退化进行了研究。

3.2 基于可靠性工程学的可靠性预测

大功率白光LED器件具有高达10万小时的寿命，按照目前半导体材料和器件发展的速度，即使采取加速寿命试验，仍然很费时费力，基于可靠性工程学的可靠性预测机制，就是尝试一种在无需长期寿命试验条件下实现对LED可靠性量化预测的方法，它可以大大减少试验时间，节约寿命试验成本。通过管子初期性能指标的测试，分析出与后期失效相关的特征值，从而达到预测器件性能的目的。同时，可以根据试验初始值，利用计算机仿真技术进行后期模拟，具有重要的实用价值。［5］

与大功率LED可靠性相关的特性曲线分为:

(1)电压-电流伏安曲线。

(2)电导数特性曲线。

(3)光输出特性曲线。

(4)光谱特性曲线。

(5)热特性曲线。

4 大功率白光LED灯具的可靠性

大功率白光LED已经进入照明灯具的应用，那么产品可靠性同样需要引起重视，因为粗制滥造的LED仅求瞬时的亮度，缺少合理的灯具散热设计和光学设计，不能保证LED光源优势的充分发挥，从而导致LED产业不能良性快速发展。灯具的可靠性属于系统可靠性范畴，对它的研究主要从以下几方面来考虑:

(1)由于灯具结构设计不合理，散热不良，而引起LED的光衰，甚至失效。

(2)由于安装不合理，使LED与灯具的接触部分电阻过大，使 LED芯片温度过高而引起的光衰甚至失效。

(3)驱动电流过大，使LED工作温度过高，引起光衰甚至失效，或驱动电源的失效引起灯具的失效。

(4)光路设计方面，灯具要根据需要选择出光角度不同的LED，满足光学要求的灯具结构，可能会造成散热不良，从而引起光衰甚至失效。

5 总结

(1)不同类型的LED器件具有不同的失效机理，对白光LED器件的可靠性研究可采用对同一批次的蓝光芯片和白光芯片进行对比试验。通过对比实验，可以分析出白光LED的失效是由于蓝光芯片的失效起主要作用，还是外敷的荧光粉的失效起主要作用。

(2)对LED器件做加速寿命试验的时候，应考虑器件性能的一致性，不仅要选择同一厂家同一批次的产品，还可以考虑按照其初始的一些参数，如开启电压，来进行分类。因为即使同一批次的器件，性能也会有很大差别，而对LED的可靠性研究就是要从细微之处入手。

(3)提高对LED应用产品可靠性的重视，发挥LED器件的优势，促使产业良性发展。目前，大功率白光LED应用在照明上还不是很成熟，应用产品还没有真正的投入市场，要从根本上提高品质，需要加大对可靠性的研究。

［1］金玲.GaAs红外发光二极管加速寿命试验.半导体光电，1995，16(1).

［2］G.Cassanelli，G.Mura， F.Fantiniand M.Vanzi.Failure Analysis of High Power White LEDs.International conference on microelectronics，11-14MAY，2008

［3］G.Meneghesso，S.Levada，E.Zanoni.Reliability of visible GaN LEDs in Plastic Package.Mieroeleetronies Reliability，2003，43(9):1737～1742.

［4］G.Meneghesso， S. Levada， R. Pierobon， et al.Degradation mechanisms ofGaN based LEDs after aeeelerated DC current aging. IEDM'02 Digest.International Eleetron Deviees Meeting，2002，103～106.

［5］大功率LED可靠性预测机制研究.

［6］邓永孝.半导体器件失效分析.北京:宇航出版社，1991.