通过加速老化实验对LED器件可靠性的研究

陈宇 黄帆 严华锋 殷录桥 张建华 李志君

(1.上海亚明灯泡厂有限公司，上海 201801;2.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

1 引言

与传统的照明光源(白炽灯、荧光灯、高强度放电灯)相比，LED由于具有节能、高效、寿命长、抗震、体积小、响应速度快等优点，大功率LED器件得到了越来越广泛的应用，市场潜力逐渐变大。作为一种新型的照明光源，大功率LED照明产品将成为继传统照明光源之后的新一代照明光源［1］。然而，在众多的LED照明产品中，产品质量良莠不齐，其中问题之一是LED器件的可靠性。LED光源与灯具的可靠性问题阻碍了其进入通用照明的步伐［2］。LED产品的可靠性，是决定其能否进入通用照明的关键因素之一。研究人员们对LED可靠性做了大量的研究工作，常见的寿命试验方法有普通条件外推法、温度加速寿命实验法、电流加速寿命实验法，由于普通条件外推法周期非常长，一般多采用温度加速寿命实验法和电流加速寿命实验法。

F．Manyakhin［3］等人利用电流加速老化实验分析了GaN基LED的空间电荷层离化受主的分布和光电参数的变化，对老化过程中发光强度的变化作了一种解释，认为是有源层中的Mg-H化合物受热分解成Mg+从而使P型层离子浓度增加，从而使非辐射复合增加降低了发光强度。对于功率型器件而言，散热是必须解决的问题，特别是多芯片集成大功率LED模组和灯具会使热量更加聚集，热量的聚集引起LED芯片结温迅速上升，导致半导体材料和荧光粉的发光效率下降［4］。刘胜教授［5］课题组队对湿气扩散和温度对LED可靠性的影响进行了研究。认为在湿应力和热应力的耦合作用下，造成了LED芯片与荧光粉间、荧光粉与硅胶间、硅胶与透镜的界面分层，并且硅胶容易产生空洞，裂纹等缺陷。美国新墨西哥州大学的Barton［6］用PDS分析了环氧树脂的短波辐射退化现象，并用实验发现环氧树脂的褐化温度在150℃，周文英教授［7］等人观察到了大电流条件下封装材料的碳化现象。L．R．Trevisanello［8］等人利用温度加速老化实验对HP-LED进行了研究，发现环氧树脂会随着温度的升高而变成褐色，并且对LED的光学和热学特性的变化也作了相关的研究。J．Z．Hu［9］对热湿应力对 LED器件影响作了大量的研究，发现湿应力的增大会造成热应力的增大，从而影响器件材料间的分层。

LED常见的失效机制有:芯片材料失效、电迁移破坏、芯片击穿、封装材料失效、键合失效、荧光粉失效和基板失效等［10］。其他失效机理:由于局部温度过高导致金线与电极开路;由于各材料之间热膨胀系数之间存在差异，温度的变化造成的应力使得金线断裂;芯片键合老化;倒装芯片中焊球的脱落等［11］。

温度循环实验主要是测试LED的开关效应或在昼夜环境温度变化的可靠性，对环境的适应性，利用材料的热膨胀系数的不同对产品结构造成疲劳效果，进而影响LED的可靠性。为了更好的理解研究LED 的 可 靠 性，参 考 EIAJED—4701/100 和IEC60749—25的实验标准，本实验采用了冷热温度加速老化实验的方法对功率型LED进行了可靠性的研究。

2 实验方法

2.1 实验样品

本实验采用共4组不同结构和不同封装材料的器件:分别为1W蓝光器件 (A，6颗)、1 W白光器件2组 (B、C;每组各6颗)、以及COB模组(D，3条)。1 W的A、B、C、D四组器件的芯片大小都为45 mil×45 mil，每条COB器件共有36粒小芯片，结构与材料的不同如表1所示。

表1 4组不同结构与不同材料LED器件

2.2 温度循环条件

依据 EIAJED—4701/100和 IEC60749—25标准，本实验的实验条件为－25℃/125℃的冷热温度循环，循环条件如图1所示，每一次循环周期为2.5小时，其中－25℃低温保持1小时，25℃常温保持0.5小时以及125℃ 高温保持1小时。

图1 高低温循环曲线

2.3 测试方法

A、B、C和D器件的老化时间为900小时。实验前期每20次循环进行一次光学测试，稳定后每50次循环进行一次光学测试。1 W器件在整个老化期间内进行老化前、老化中、老化后3次热学参数的测量。并对失效的器件进行I－V特性分析。光热特性参数采用平均值法处理实验数据。

3 实验结果与分析

3.1 LED光学特性的变化

光学性能方面主要测量了光通量、主波长与色温等光学特性随老化时间的变化，测量设备为远方的HAAS－2000。A、B、C、D的老化时间均为900小时。图2为各组样品随老化时间的光通量维持率随着老化时间的编号趋势。通过图2可以发现:A、B、D三组器件的光通量衰减较小，而C组器件光衰略大。从本实验结果可以看出，不同结构与封装材料的LED器件可以通过高低温老化方法作为其可靠性的一个测试方法。

图2 各组样品随老化时间的光衷变化

图3 表示A组1W蓝光器件的主波长随老化时间的变化情况，在高低温循环加速老化900小时后，蓝光器件的主波长飘移不明显，都在0.3 nm范围内变化。这表明此种加速老化实验方法对蓝光器件的主波长影响较小。

图4表示B、C两组1W白光器件和D组COB的色温随老化时间的变化情况。在高低温循环加速老化900小时后，白光LED器件的色温略有增加，在50K范围内变化。

3.2 LED样品热学特性的变化

结温和热阻等热学参数的测量采用的是Analysis Tech Phase 11。本文通过900小时的加速老化实验，对3组功率型LED的结温和热阻在老化前、老化中、老化后进行三次测量。结温和热阻的测试结果分别如图5、图6所示:通过3组样品3次测量可以发现，900小时后各组LED器件的结温都有增加，且各组的增加速率不一样，C组的增加比其他组略高。热阻也有类似的变化趋势，样品C热阻的增加比其他几组，与C组器件光衰相对略大趋势一致。

图3 A、B蓝光器件主波长随老化时间的变化

图4 C、D、E白光器件色温随老化时间的变化

图5 结温随加速老化时间的变化

3.3 失效样品的电学特性

图6 热阻随加速老化时间的变化

随着老化时间的增加，各组样品先后会有器件失效。表2表示了900小时内各组器件随老化时间的增加失效数的变化。功率型器件A、B、C器件数每组为6颗，COB器件共3条，每条由36颗小芯片构成。从表中可以看出:不同组的LED器件在经过900小时的高低温加速老化后，其失效率各不相同，其中A、B组失效个数与样本数之比为1∶6，而C组6颗LED器件全部都失效，D组没有失效器件。由此可以看出，高低温循环加速老化此种实验方法对可靠性的评价和器件优劣的筛选有很大的参考价值。

表2 失效个数随老化时间的变化

其中失效的LED器件有一个共同的现象即闪烁发光，本实验采用 Tokyo Electronics Trading co．，Ltd．(TET)来分析失效器件的I－V特性。图7所示的为其中失效器件的I－V曲线，可以看出失效器件的I－V曲线已经出现波动。图8(a)表示在350 mA恒流驱动时电压在某一个区间内变化;图6(b)表示在3.6 V的恒压驱动下电流的不稳定性，在某一个区间内变化。

4 结论

图7 失效器件的I－V特性

图8 (a)恒流驱动时 (350 mA)电压的变化(b)恒压驱动时 (3.6 V)电流的变化

通过本冷热温度循环加速老化实验 (－25℃/125℃)，分析讨论了经过900小时的加速老化后LED的光、热和电学特性变化趋势，主要可以得到以下结论:1)不同封装结构的LED器件的光衰速率有一定的差距，其中正装结构铝基板封装形式(C组)的LED器件光衰率略高;2)垂直结构陶瓷封装 (A组蓝光LED器件)主波长在老化过程中没有发生明显变化，C、D组白光LED器件色温略有变化，变化值约50 K;3)不同组的LED器件经过加速老化后失效率各不相同，其中C组6个器件全部失效，A、B组分别失效1个;4)基于COB封装技术的小功率LED集成封装器件的光通量维持率总体来说高于功率型LED，且在老化时间为900小时时失效率为0;5)失效的LED器件呈现一个共同的闪烁现象，稳压驱动时电流在某个区间变化，稳流驱动时电压在某个区间内变化。

［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］刘行仁，薛胜薜，黄德森，林秀华．白光LED现状和问题［J］．光源与照明，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．高导热绝缘高分子复合材料研究 ［D］．西安:西北工业大学，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］陈宇彬，李炳乾，范广涵．白光LED老化机理研究进展 ［J］．国外电子元器件，2007(1):8～12