剔除大功率LED早期和次早期失效的非老化方法探究

王 俊 ，张友贤

（1、三峡电力职业学院，湖北宜昌，443000；2、宜昌市供电局，湖北宜昌，443000）

发光二极管(LED)具有寿命长，耗电小，发光效率高等优点，成为当今半导体照明技术的发展热点，在照明、图形图像显示、信号指示等领域得到了广泛的应用。其中，大功率LED更是掀起了人类第三次照明革命。

在如火如荼的大功率LED照明应用中，三大技术关键是：热管理、驱动电源和LED性能质量。前两项已有许多改进成果，唯独第三项仍是沿袭着前人的故道蹒跚而行。由多粒大功率LED阵列或大功率多晶集成（IC）组成的光源中，剔除早期和次早期失效的LED器件，历来都是繁琐和头疼的问题，LED器件经规范条件测试合格后，最后的把关便是通用的老化试验了，然而常规的老化试验只能剔除部分早期失效的大功率LED，对次早期失效的大功率LED却无能为力。同时这一方法用于剔除早期失效的大功率LED的近期效果也极为有限，因而人们期望延长老化时间来达到预期目标，有的甚至将老化时间延长至240小时，但在实际应用中，大功率照明的早期和次早期失效的LED器件仍不断出现，这对昂贵的大功率LED路灯而言，也就瑕疵难掩，难附长寿命之实，不免憾然！究其原因，就在于对LED照明的可靠性研究中，对器件的性能测试难深入解决其寿命问题，加速老化试验预测寿命也只是概率性方法，小概率事件仍然存在；同时，通常易将注意力集中在局部的器件失效上，而对系统失效却忽视或忽略。

为改变这一现状，本文根据大功率LED照明装置系统失效机理和LED器件失效机理，将LED照明装置置于系统和局部的安保措施之下，提出了一系列常规老化测试之外的补充方法，用以剔除早期和次早期失效的大功率LED器件，提高装置系统的可靠性。

1 利用LED电压与结温的关系

正向电压是判定LED器件性能的一个重要参数。对于一个正常的LED器件，其正向电压与结温的关系为：

K：电压随温度变化系数。

对于正常的LED器件，电压随温度的变化是可恢复的。但是，对于早期或次早期失效的LED器件，会由于结区缺陷与杂志的聚集，造成额外复合电流的增加，从而使得正向电压下降，最终导致器件损坏。

鉴于LED电压与结温的线性关系，在供电电源额定电流运行工况下，剔除LED阵列中压降异常的器件，此器件是系统的不安全因素。在实际操作中，可以使LED在额定电流下运行一小时以上且温度稳定后，测试其正向电压，剔除LED阵列中一小时前后压差异常的器件，此器件结温异常，将是早期或次早期的失效品。也可将LED置于硅油内加温至130℃，每降2℃-10℃在脉冲电压下测其正向压降，以获得此批次LED器件的曲线，从而剔除不良品。

2 利用LED启动阀值和（或）关闭阀值的差异

所有LED的电性能都是不一样的，每支LED的阀值电压Vf都有差异，这就是说LED的发光强度与驱动电流是不完全相同的，甚至会相差很大，因此设计者就需要针对实际情况加以分析采用最合理的设计方案。由于LED属于电流型器件，严格的说只能采用串联工作方式，在并联工作状态下，必须对所并联的发光管二极管进行严格筛选，利用LED启动阀值和（或）关闭阀值的差异，剔除LED阵列中不安全的不协调品，从而避免因为LED的阀值电压的不同而导致器件的早期失效。

3 剔除封装不良器件

LED早期老化失效的和结温有着巨大的联系，封装过程中键合处常常存在巨大的接触电阻，从而产生巨大的热效应。为了剔出由于封装原因导致的早期失效器件，可以将LED置于氟碳惰性液体中（其优点是试品不会留下污染性痕迹），在规范允许的高低温下，进行热震荡试验，加温至指定温度和指定时间（按产品规范），多次循环、反复储藏，以期利用LED封装材料膨胀系数和收缩比差异产生的应力，使键合点位移增大、金线（或铝线）提前疲劳损坏，以剔除金线键合不良易开路的早期失效器件。

4 剔出高电流密度器件

LED器件的伏安特性的离散性很大，即使是同一型号的LED其伏安特性在每个器件中也是不同的。同时，由于PN结上的电流密度常是非均匀分布，这一现象又因电流差异而随机变化，可采用面测温方式在设定的运行条件下，剔除高电流密度器件。

5 剔除波长红移异常器件

对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。根据这一原理，可以使LED在额定电流下运行一小时以上且温度稳定后，测试其波长红移量，剔除LED阵列中一小时前后红移异常的器件，此器件结温异常，将是早期或次早期的失效品。

LED老化测试在产品质量控制中是一个非常重要的环节，而常规的老化试验只能剔除部分早期失效的大功率LED，对次早期失效的大功率LED却无能为力。本文根据产生LED老化的原因，提出了剔除大功率LED早期和次早期失效的非老化方法，包括利用LED电压与结温的关系，剔除电压降异常器件；利用LED启动阀值和（或）关闭阀值的差异，剔除不协调品；利用LED封装材料膨胀系数和收缩比差异产生的应力，剔除封装不良器件；采用面测温方式，剔除高电流密度器件；利用波长红移效应，剔除波长红移异常器件。采用这些方法选择LED器件，并采用导热良好的复合石墨均温板制作出的LED路灯，已挂网运行多年，效果良好。

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