功率高压LED模组在不同应力下的老化实验

雷 珺， 郭伟玲， 李松宇， 谭祖雄

(北京工业大学电控学院 光电子技术省部共建教育部重点实验室， 北京 100124)



功率高压LED模组在不同应力下的老化实验

雷 珺， 郭伟玲*， 李松宇， 谭祖雄

(北京工业大学电控学院 光电子技术省部共建教育部重点实验室， 北京 100124)

对LED进行应力加速老化实验及分析可以对器件可靠性做出最快、最有效的评估。本文将相同的6 V高压功率白光LED分为两组，一组施加180 mA电流应力和85 ℃温度应力进行高温老化实验，另一组施加180 mA电流应力、85 ℃高温和85%相对湿度进行高温高湿老化实验。在老化过程中，测试了LED光电参数随老化时间的变化规律。实验结果表明：高温大电流应力下的样品的光退化幅度为0.9%～3.4%，高温高湿大电流应力下的样品的光退化幅度为25.4%～27.8%，高温高湿下样品的老化程度远高于高温老化下样品的老化程度，湿度对LED可靠性有显著的影响。退化的原因包括荧光粉的退化和器件内部欧姆接触退化等。

白光LED； 老化； 光通量； 光衰

(KeyLaboratoryofOptoelectronicsTechnology,MinistryofEducation,

1 引 言

LED具有环保节能、效率高、易驱动和寿命长等优势，现已大规模运用于路灯、汽车、背光灯、景观照明和显示屏等领域[1]。受不同生产厂家的工艺、技术和材料等因素的影响，市场上的LED产品的使用寿命也不尽相同[2]。随着生产技术的不断发展，目前，商用LED的发光效率已经可以达到令人满意的数值[3]。虽然LED已经具备了比较良好的特性也满足了人们日常照明的要求，但依旧存在一些不足之处。随着电子系统越来越高的复杂程度和越来越严酷及多样的使用环境，人们对元器件可靠性的要求也越来越高[4]。由于LED技术的飞速发展，新结构、新工艺层出不穷，LED的可靠性问题仍然十分突出。例如在进行器件老化期间，由于杂质的不稳定或者非辐射复合与掺杂，LED芯片会出现明显老化现象；在应力作用下，器件的透镜和封装都会有明显的老化，颜色变黄、显色指数发生变化和发光效率降低也是常见的问题，更甚者会有失效的情况发生[1-5]。可见，LED的寿命与器件工艺和工作条件有着密切的关系，针对LED在大电流、湿度应力和温度应力条件下的老化研究是非常必要的。

正常工作条件下，对LED进行寿命实验、寿命评估及各种参数的采集是一件耗时很长的事情，尤其对于高可靠性的样品而言，其实验周期会更长。因此，对于LED光源的可靠性实验一般采用加大应力(如电流和应力等)的方法对样品进行加速老化，这样可在短时间内得到样品失效信息并对其可靠性进行分析。本文在对样品施加电流应力、高温应力和湿度应力等老化条件下开展LED的可靠性研究，分析样品的光电参数在老化过程中的变化规律以及两种老化条件下样品的退化机理，并且将两种老化条件下样品光电参数的变化做了对比和分析，从实验及理论两方面解释了老化条件对LED的影响。

2 实 验

实验所采用样品为白光LED，芯片为国内某企业1833芯片，支架为长盈3030PCT，荧光粉型号为格亮光电英特美GAL535，封装胶型号为天宝1525，焊线为金线。样品内部结构为两个芯片串联，单晶芯片工作电流为150 mA,电压为3 V，串联成6 V、1 W的功率白光LED模组。

对封装后的成品样品进行实验。将样品平均分为两组,每组5只LED，第一组样品编号为A1～A5，第二组样品编号为B1～B5。第一组实验采用恒温实验老化箱对样品进行高温老化，实验温度为85 ℃；第二组实验采用恒温恒湿老化箱对样品进行高温高湿老化，实验温度为85 ℃，相对湿度为85%。两组都施加180 mA老化电流进行加速老化,并且给样品配以特制散热板使其能够有效散热。根据老化时间设定测量周期，并使用专用的测试系统来测量参数，测试电流为150 mA。测量参数有光通量、光效值和正向电压等。

3 结果与讨论

3.1 光通量及光效的变化

图1和图2为两组样品的光通量(φ)随老化时间的变化曲线。图3和图4为两组样品的光效值(η)随老化时间的变化曲线。可以看出，样品的光通量值和光效值在施加高温、高湿和应力电流加速老化后都有所下降。A组样品的光通量值在开始时随着时间的递增略有上升，紧接着为样品缓慢老化的阶段，光通量值随时间的递增开始缓慢下降，最后为LED发光性能的快速老化阶段。在老化实验后期，光通量值随时间急速下降。对于B组样品，在0～300 h期间，其光通量值就随老化时间迅速下降；在300～1 000 h期间，光通量值趋于平稳但总体趋势依然是下降，其老化速度明显快于A组样品。

图1 高温老化条件下，样品光通量随时间的变化。

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

图2 高温高湿老化条件下，样品光通量随时间的变化。

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

从图3中可看出，在整个实验过程中，A组样品的光效值先下降而后上升，转而继续迅速下降。实验中光效值略微上升的原因是老化刚开始的一段时间相当于退火过程，P型受主因为温度升高而进一步被激活，空穴的浓度提高，因此增大了电子空穴的辐射复合几率，光输出增大[6]。从图4可以看出，B组样品的光效值在0～1 000 h期间一直处于下降的趋势，前期急速，后期平缓。

图3 高温老化条件下，样品光效值随时间的变化。

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

图4 高温高湿老化条件下，样品光效值随时间的变化。

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

对于光衰的计算有如下公式：

(1)

其中，αn为老化n小时的光衰，φn为老化n小时的光通量，φ0为老化0小时的光通量。按照公式(1)计算得出，A组样品在高温老化后的光退化幅度为0.9%～3.4%，B组样品在高温高湿老化后的光退化幅度为25.4%～27.8%。B组样品的光退化幅度远远高于A组样品，可见环境湿度对LED可靠性的影响是很大的。光衰的产生跟样品晶片、固晶胶和荧光粉等都有密切关系，这些物质的退化会直接导致光衰。老化时间的增加使得芯片中晶格不匹配，且这些芯片内部结构的老化缺陷是引起LED光衰的主要原因[6]。在高温条件下，LED芯片散热不好，芯片温度过高会导致芯片衰减加剧；另一方面，过大的工作电流也会进一步加速芯片性能的退化。此外，湿度高的环境可进一步导致荧光粉性能的恶化和转换效率的降低，水汽进入器件内会加速发生各种化学反应，影响光的传播路径进而使得光输出降低，所以高温高湿老化下的样品比高温老化下的样品退化更为迅速。

3.2 色坐标的变化

色坐标的测量原理是由色坐标的基本规定并基于光源的光谱分布进行计算所得。在颜色坐标中分为x轴与y轴，通过色坐标确定CIE色度图上一个表示样品发光颜色的点。图5和图6分别为样品在高温老化和高温高湿老化实验中，色坐标相对于老化时间的变化曲线。样品色坐标按图中所示箭头的方向变化。可以看出，随着色坐标数值的降低，样品色温逐渐变大。随着注入载流子浓度的增加，芯片的峰值波长可能会偏移，黄光所占比例减少。在高温高湿老化下，色坐标下移比高温老化更迅速[6-15]。样品颜色的变化与荧光粉老化有关，在高温、高电流和高湿的应力加速老化下，样品中的荧光粉的发光性能随时间的延长而下降。

图5 高温老化条件下，样品色坐标随时间的变化。

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

图6 高温高湿老化条件下，样品色坐标随时间的变化。

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

3.3 正向电压的变化

图7和图8分别为样品在高温老化下和高温高湿老化条件下，正向电压随老化时间的变化曲线。A组样品的正向电压呈先上升后下降再上升的变化趋势。B组样品在实验刚开始时，其正向电压值总体趋于下降，而后呈现明显的上升趋势。LED中有源区和欧姆接触层之间的电阻是器件中的串联电阻，在老化前期，器件温度的升高会使其内部欧姆接触增加，所以串联电阻会减小，导致正向电压下降；但随着老化时间的延长，欧姆接触退化、半导体缺陷和金线部位的老化将导致串联电阻增大[6-18]，所以正向电压上升。由于高温老化实验时间较短，因此获得的数据具有局限性，只能呈现出样品在高温环境前期器件内部因为欧姆接触的增加而减小了正向电压值。而图8中绘制的高温高湿老化下样品的正向电压变化趋势却出现了明显的一大段上升曲线，可见高温高湿下样品的老化速度明显快于高温老化下的老化速度。

图7 高温老化条件下，样品正向电压随时间的变化。

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

图8 高温高湿老化条件下，正向电压随时间的变化。

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

4 结 论

在高温大电流和高温高湿大电流条件下，对实验样品进行了加速老化实验，并对实验后的光通量和色坐标等特性值的变化进行了分析。高温老化下的样品光退化幅度为0.9%～3.4%，高温高湿老化下的样品光退化幅度为25.4%～27.8%。在加速老化过程中，由于应力对荧光粉的影响，使得黄光转换率降低，颜色也随之受到影响，这是色温上升的主要原因。温度对样品内部欧姆接触的影响也会导致器件老化，并且硅胶的老化也会导致光衰的发生。高湿环境对LED有明显加速老化的作用，在其他条件都相同的情况下，高湿环境下的样品老化程度明显高于对比组样品的老化程度。

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雷珺(1990-)，女，陕西西安人，硕士研究生，2013年于西北大学获得学士学位，主要从事光电子器件可靠性方面的研究。

E-mail: cly_900512@126.com

郭伟玲(1965-)，女，山西垣曲人，教授，硕士生导师，2003年于北京工业大学获得博士学位,主要从事光电子器件的研究。

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”国家高技术研究发展计划(2015AA03305)资助项目

1000-7032(2016)07-0804-05

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163707.0804

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