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實驗室， 北京 100124)

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功率高壓LED模組在不同應(yīng)力下的老化實驗

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實驗室， 北京 100124)

對LED進行應(yīng)力加速老化實驗及分析可以對器件可靠性做出最快、最有效的評估。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)力進行高溫老化實驗，另一組施加180 mA電流應(yīng)力、85 ℃高溫和85%相對濕度進行高溫高濕老化實驗。在老化過程中，測試了LED光電參數(shù)隨老化時間的變化規(guī)律。實驗結(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)動和壽命長等優(yōu)勢，現(xiàn)已大規(guī)模運用于路燈、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?，但依舊存在一些不足之處。隨著電子系統(tǒng)越來越高的復(fù)雜程度和越來越嚴(yán)酷及多樣的使用環(huán)境，人們對元器件可靠性的要求也越來越高[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的可靠性問題仍然十分突出。例如在進行器件老化期間，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題，更甚者會有失效的情況發(fā)生[1-5]?？梢姡琇ED的壽命與器件工藝和工作條件有著密切的關(guān)系，針對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LED進行壽命實驗、壽命評估及各種參數(shù)的采集是一件耗時很長的事情，尤其對于高可靠性的樣品而言，其實驗周期會更長。因此，對于LED光源的可靠性實驗一般采用加大應(yīng)力(如電流和應(yīng)力等)的方法對樣品進行加速老化，這樣可在短時間內(nèi)得到樣品失效信息并對其可靠性進行分析。本文在對樣品施加電流應(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)在老化過程中的變化規(guī)律以及兩種老化條件下樣品的退化機理，并且將兩種老化條件下樣品光電參數(shù)的變化做了對比和分析，從實驗及理論兩方面解釋了老化條件對LED的影響。

2 實 驗

實驗所采用樣品為白光LED，芯片為國內(nèi)某企業(yè)1833芯片，支架為長盈3030PCT，熒光粉型號為格亮光電英特美GAL535，封裝膠型號為天寶1525，焊線為金線。樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩個芯片串聯(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。

對封裝后的成品樣品進行實驗。將樣品平均分為兩組,每組5只LED，第一組樣品編號為A1～A5，第二組樣品編號為B1～B5。第一組實驗采用恒溫實驗老化箱對樣品進行高溫老化，實驗溫度為85 ℃；第二組實驗采用恒溫恒濕老化箱對樣品進行高溫高濕老化，實驗溫度為85 ℃，相對濕度為85%。兩組都施加180 mA老化電流進行加速老化,并且給樣品配以特制散熱板使其能夠有效散熱。根據(jù)老化時間設(shè)定測量周期，并使用專用的測試系統(tǒng)來測量參數(shù)，測試電流為150 mA。測量參數(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)隨老化時間的變化曲線?？梢钥闯?，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隨著時間的遞增略有上升，緊接著為樣品緩慢老化的階段，光通量值隨時間的遞增開始緩慢下降，最后為LED發(fā)光性能的快速老化階段。在老化實驗后期，光通量值隨時間急速下降。對于B組樣品，在0～300 h期間，其光通量值就隨老化時間迅速下降；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，在整個實驗過程中，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。實驗中光效值略微上升的原因是老化剛開始的一段時間相當(dāng)于退火過程，P型受主因為溫度升高而進一步被激活，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，前期急速，后期平緩。

圖3 高溫老化條件下，樣品光效值隨時間的變化。

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

圖4 高溫高濕老化條件下，樣品光效值隨時間的變化。

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

對于光衰的計算有如下公式：

(1)

其中，αn為老化n小時的光衰，φn為老化n小時的光通量，φ0為老化0小時的光通量。按照公式(1)計算得出，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)的退化會直接導(dǎo)致光衰。老化時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，芯片溫度過高會導(dǎo)致芯片衰減加??；另一方面，過大的工作電流也會進一步加速芯片性能的退化。此外，濕度高的環(huán)境可進一步導(dǎo)致熒光粉性能的惡化和轉(zhuǎn)換效率的降低，水汽進入器件內(nèi)會加速發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，影響光的傳播路徑進而使得光輸出降低，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行計算所得。在顏色坐標(biāo)中分為x軸與y軸，通過色坐標(biāo)確定CIE色度圖上一個表示樣品發(fā)光顏色的點。圖5和圖6分別為樣品在高溫老化和高溫高濕老化實驗中，色坐標(biāo)相對于老化時間的變化曲線。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，芯片的峰值波長可能會偏移，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)光性能隨時間的延長而下降。

圖5 高溫老化條件下，樣品色坐標(biāo)隨時間的變化。

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。B組樣品在實驗剛開始時，其正向電壓值總體趨于下降，而后呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。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，器件溫度的升高會使其內(nèi)部歐姆接觸增加，所以串聯(lián)電阻會減小，導(dǎo)致正向電壓下降；但隨著老化時間的延長，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。由于高溫老化實驗時間較短，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)部因為歐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，對實驗樣品進行了加速老化實驗，并對實驗后的光通量和色坐標(biāo)等特性值的變化進行了分析。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%。在加速老化過程中，由于應(yīng)力對熒光粉的影響，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。溫度對樣品內(nèi)部歐姆接觸的影響也會導(dǎo)致器件老化，并且硅膠的老化也會導(dǎo)致光衰的發(fā)生。高濕環(huán)境對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”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2015AA03305)資助項目

1000-7032(2016)07-0804-05

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163707.0804

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