白光LED老化壽命試驗分析研究

摘要：本文通過高溫通電加速壽命實驗法，著重研究了廈門華聯電子有限公司專為照明用光源研制的LED：HDFL09RA-ZWH04（SK1）在80℃、90℃、100℃和350mA 驅動電流下的老化壽命試驗特性。

關鍵詞：白光LED 老化 研究

0 引言

隨著民眾對環境保護越來越關注，傳統型節能燈和日光燈由于存在生態環境中嚴重的汞污染問題，將不可避免被新型的綠色、環保型照明光源替代。以LED為代表的半導體照明光源，被認為完全可以解決節能燈汞污染的問題，因為不含汞，可以大幅度減少廢舊燈具的環境污染，而且采用低壓直流供電，沒有紅外、紫外輻射，可以節電80%，使用壽命長達8~10年，白光LED替代白熾燈、熒光燈進入普通照明已是不爭的事實。

1 論述

雖然白光LED在壽命和節能方面有很大優勢，但白光LED經過長時間連續工作難免會引起光衰，器件壽命與可靠性問題的矛盾顯得非常突出。LED光源的壽命是直接影響其使用性能的關鍵因素，因此分析和研究LED光源的壽命和可靠性是保證產品性能的重要環節。

LED光源的可靠性一般是通過產品在規定的條件下，其有效工作時間內光輸出變化量來表征的。加速壽命試驗是在不改變產品失效機理的前提下，利用加大應力（如溫度、電流等）的方法來加快產品的老化，從而在短時間內獲得產品失效信息，進而預測其在正常應力下的壽命特征。本文采用壽命試驗數學模型，通過一些試驗數據，對白光LED壽命和可靠性進行分析和探討。

2 論據

本實驗所用器件為廈門華聯電子有限公司專為照明用光源研制的LED：HDFL09RA-ZWH04（SK1），試驗器件是同一類型，取自同一生產線中。所有樣本包括支架結構、芯片材料、熒光膠材料、裝架、鍵合、封裝工藝完全相同。其特點如下：采用大尺寸40mil×40mil藍色芯片（波長455nm～457nm）、PPA+194銅合金支架、雙半橢圓球形狀模條、高性能硅膠一次性封裝，出光為照明需求的矩形光斑，可耐受高溫回流焊接而不會開裂，能滿足貼片生產線的工藝要求，其結構如下圖所示（1：支架、2：硅膠、3：熒光粉、4：藍色芯片、5：金絲、6：齊納芯片、7：銀膠）。

2.1 失效判據

由于LED很少因停止發光而失效，但光輸出卻因其衰減而不能滿足使用要求，一般把在25℃的環境溫度時光通量（或光功率）衰減到初始值的70%的工作時間作為LED的使用壽命，因而光衰與其可靠性緊密相關。

Pt/P0=C，取C＝0.7作為失效判據

式中：

P0為初始光通量（或光功率）；

Pt為加溫加電后對應某一工作時間的光通量（或光功率）。

2.2 光功率衰減模型

參照亞瑪卡西（Yamakoshi）的LED處于緩慢衰減的模式時，輸出功率隨工作時間的變化用指數函數表示為：

Pt=P0exp(-βt) <2.2-1>

β=-ln(Pt/P0)/t

式中：β為某一結溫下的退化系數；t為某一結溫下的工作時間。

2.3 某一試驗溫度下的加速試驗壽命LC，i：

通過公式<2.2-1>和不同加速環境溫度Ta，i下的試驗數據(Pt，i 、ti)，代入失效判據數值C，可以計算該試驗環境溫度下的加速平均壽命Lc，i。

LC，i=tilnC/ln(Pt，i/P0，i)=-ln0.7/βi <2.3-1>

式中：i為不同的試驗環境溫度的應力水平，可取為1、2、…r；βi為某一試驗溫度下的退化系數；ti為某一試驗溫度下的工作時間。

2.4 結溫（對于小功率LED結溫可按以下公式求得）：

Tj=Tc+VFIFRj-c<2.4-1>

式中：Tj為結溫；Tc為殼溫；VF為正向電壓；IF為正向電流；Rj-c為結到殼的熱阻。

2.5 溫度應力加速模型

退化系數與結溫之間的關系可用阿侖尼斯（Arrhenius）方程表示：

β=IFβ0exp(-Ea/KTj)<2.5-1>

式中：IF為工作電流，β0為常數；Ea為激活能；K為波耳茲曼常數（8.62×10-5ev）；Tj為結溫（絕對溫度）。

2.6 激活能：

通過公式<2.2-1>、<2.3-1>、<2.5-1>求出激活能Ea

Ea=Kln(LC，i-1/LC，i)/(1/Tj，i-1-1/Tj，i)<2.6-1>

式中：Tj，i-1、Tj，i為不同試驗環境溫度下的結溫。

2.7 常溫(Ta=25℃)環境下的平均工作壽命LC，0:

通過公式<2.6-1>求得

LC，0=LC，iexp[Ea/K(1/Tj，0-1/Tj，i)]

式中：Tj，0為正常工作環境溫度下的結溫。

3 試驗結果

根據上述數學模型和失效判據，將白光LED在80℃、90℃、100℃和350mA 驅動電流下進行老化壽命試驗，得出試驗結果為：

4 分析

4.1 明確失效定義和失效判據 半導體器件的失效主要有：芯片失效、封裝失效、電過應力失效、熱應力失效、裝配失效等。對于突變失效，容易區分正常狀態與失效狀態，而對于性能退化和參數漂移引起的漸變失效，則必須明確失效判據或極限狀態的定義。這種失效定義可以是針對整個產品的，也可以是針對決定產品壽命的關鍵零部件的，視產品的特性而定。本文以在25℃的環境溫度時，光通量（或光功率）衰減到初始值的70%作為器件的失效判據。

4.2 影響白光LED壽命的因素分析 鍵合焊點質量：焊點質量與工藝條件的溫度、時間、功率和壓力關系密切，而溫度、時間、功率、壓力未調整合適則會使芯片和支架焊點質量差，甚至出現芯片暗裂的隱患，影響發光效率和壽命。

封裝材料和散熱問題: 環氧系塑料的性能，包括光透過率、膨脹系數、玻璃轉化點、氣密性等會嚴重影響器件的壽命，實驗表明在相同條件下硅膠的光衰相比環氧樹脂要小很多。封裝中的散熱是一個重要問題，LED可靠性研究發現光衰的一個重要原因是由于芯片溫度升高，導致芯片附近封裝材料的變色導致透明度下降，另外長時間接受藍光與紫外線的輻射也會降低化學聚合物的光學透明度并引起封裝材料的緩慢退化。

LED芯片材料中的缺陷：會引起器件光輸出的衰減，半導體薄膜材料中的晶格缺陷包括點缺陷、線缺陷和面缺陷。由于缺陷對載流子具有較強的俘獲作用，在LED芯片制備過程中引入缺陷將在有源層中形成無輻射復合中心，增加了光吸收，使得器件發光效率降低。而注入載流子的無輻射復合又會使能量轉化為晶格振動，導致了缺陷的運動和增值。

熒光粉的退化：在具有相同發射波長及初始光效的情況下，焠滅溫度高的熒光粉可在一定程度上降低光衰，細粉徑且窄分布的高光效熒光粉有利于獲得良好的抗光衰特性。熒光粉與芯片的距離也是影響其光衰的重要因素。

其它因素：封裝體中各成分之間熱膨脹系數不匹配引起的機械應力可能導致功率LED在高溫下的失效。靜電導致器件災變性失效；電極性能不穩定導致器件失效等；都可能導致功率LED的失效。

采用小功率單燈器件形式進行壽命試驗，造成器件的光衰老化的因素復雜，可能有材料的因素，也有設備和工藝的因素。在試驗過程中，采取多種措施，降低各種因素的影響，對可能影響壽命試驗結果準確性的細節，逐一進行改善，保證了壽命試驗結果的客觀性和準確性。

5 結論

由于LED的平均壽命一般都在幾萬小時，因此一般的壽命試驗已無法對其壽命進行評估。所謂加速試驗是在比規定正常使用條件更短的時間內確保獲得所需可靠信息的試驗。對于大多數器件產品，其壽命試驗只能進行加速試驗，以節省費用和縮短產品開發周期。

本文給出了采用加速壽命試驗能夠在較短時間內求取LED平均壽命的方法并對影響器件壽命的各種因素分析研究，是對LED長期使用可靠性進行評價的有效途徑。通過試驗表明廈門華聯電子有限公司研制的白光小功率LED在25℃的環境溫度時光通量（或光功率）衰減到初始值的70%的工作時間(LED的使用壽命)在10萬小時左右，完全能滿足于目前照明行業對光源的要求。

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