剔除大功率LED早期和次早期失效的非老化方法探究

王 俊 ，張友賢

（1、三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北宜昌，443000；2、宜昌市供電局，湖北宜昌，443000）

發(fā)光二極管(LED)具有壽命長，耗電小，發(fā)光效率高等優(yōu)點，成為當(dāng)今半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展熱點，在照明、圖形圖像顯示、信號指示等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，大功率LED更是掀起了人類第三次照明革命。

在如火如荼的大功率LED照明應(yīng)用中，三大技術(shù)關(guān)鍵是：熱管理、驅(qū)動電源和LED性能質(zhì)量。前兩項已有許多改進(jìn)成果，唯獨第三項仍是沿襲著前人的故道蹣跚而行。由多粒大功率LED陣列或大功率多晶集成（IC）組成的光源中，剔除早期和次早期失效的LED器件，歷來都是繁瑣和頭疼的問題，LED器件經(jīng)規(guī)范條件測試合格后，最后的把關(guān)便是通用的老化試驗了，然而常規(guī)的老化試驗只能剔除部分早期失效的大功率LED，對次早期失效的大功率LED卻無能為力。同時這一方法用于剔除早期失效的大功率LED的近期效果也極為有限，因而人們期望延長老化時間來達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，有的甚至將老化時間延長至240小時，但在實際應(yīng)用中，大功率照明的早期和次早期失效的LED器件仍不斷出現(xiàn)，這對昂貴的大功率LED路燈而言，也就瑕疵難掩，難附長壽命之實，不免憾然！究其原因，就在于對LED照明的可靠性研究中，對器件的性能測試難深入解決其壽命問題，加速老化試驗預(yù)測壽命也只是概率性方法，小概率事件仍然存在；同時，通常易將注意力集中在局部的器件失效上，而對系統(tǒng)失效卻忽視或忽略。

為改變這一現(xiàn)狀，本文根據(jù)大功率LED照明裝置系統(tǒng)失效機理和LED器件失效機理，將LED照明裝置置于系統(tǒng)和局部的安保措施之下，提出了一系列常規(guī)老化測試之外的補充方法，用以剔除早期和次早期失效的大功率LED器件，提高裝置系統(tǒng)的可靠性。

1 利用LED電壓與結(jié)溫的關(guān)系

正向電壓是判定LED器件性能的一個重要參數(shù)。對于一個正常的LED器件，其正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系為：

K：電壓隨溫度變化系數(shù)。

對于正常的LED器件，電壓隨溫度的變化是可恢復(fù)的。但是，對于早期或次早期失效的LED器件，會由于結(jié)區(qū)缺陷與雜志的聚集，造成額外復(fù)合電流的增加，從而使得正向電壓下降，最終導(dǎo)致器件損壞。

鑒于LED電壓與結(jié)溫的線性關(guān)系，在供電電源額定電流運行工況下，剔除LED陣列中壓降異常的器件，此器件是系統(tǒng)的不安全因素。在實際操作中，可以使LED在額定電流下運行一小時以上且溫度穩(wěn)定后，測試其正向電壓，剔除LED陣列中一小時前后壓差異常的器件，此器件結(jié)溫異常，將是早期或次早期的失效品。也可將LED置于硅油內(nèi)加溫至130℃，每降2℃-10℃在脈沖電壓下測其正向壓降，以獲得此批次LED器件的曲線，從而剔除不良品。

2 利用LED啟動閥值和（或）關(guān)閉閥值的差異

所有LED的電性能都是不一樣的，每支LED的閥值電壓Vf都有差異，這就是說LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流是不完全相同的，甚至?xí)嗖詈艽螅虼嗽O(shè)計者就需要針對實際情況加以分析采用最合理的設(shè)計方案。由于LED屬于電流型器件，嚴(yán)格的說只能采用串聯(lián)工作方式，在并聯(lián)工作狀態(tài)下，必須對所并聯(lián)的發(fā)光管二極管進(jìn)行嚴(yán)格篩選，利用LED啟動閥值和（或）關(guān)閉閥值的差異，剔除LED陣列中不安全的不協(xié)調(diào)品，從而避免因為LED的閥值電壓的不同而導(dǎo)致器件的早期失效。

3 剔除封裝不良器件

LED早期老化失效的和結(jié)溫有著巨大的聯(lián)系，封裝過程中鍵合處常常存在巨大的接觸電阻，從而產(chǎn)生巨大的熱效應(yīng)。為了剔出由于封裝原因?qū)е碌脑缙谑骷梢詫ED置于氟碳惰性液體中（其優(yōu)點是試品不會留下污染性痕跡），在規(guī)范允許的高低溫下，進(jìn)行熱震蕩試驗，加溫至指定溫度和指定時間（按產(chǎn)品規(guī)范），多次循環(huán)、反復(fù)儲藏，以期利用LED封裝材料膨脹系數(shù)和收縮比差異產(chǎn)生的應(yīng)力，使鍵合點位移增大、金線（或鋁線）提前疲勞損壞，以剔除金線鍵合不良易開路的早期失效器件。

4 剔出高電流密度器件

LED器件的伏安特性的離散性很大，即使是同一型號的LED其伏安特性在每個器件中也是不同的。同時，由于PN結(jié)上的電流密度常是非均勻分布，這一現(xiàn)象又因電流差異而隨機變化，可采用面測溫方式在設(shè)定的運行條件下，剔除高電流密度器件。

5 剔除波長紅移異常器件

對于一個LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。當(dāng)溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致器件發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。根據(jù)這一原理，可以使LED在額定電流下運行一小時以上且溫度穩(wěn)定后，測試其波長紅移量，剔除LED陣列中一小時前后紅移異常的器件，此器件結(jié)溫異常，將是早期或次早期的失效品。

LED老化測試在產(chǎn)品質(zhì)量控制中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，而常規(guī)的老化試驗只能剔除部分早期失效的大功率LED，對次早期失效的大功率LED卻無能為力。本文根據(jù)產(chǎn)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電壓與結(jié)溫的關(guān)系，剔除電壓降異常器件；利用LED啟動閥值和（或）關(guān)閉閥值的差異，剔除不協(xié)調(diào)品；利用LED封裝材料膨脹系數(shù)和收縮比差異產(chǎn)生的應(yīng)力，剔除封裝不良器件；采用面測溫方式，剔除高電流密度器件；利用波長紅移效應(yīng)，剔除波長紅移異常器件。采用這些方法選擇LED器件，并采用導(dǎo)熱良好的復(fù)合石墨均溫板制作出的LED路燈，已掛網(wǎng)運行多年，效果良好。

[1] 陳宇彬，李炳乾，范廣涵，白光LED老化機理研究進(jìn)展，國外電子元器件 [J]，2007（1）：8~12

[2] 林亮，陳志忠，陳挺，童玉珍，秦志新，張國義，白光LED的加速老化特性，發(fā)光學(xué)報[J]，2005年第5期

[3] 趙阿玲，尚守錦，陳建新，大功率白光LED壽命試驗及失效分析，照明工程學(xué)報[J]，2010年第一期

[4] 李艷菲，張方輝，張靜，大功率LED的電流老化特性分析，發(fā)光學(xué)報[J]，2012年第11期