白光LED光衰可靠性研究

李治強 唐德良

【摘要】白光LED在LCD背光顯示領域應用逐步廣泛。與傳統CCFL背光相比，其環保和節能的優勢十分明顯。隨著LED價格成本逐漸降低，白光LED將進一步占領LCD背光市場份額，如何提升白光LED壽命及降低白光LED光衰減成為LED業者攻克的最大難題，本文就影響白光LED衰減針對材料、封裝、PN結溫度因素進行分析探討。

【關鍵詞】白光LED;光衰;晶片;固晶膠;熒光粉;熒光膠水;支架;封裝工藝;PN結

引言

最近幾年白光LED廣受全球矚目，目前市場上最廣泛的白光LED封裝方式為藍光LED晶片激發黃色熒光粉產生白光，其成本低廉、性能穩定深受廣大LED封裝廠歡迎。目前白光LED已廣泛應用在一般家用照明和液晶電視（顯示器）中。但是目前在產品實際使用過程中遇到最大的問題是LED壽命和光衰還遠達不到其理論標稱10萬小時以上壽命，為了讓白光LED能夠健康、快速的發展，我們就需要正視白光LED存在的問題，本文通過分析對LED壽命造成影響的材料、封裝技術、工作結溫等因素的研究，找到影響LED壽命的關鍵因素，與LED業者同仁共同交流、探討，為LED行業的發展略盡綿力。

一、材料對LED光衰的影響

1.晶片對LED光衰的影響

影響晶片可靠性的主要因素有：良好的導熱性、抗靜電性能和抗浪涌電壓和電流等。

從目前實驗的結果來看，晶片對光衰的影響分為兩大類：第一是晶片的材質不同導致衰減不同。目前常用的藍光晶片襯底材質為碳化硅和藍寶石，碳化硅一般結構設計為單電極，其導熱效果比較好，藍寶石一般設計為雙電極，熱量較難導出，導熱效果較差;第二是晶片的尺寸大小，在晶片材質相同時，尺寸大小不同衰減差距也不同。就芯片相比較而言，藍光和綠光LED芯片，主要是外延材料摻雜不同，襯底一般都是藍寶石，襯底的導熱能力相同的。所以，外延部分的材料結構決定了他們的耐受溫度的能力，這應該也是芯片改進的重點，在芯片的外延材料結構沒有那么快改善的情況下，只有像現在這樣，通過置換襯底材料來改進導熱能力。藍光LED的壽命是最差的，先天的不足導致由它構成的白光LED的壽命更差。

2.熒光粉對LED光衰的影響

實現白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過在藍光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質對白光LED的衰減影響很大。市場最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同廠商的熒光粉對光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關系密切。圖1為用兩種不同熒光粉封裝的白光LED與藍光LED對比的光衰曲線。

LED用的熒光粉受光激發效率隨溫度的變化關系，似乎還沒有相關資料，已有充分的事實可以證明，溫度升高，即影響到熒光粉的性能和壽命。熒光粉廠家做了測試，在溫度為80度時，熒光粉的激發效率降低了2%，冷卻后又恢復，而這僅僅是做很短時間的一個測試而已，已說明溫度升高，熒光粉的性能下降，至于不可恢復的性能衰退，則是一個累計的過程，需要一定的時間。我們使用某廠家的4個樣本3020LED封裝做整機的高溫5000小時老化試驗中發現LED背光亮度有一個先升高再下降的過程，如圖2所示。這種狀況可能由下列情況產生：

A.熒光粉和混合膠作用，使熒光粉的性能降低，在溫度的初期作用下，使熒光粉的性能恢復。

B.熒光粉和混合膠作用，使熒光粉的性能提高。

C.藍光芯片的初始一段時間性能有增強。

我們使用不同廠家的5630封裝LED做高溫5000小時老化試驗發現，在初始一段時間內，白光LED的光通能量既有一開始就上升的，也有一開始就下降的（如圖3所示），這種狀況在相同的紅光芯片在不同廠家封裝時也有發生，所以，僅以短時間的試驗是很難斷定是熒光粉的問題，還是封裝材料或封裝工藝的問題。有幾個現象還可以證明，白光LED的壽命主要是由于熒光粉的性能衰退而縮短的。首先，有試驗表明，在對LED進行老化試驗后，LED已不是白光，而是嚴重偏藍色的光，說明熒光粉的作用喪失。其次，有人做了這樣的試驗，將已衰減30%多的白光LED取出芯片測試，發現芯片只衰減了百分之幾。這也說明熒光粉的作用失去。總體來講，在溫度的作用下，熒光粉是會衰減的。溫度越高，熒光粉性能衰退越嚴重。所以，白光LED的光衰減，主要原因就是熱作用下熒光粉性能的首先、快速衰減。究竟是熒光粉自身在LED正常工作的溫度下就有衰減，還是由于有混合膠的影響造成衰減，還需做更充分的實驗驗證。方法如下：取相同的熒光粉分為幾份，其中一份不做何處理以做對比，另外幾份分別以不同的溫度、和時間來加熱處理。總之，無論是熒光粉自身還是熒光粉與膠體混合，它們都在一定溫度下就會是熒光粉性能快速衰退。所以說，熒光粉是白光LED光衰的第一位原因。

3.支架對LED光衰的影響

LED支架主要有銅支架和鐵支架。銅支架導熱、導電性能好，價格高。而鐵支架的導熱、導電性能相對較差，更容易生銹，但價格便宜。市場上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對LED的性能影響也不同，特別是對光衰的影響尤為突出，如圖4，這主要是由于銅的導熱性能比鐵的好很多，銅的導熱系數398W/（m.k），而鐵的導熱系數只有50W/（m.k）左右，僅為前者的1/8，還有支架的電鍍層厚度也密切相關。在選用支架時，還要注意支架的碗杯大小是否與發光芯片以及模粒匹配，其匹配質量的優劣，直接影響白光LED的光學效果，否則容易造成光斑形狀不對稱、有黃圈，以及黑斑等，直接影響到產品的質量。

4.固晶底膠對LED光衰的影響

在白光LED封裝行業中通常用到的固晶膠有環氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊，在選用時要綜合考慮。環氧樹脂絕緣膠導熱性差，但亮度高;硅樹脂絕緣膠導熱效果比環氧樹脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環氧樹脂相結合時會產生隔層現象，經過冷熱沖擊后將產生剝離導致死燈;銀膠的導熱性比前兩者都好，可以延長LED芯片的壽命，但銀膠對光的吸收比較大，導致亮度低。對于雙電極藍光晶片在用銀膠固晶時，對膠量的控制也很嚴格，否則容易產生短路，直接影響到產品的良品率。圖5所示為分別采用銀膠和絕緣膠固晶封裝的白光LED的光衰實驗結果。可以看出，用銀膠的壽命明比用絕緣膠高出很多。

5.熒光膠水對LED光衰的影響

傳統封裝的白光LED，熒光膠一般采用環氧樹脂或硅膠，經過光衰實驗的結果得出，用硅膠配粉的白光LED壽命明顯比環氧樹脂的長。如圖6所示，分別用環氧樹脂和硅膠配粉進行光衰實驗的結果。原因之一是用硅膠和環氧樹脂配粉的封裝工藝不一樣，硅膠烘烤溫度較低，時間較短，對芯片的損傷也小;另外，硅膠比環氧樹脂更具有彈性，更能對芯片起到保護作用。但在相同條件下，用硅膠配粉的初始亮度要比環氧樹脂配粉的要低，最主要是由于硅膠的折射率（1.3～1.4）比環氧樹脂（1.5以上）低，所以初始光效不及環氧樹脂高。

二、封裝工藝對LED光衰的影響

有了好的LED芯片，還要有科學的封裝方法，這樣才能得到壽命較長的白光LED光源。

首先對白光LED封裝所用的材料進行分析。固定LED芯片所用的固晶膠，有導電膠和絕緣膠之分，如果LED芯片為L型電極，就必須使用導電膠，這種固晶膠既能導電又能導熱。如果LED芯片是V型電極，就要使用導熱性能好的絕緣膠作為固晶膠。

其次是選用引腳式封裝的支架，目前支架由兩種材料做成：一種是鐵支架，外表鍍銀;另一種是銅支架，外表也是鍍銀。這兩種材料的導熱系數不一樣，相差比較大。

封裝過程中每道工藝的條件都可能對LED的性能和可靠性造成影響，在生產工藝方面，問題最多的是在粘片盒焊接工藝上，因為虛焊會增加熱阻和阻抗，而增加的阻抗又產生額外的熱量。粘片的膠太厚、膠體中含水汽、氣泡、雜質、虛粘等，都會增加熱阻及電阻。

三、PN結溫度對LED光衰的影響

理論和實踐都已經證明，LED的壽命是與LED的PN結工作溫度緊密相關的。PN結的工作溫度一般在110～120℃之間，但在設計中，應當考慮長期工作的情況下，PN結盡量保持在100℃左右。當LED芯片內結溫升高10℃時，光通量就會衰減1%，LED芯片發光的主波長就會漂移1～2nm。美國CREE公司的光衰曲線如圖7所示。

對于白光LED來說，溫度對白光LED的壽命影響很大。一方面PN結溫升，促使光衰增大;另一方面促使發光主波長漂移，同時也影響了光對熒光粉的有效激發，不但光衰增大，色溫也產生變化。因為主波長改變了，激發的黃光也發生變化，結果混合光就和原有光的色溫不一樣。所以要延長LED壽命的關鍵是要降低其結溫。

圖7 CREE公司LED光衰曲線

四、結論

本文通過對LED相關的材料、封裝、工作結溫等因素的研究，分析了各種因素可能對LED壽命產生的影響。對于在LED產品應用過程中LED光衰不僅與LED本身質量有關，而且與其工作的環境溫度也密切相關。如果長期工作的較高的溫度下，其壽命會隨著溫度升高大大的降低。因此，溫度是影響LED光衰的主要因素之一。而不同的封裝廠由于材料和封裝工藝的不同其壽命差異也很大，所以背光廠家在引入LED封裝時需要先測試LED的溫升和大于1000小時的高溫老化試驗來預估LED的壽命。

參考文獻

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