溫度對GaN基LED電流加速老化特性的影響

牛萍娟 ，王衛星 ，寧平凡 ，王景祥 ，薛衛芳

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

溫度對GaN基LED電流加速老化特性的影響

牛萍娟1，2，王衛星1，寧平凡2，王景祥1，薛衛芳1

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

采用電流加速老化的方法研究大功率白光LED的光通量衰減特性，提出了一種包含溫度影響因素的LED壽命推算方法.實驗發現：LED的光通量衰減速度隨著加速電流的增大而變快，同時器件溫度升高，溫度的升高又會促進LED燈珠的加速老化.通過分組實驗，在不考慮溫度因素時，采用狹義Eyring公式計算LED的壽命；在考慮溫度因素時，采用廣義的Eyring公式計算LED的壽命.對比2種模型的計算結果發現：考慮溫度影響能更準確的推算出LED的壽命.

光通量；大功率LED；電流加速老化；溫度；GaN

LED光源被認為是繼白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈之后的第4代照明光源，它具有電光轉化效率高、工作電壓低、體積小、發熱少等優勢，被廣泛的應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明領域.

GaN基藍光LED從出現到商業化也只是經歷了短短的20年，各項技術還在不斷的完善當中，而LED的壽命成為制約LED產業發展的主要問題之一，如何準確并精確地推算出正常工作環境下LED的壽命成為產業研究的重點[1].

LED芯片通常采用熱應力、電應力以及其他應力進行加速老化.電應力相較于熱應力、機械應力在加速老化實驗中具有易于操作、老化周期短的優勢.同時，電應力也有易于引起LED燈珠死燈、易于發熱等缺陷.以加速老化實驗數據為基礎，利用合適的壽命計算的方法就可以對LED的壽命進行推算[2].Shono[3]提出了電流加速老化的老化因子和電流大小的具體關系.利用這種關系就可以通過大電流的衰減因子來計算出相應的額定電流下的衰減因子，從而求出LED的壽命.但這種方法并未考慮加速老化的大電流帶來的熱場效應，而這種電場-熱場耦合效應對LED光通量衰減的影響值得深入研究.本文主要通過對比實驗討論LED溫度變化在電流加速老化過程中對其壽命計算的影響.

1 實驗過程與結果

實驗采用YG-P01型號的白光LED，額定功率1 W、額定電流350 mA、正向電壓3.2～3.6 V、初始光通量在110～120 lm之間.實驗中將LED燈珠直接置于老化儀下，不加散熱片以便更好地觀測老化過程中溫度對LED光通量衰減速度的影響.

圖1 不同老化電流下LED光通量隨老化時間的關系Fig.1 LED luminous flux versus aging time under different aging current

首先測試200顆YG-P01型LED的初始光通量，選取光通量值較為相近的20顆作為試驗樣品，將其分成4個組，分別標記為1、2、3、4，每組5顆并標記編號.分別給第 1、2、3、4組 LED 燈珠加上 350 mA、450 mA、550 mA、650 mA的電流進行老化，環境溫度保持在（25±1）℃.實驗裝置為SSP3516型大功率LED老化測試儀，樣品持續點亮，每8 h測量1次光通量并記錄，樣品的溫度使用多路溫度記錄儀實時監測并記錄.

不同老化電流下，LED光通量的衰減曲線如圖1所示.

由圖1可見，隨著老化時間的增加，所有樣品的光通量均出現了不同程度的衰減，而且老化電流越大，光通量的衰減速度越快.原因是隨著電流的增加，LED芯片中會出現更多的點位錯和線位錯，這些缺陷對載流子有較強的俘獲作用，從而降低了芯片的發光效率[4-5].實驗中4組LED樣品的溫度分別為345.5 K、358.1 K、364.7 K和370.3 K.

圖2 額定電流下LED平均光衰曲線Fig.2 Luminous flux decay curve under rated current

在350 mA額定工作電流下老化的LED樣品光通量衰減曲線如圖2所示.設定LED的光通量降低到初始光通量的70%判定為失效[6].由圖2可知，在本文所述的實驗狀態下（不加散熱片），當老化電流為額定電流350 mA時，樣品的平均工作壽命為t=134.27 h.

2 壽命計算與分析

2.1 不考慮溫度因素

通過指數函數：

式中：F為光通量；F0為初始光通量；a為衰減因子；t為老化時間.

對如圖 1（b）、圖 1（c）、圖 1（d）所示的老化實驗數據進行擬合，可得各樣品加速老化的衰減因子a[7].如圖3所示為老化電流為450 mA的第2組5個樣品的擬合曲線.

圖3 第2組樣品的光通量衰減擬合曲線Fig.3 Fitting curve of luminous flux decay of samples in group 2

根據實驗數據的擬合輸出可以得到加速衰減因子，如表1所示.

表1 加速老化的衰減因子Tab.1 Attenuation factor

Shono[3]指出，在電流加速試驗中，白光LED的衰減系數a和工作電流的關系符合Eyring關系式：

式中：K和J為常數；IF為加速電流.

由3組加速電流下的平均衰減因子可以求出3組K和J，如表2所示.

表2 公式參數K和J Tab.2 Parameters K and J

將K和J帶入公式（2）可得：

輸入額定工作電流350 mA，就可以得到額定工作電流的衰減系數a=0.033 08.將衰減系數帶入公式（1）求出壽命t1=142.29 h和衰減曲線.圖4顯示了單應力Eyring模型計算出的額定電流下的樣品衰減曲線與測試數據、指數函數擬合結果之間的對比情況.可以看出，利用單應力Eyring模型可以求出LED光通量衰減的趨勢并對LED的壽命進行估算，但是隨著時間的增加，計算結果與實測數據之間的差異逐漸增加.造成這種差異的原因是單應力Eyring模型中沒有包含溫度對光衰的影響.電流作用于LED芯片時產生熱量，引起周圍硅膠及熒光粉溫度升高，在高溫下熒光粉轉換效率降低、硅膠老化，因此LED出光減少[8-9]。

圖4 光通量衰減曲線Fig.4 Luminous flux attenuation curve

同樣，利用第2、3、4組實驗的衰減因子可以求出老化電流為450 mA、550 mA、650 mA時樣品的壽命分別為 108.22 h、82.80 h、63.5 h.

2.2 考慮溫度因素

電流加速老化實驗是在室溫（25±1）℃中進行的.單應力Eyring模型計算的樣品壽命及測得的器件溫度隨老化電流的變化如圖5所示.由圖5可知，雖然環境溫度相同，器件溫度卻隨老化電流的增加明顯增大.因此，在使用電流加速老化的方法推算LED壽命時，器件溫度是必須考慮的因素[10].

圖5 壽命和溫度曲線Fig.5 Life and temperature curve

Goldberg認為如果電流和溫度同時作為加速老化的應力時，特征壽命和電流溫度的關系應該符合廣義的 Eyring 模型[11]：

式中：A、B、C、D均為常數；k為玻爾茲曼常數；S1為溫度因素；S2為電流因素.由于上式中交互作用可以忽略不計[12]，因此可以將公式簡化為：

3組加速實驗LED光通量隨時間的變化如圖6所示.

圖6 不同老化電流下樣品的光通量衰減曲線Fig.6 Luminous flux attenuation curve of samples under different aging current

將第2、3、4組LED的結溫和光通量降到初始光通量70%時的時間帶入上式可以求出常量A、B、C.將額定電流的大小和結溫帶入可以推算出LED的壽命為t2=135.6 h.與實際測得的LED的壽命t=134.27 h及未考慮溫度因素時計算出的LED壽命t1=142.29 h相比較可以發現，考慮溫度因素后推算出的LED壽命與實驗值吻合的更好.

光通量衰減對比曲線如圖7所示.圖7中離散的點表示實際測得的光通量隨時間的變化，虛線表示未考慮溫度因素的單應力Eyring模型計算結果，實線表示考慮溫度因素的廣義Eyring模型計算結果.由圖7可知，考慮溫度因素的廣義Eyring模型的計算結果與實際測得的光通量衰減數據更為接近.

圖7 光通量衰減對比曲線Fig.7 Comparison of luminous flux attenuation curves

3 結語

綜上所述，針對GaN基大功率白光LED，研究了電流加速老化過程中器件溫度升高對其壽命推算的影響.隨著老化電流逐漸增加，器件的溫度明顯升高，壽命顯著降低.通過將包含和不包含溫度因素的2種壽命推算模型的計算結果與測試所得光通量衰減數據對比說明了考慮溫度因素的廣義Eyring模型能夠更加準確地估算LED的壽命.

[1]FANG Zhilie.Future applications of light emitting diodes[J].Physics and Advanced Technology，2003，32（5）：295-301.

[2]林林，莊國華，黃珊珊，等.大功率白光LED壽命的計算[J].福建師范大學福清分校學報，2009，96（3）：1-4.

[3]SHONO H.Estimation of light emitting diode operation life time[J].Tech Rep IEICE，1999，99（454）：13-18.

[4]MENEGHESSO G， LEVADA S， ZANONI E， et al.Failure modes and mechanisms of DC-aged GaN LEDs[J].Physica Status Solidi（a），2002，194（2）：389-392.

[5]鄭代順，錢可元，羅毅.大功率發光二極管的壽命試驗及其失效分析[J].半導體光電，2005，26（2）：87-91.

[6]劉熙娟，溫巖，朱紹龍，等.白光LED的使用壽命的定義和測試方法[J].光源與照明，2001（4）：16-22.

[7]HU J Z，YANG L Q，KIM L，et al.The ageing mechanism of high-power InGaN/GaN light emitting diodes under electrical stresses[J].Semicond Sci Technol， 2007，22（12）： 1249-1252.

[8]OSINSKI M，PERLIN P，ELISEEV P，et al.Degradation of single-quantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress[J].Microelectronics Reliability，1999，39：1219-1227.

[9]MENEGHINI M，TAZZOLI A，MURA G，et al.A Review on the physical mechanisms that limit the reliability of GaN-based LEDs[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2010，57（1）：108-118.

[10]ISHIZAKI S，KIMURA H，SUGIMOTO M.Lifetime estimation of high power white LEDs[J].J Light&Vis Env，2007，31（1）：11-18.

[11]MANN N R， SCHAFER R E， SINGPURWALLA A P.Methods for Statistical Analysis of Reliability and Life Data[M].New York：John Wiley and Sons，1974.

[12]BARTON D.Degraduation mechanisms in GaN/AlGaN/InGaN[C]//Proc The 10th Conference on Semiconducting and Insulating Materials（SIMC-X）.[s.n.]：IEEE Press，1998：259-262.

Influence of temperate on current accelerated degradation characteristic of GaN white LED

NIU Ping-juan1，2， WANG Wei-xing1， NING Ping-fan2， WANG Jing-xiang1， XUE Wei-fang1
（1.School of Electronics and Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；2.School of Electrical Engineering and Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

The current accelerated aging experiment was used to investigate the luminous attenuation and lifetime of the high-power white LEDs.When the accelerated aging current is increased，the luminous attenuation of white LED was obviously accelerated and the LED temperature was rised up.The high temperature will promote LED accelerated aging process.Narrow sense Eyring formula and GeneralizedEyringformulawereused to calculate the lifetime of LED srespectively without or with considering the influence oftemperature.The result of comparing these twomodelshas proved that the predictedlife is more accurate with the condition of considering the influence of temperature.

luminous flux； high-power LED； current accelerated aging； temperature； GaN

TN312.8；TP271.72

A

1671-024X（2015）05-0072-04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.06.015

2014-11-17

科技型中小企業技術創新資金資助項目（13ZXCXGX31700）；中小企業發展專項資金項目（SQ2013ZOA100010）

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，碩士生導師.主要研究方向為新型半導體發光器件、LED驅動電路和半導體照明應用系統.E-mail：pjniu@hotmail.com