電-熱應力對GaN基白光LED可靠性的影響

鄒水平， 吳柏禧， 萬珍平， 唐洪亮， 湯 勇

(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510640)

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電-熱應力對GaN基白光LED可靠性的影響

鄒水平， 吳柏禧， 萬珍平*， 唐洪亮， 湯 勇

(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510640)

研究了電流和溫度應力因子及其共同作用時對GaN基白光LED可靠性的影響，并從LED結構方面探究了各應力下LED的失效機理。結果表明，以電流作為加速應力時，熒光粉退化為其主要的失效方式，同時LED出光的相關色溫上升，紅色比減少；在熱應力下,主要是LED芯片結構發生變化，峰值波長藍移，光通量衰減，同時支架出現老化現象。電流和溫度應力共同作用時，溫度應力對LED光通量的影響大于電流應力。電-熱應力下的光通量衰減大于電、熱應力單獨作用時的衰減之和，即電-熱應力作用時，光衰不具有線性疊加性。

LED； 電流應力； 溫度應力； 可靠性； 失效分析

1 引 言

作為新一代的固態光源，LED具有體積小[1]、壽命長[2]、成本低[2]、功耗小[3]和綠色環保[1,4]等優點。作為各國重點扶持的新興產業，LED的發展非常迅速，已廣泛應用于運輸照明、背光源、顯示和普通照明等領域[5]。高可靠性是LED廣泛應用的基礎，加強對LED可靠性的研究并加以提高具有重要的實際意義。

電流和溫度應力是影響LED可靠性的重要因素。陳建新等[6]研究了電流應力對大功率白光LED可靠性的影響，發現結溫和熒光粉失效是主要因素。李艷菲等[7]對比了以電流作為加速應力的老化實驗前后LED的電學、光通量和光譜特性，并分析了芯片和熒光粉的失效機理。趙阿玲等[8]通過對LED進行電流應力加速壽命，分析得出光衰和熒光粉、封裝材料退化和散熱等有關。

Chen等[9]和Wang等[10]研究了結溫對LED可靠性的影響，結果顯示隨著溫度的升高，其正向電壓減少而峰值波長增加，但他們未對其光譜成分的變化進行研究。Hu等[11-13]從芯片和封裝過程角度分析了LED發光衰減的原因。郭偉玲等[14]通過測試LED在高溫和低溫下的光電特性，發現溫度對正向電壓、光強和波長等有較大影響。周舟等[15]通過研究發現，在LED高溫老化過程中，芯片和封裝材料的老化共同導致LED緩慢失效。趙紫薇等[16]認為大功率LED的熱管理重點是如何降低PN結的結溫，從源頭上提高芯片出光。以上對溫度應力的研究主要集中在電參數的變化和對封裝結構的影響，對LED發射光譜的研究較少。

綜上所述，雖然許多學者對電流、溫度應力對LED可靠性的影響做了大量的研究，但對于電流和溫度應力如何影響LED的可靠性及其對LED造成何種影響并不明確。一般認為芯片和封裝材料老化共同導致LED失效，實際上，LED在電流應力作用下和溫度應力作用下的失效機理并不相同。可見，對電流和溫度應力影響GaN基白光LED可靠性的研究尚不夠深入。

本文以電流、溫度作為加速應力進行加速壽命實驗，以光通量、峰值波長和紅色比等光電參數為基礎分別研究電流應力和溫度應力對GaN基白光LED壽命的影響，分析各應力下影響LED可靠性的主要因素，得到各應力下的失效機理。通過研究電-熱應力共同作用時LED光電參數的變化，得到電流-溫度應力共同作用下的LED光通量衰減規律。

2 實 驗

樣品為自制的同批次的合格LED燈珠。LED封裝采用A31U-CD芯片、KER-3000-M2硅膠和2571型封裝膠，熒光粉為GM537D黃色和RH630G紅色熒光粉。每組實驗的LED燈珠數量為10只，以減少實驗偶然性誤差。實驗采用單應力實驗方法，即實驗中除某一應力大小不同外，其他條件保持相同。

在實驗過程中，LED的驅動采用恒流驅動。在數據采集方面采用定時截尾方式，即每隔7 d測量加速壽命實驗中的LED相關光電參數。在測定時，先將LED斷電放置于常溫環境下2 h左右，待其完全冷卻至室溫后，采用PMS-80紫外-可見-近紅外光譜分析系統在LED額定工作電流下進行光電參數的測量。在數據處理上先剔除10個測量值中的粗大誤差，然后將剩下的數據的平均值作為該組實驗的實驗數據。

3 結果與討論

3.1 電流應力實驗

電流應力實驗是以電流為變化的加速因子。將實驗樣品安置于串聯的老化板上，并給老化板通入設定的穩定電流，持續點亮LED，每間隔一周測量LED的光電參數。以初始的光電參數作為初始值，某時刻測量的光電參數除以初始值作為其相應參數的維持率。實驗在恒溫環境(25 ℃)中進行。由于本實驗環境恒溫，且通入的穩定電流較小，引起的LED結溫變化幅度不大[17]，所以主要考慮電流應力對LED壽命的影響。

電流應力實驗分別設置了30(額定值)，60，100 mA 3個實驗參數。在常溫25 ℃時，不同電流下的光通量維持率和老化時間之間的關系如圖1所示。隨著LED工作時間的增加，其輸出光通量逐漸衰減，且電流越大，衰減越迅速。在30 mA和60 mA電流下，在老化約2 800 h之前，光通量的衰減相差很小；之后，隨著老化時間的增加，60 mA電流下的光通量衰減逐漸增大。而在100 mA電流下，光通量衰減從實驗開始，就比30 mA和60 mA光通量衰減大，隨著老化時間的延長，其差距逐漸增大。

圖1 常溫下不同電流下的光通量維持率

Fig.1 Luminous flux maintenance under different currents at room temperature

為探究在電流應力下LED的失效機理，我們首先對在30，60，100 mA工作電流下的LED芯片出光的峰值波長(藍光波長)進行歸一化分析，發現3個電流下的峰值波長都沒有出現較大的偏移，如圖2所示，可見，芯片結構未出現較大改變。

圖3為100 mA恒定電流下的LED兩端正向電壓的變化圖。隨著老化時間的延長，LED的正向電壓略有上升，上升幅度約為1.3%。芯片內部都存在缺陷、位錯，隨著LED老化時間的延長，缺陷、位錯密度增大，導致芯片結構內部的串聯電阻增大，正向電壓增加。

圖2 LED峰值波長隨老化時間的變化

圖3 LED正向電壓隨老化時間的變化

LED出光的相關色溫(CCT)變化如圖4所示。隨著老化時間的延長，LED燈珠的相關色溫呈現逐步上升的趨勢。其中在100 mA電流下，相關色溫的變化率為1.75%。這說明在LED出光中，藍光相對于黃光的比例在逐步增加，顏色逐漸由暖色光向偏冷色光轉變。

紅色比是紅色光譜在整個發射的可見光譜中所占的百分比。我們將各電流下LED光譜中的紅色比參數做歸一化處理，如圖5所示。在不同工作電流下的發射光譜中，紅色比都隨老化時間的延長呈下降趨勢，且電流越大則紅光衰減越大。

圖4 LED相關色溫隨老化時間的變化

圖5 不同電流下紅色比隨老化時間的變化

LED峰值波長和正向電壓的變化情況說明芯片結構未發生顯著改變。LED相關色溫的上升和紅色比的下降表明，LED的衰減主要是熒光粉退化、激發效率降低所致。

在電流加速老化實驗過程中，LED芯片會產生大量的熱量。若不能有效散熱，會導致LED的芯片和封裝膠的溫度上升，散布在封裝膠內的熒光粉會出現一定程度的退化，使熒光粉的轉化效率降低。熒光粉的退化，使被激發的黃光偏少，導致在光譜上顯示為紅、黃等光的比例較藍光減少，色坐標偏移，如圖6所示。

電流應力壽命實驗結果表明，電流應力對LED的可靠性有重要影響，熒光粉退化為其主要的失效方式，表現為LED出光的相關色溫上升，光譜中的紅色比減少。

圖6 老化實驗前(a)、后(b)的LED光譜。

3.2 溫度應力實驗

溫度是影響LED可靠性的重要因素，結溫是最真實的LED溫度反映指標。結溫和外界溫度存在以下關系：

TJ=TA+Pth·Rth，

(1)

其中TJ為結溫，TA為LED環境溫度或者管殼溫度，Pth為LED的熱耗散功率，Rth為芯片到管殼的熱阻。從式(1)可以看出結溫的測定比較復雜。由于實驗采用同批次LED，為簡化實驗程序，本文直接以環境(烤爐)溫度作為溫度應力大小研究溫度應力對LED可靠性的影響。本實驗研究在額定30 mA電流下，不同的環境溫度應力(常溫25 ℃和高溫80 ℃)對其可靠性的影響，圖7所示為LED光通量在歸一化后不同溫度下光通量的維持情況。

圖7 不同溫度下的LED光通量維持率

Fig.7 Luminous flux maintenance of LED under different temperature

從圖7可見，溫度對LED的光通量有很大影響。 LED光通量在常溫和高溫下的衰減速率不同，在高溫時的衰減較常溫迅速。在常溫時，LED正常工作3 400 h后的光通量仍維持在98%左右，而在高溫下則衰減至最初的90%左右。

圖7為LED出光的峰值波長的變化情況。在常溫下，LED出光的峰值波長幾乎未改變；而在高溫狀態下，峰值波長明顯藍移。LED峰值波長出現藍移是由于芯片多量子阱區的強烈極化效應，即LED芯片結構發生了改變，穩定性能降低。

圖8 LED峰值波長的變化情況Fig.8 Variation of peak wavelength under different temperature

從圖8還可以看出，在實驗初期，高溫和常溫下LED的峰值波長相同，說明LED芯片結構未出現改變。經過1 500 h老化后，高溫下的峰值波長減小，芯片結構開始發生改變。但是老化到2 200 h左右時，其峰值波長幾乎不再發生變化。芯片的結構并不隨著工作時間的延長而一直緩慢改變，而是在某時刻芯片內部的缺陷、位錯等積累到一定程度，才開始出現峰值波長的改變。藍移到一定程度后，峰值波長會一直保持穩定。

常溫和高溫下LED出光中紅色比的變化如圖9所示。隨著LED工作時間的延長，LED出光的紅色比例略有下降，而且80 ℃高溫和常溫下的紅色比下降速率相當，實驗前后的紅色比的變化僅在0.5%左右，可見溫度應力對熒光粉的退化影響較小。

LED支架有承載LED芯片、散熱和出光的作用。LED支架一般為塑料制品，因此在使用中容易出現老化。圖10是溫度應力實驗后的LED支架杯壁老化圖。

溫度應力實驗結果表明，溫度主要對材料為半導體的芯片有影響，而對熒光粉的性能影響較小。溫度加速了芯片內部缺陷、位錯的擴張速率，導致白光LED峰值波長藍移。而熒光粉在80 ℃條件下工作3 500 h后，其性能幾乎未發生改變。

圖9 溫度對LED出光中紅色比的影響Fig.9 Effect of temperature on red ratio of LED spectrum

圖10 LED支架塑料老化圖

3.3 電流-溫度綜合應力實驗

為研究電流-溫度應力共同作用對LED可靠性的影響，我們對不同電流(30 mA、60 mA)和環境溫度(常溫25 ℃、80 ℃)下的LED光通量的衰減進行了研究，結果如圖11所示。在實驗初期，常溫下30 mA、60 mA工作電流下的光通量衰減速率幾乎相同；在工作2 800 h以后，不同工作電流下的光通量衰減速率才開始出現差異，且差異逐漸增大。而在高溫下，30 mA、60 mA電流下的光通量衰減明顯，差異較大。

在常溫下工作3 500 h后，30 mA和60 mA電流下的LED光通量的維持率都較高，30 mA維持在98%以上，60 mA維持率在96%左右。而在高溫下工作相同時間后，LED的光通量衰減明顯，30 mA維持率在92%左右，60 mA則只維持在86%左右。

圖11 電流-溫度應力對LED光通量的影響

Fig.11 Variation of luminous flux under joint action of current and temperature stresses

進一步分析可知，80 ℃溫度比60 mA電流更能加速LED光通量的衰減。同時，LED光通量在高溫、60 mA電流下的衰減大于常溫、60 mA電流和高溫、30 mA電流下的衰減之和，說明電流-溫度應力下的光通量衰減大于電流和溫度應力單獨作用時的衰減之和，即電流和溫度應力作用不具有線性疊加性。

4 結 論

通過對LED樣品分別進行電流、溫度和電流-溫度應力加速實驗，研究了各應力對LED可靠性的影響。結果表明，電流應力主要是通過影響熒光粉的轉化效率來降低LED可靠性。熒光粉退化、轉化效率降低，導致被激發的黃光減少，LED相關色溫上升，出光中的紅色比減少。溫度應力主要通過影響LED芯片來降低其可靠性。溫度加速了芯片內部缺陷、位錯的擴張速率，導致LED光譜藍移。溫度還加速了支架的老化，影響LED出光結構的正常工作。80 ℃溫度比60 mA電流更能加速LED光通量的衰減，同時電-熱應力下的光通量衰減大于電流和溫度應力單獨作用時的衰減之和，即電流和溫度應力作用不具有線性疊加性。

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鄒水平(1991-)，男，廣東龍川人，碩士研究生， 2014年于華南理工大學獲得學士學位，主要從事現代制造技術和LED的封裝與可靠性方面的研究。

E-mail: 1404345050@qq.com

萬珍平(1971-)，男，湖南衡陽人，教授，博士生導師，2003年于華南理工大學獲得博士學位，主要從事現代制造技術和LED的封裝與可靠性方面的研究。

E-mail: zhpwan@scut.edu.cn

Effect of Current-temperature Stress on The Reliability of GaN LED

ZOU Shui-ping, WU Bo-xi, WAN Zhen-ping*, TANG Hong-liang, TANG Yong

(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China))*CorrespondingAuthor,E-mail:zhpwan@scut.edu.cn

The effects of current-temperature stress on the reliability of LED were investigated, and the failure mechanism was analyzed from the structure of LED. It is found that the current and temperature have different influences on the reliability of LED. When LEDs are applied current accelerating stress, the degradation of phosphor is the main failure mode which can cause the increasing of correlated color temperature and decreasing of red ratio. When LEDs are applied temperature accelerating stress, the structure of chip would change, which leads to the blueshift of peak wavelength. In addition, the structure of housing also appears aging at high temperature. The temperature stress has greater effect on the reliability than current stress when the current stress and temperature stress are applied together. The attenuation of luminous flux under current-temperature stress is greater than the sum of current and temperature stress working alone, which namely implies that the current and temperature stress do not have the features of linear superposition.

LED; current stress; temperature stress; reliability; failure analysis

1000-7032(2016)01-0124-06

2015-10-08；

2015-11-03

國家自然科學基金委-廣東省聯合基金重點項目(U1401249)資助

TN306

A

10.3788/fgxb20163701.0124