功率高壓LED模組在不同應力下的老化實驗

雷 珺， 郭偉玲， 李松宇， 譚祖雄

(北京工業大學電控學院 光電子技術省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

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功率高壓LED模組在不同應力下的老化實驗

雷 珺， 郭偉玲*， 李松宇， 譚祖雄

(北京工業大學電控學院 光電子技術省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

對LED進行應力加速老化實驗及分析可以對器件可靠性做出最快、最有效的評估。本文將相同的6 V高壓功率白光LED分為兩組，一組施加180 mA電流應力和85 ℃溫度應力進行高溫老化實驗，另一組施加180 mA電流應力、85 ℃高溫和85%相對濕度進行高溫高濕老化實驗。在老化過程中，測試了LED光電參數隨老化時間的變化規律。實驗結果表明：高溫大電流應力下的樣品的光退化幅度為0.9%～3.4%，高溫高濕大電流應力下的樣品的光退化幅度為25.4%～27.8%，高溫高濕下樣品的老化程度遠高于高溫老化下樣品的老化程度，濕度對LED可靠性有顯著的影響。退化的原因包括熒光粉的退化和器件內部歐姆接觸退化等。

白光LED； 老化； 光通量； 光衰

(KeyLaboratoryofOptoelectronicsTechnology,MinistryofEducation,

1 引 言

LED具有環保節能、效率高、易驅動和壽命長等優勢，現已大規模運用于路燈、汽車、背光燈、景觀照明和顯示屏等領域[1]。受不同生產廠家的工藝、技術和材料等因素的影響，市場上的LED產品的使用壽命也不盡相同[2]。隨著生產技術的不斷發展，目前，商用LED的發光效率已經可以達到令人滿意的數值[3]。雖然LED已經具備了比較良好的特性也滿足了人們日常照明的要求，但依舊存在一些不足之處。隨著電子系統越來越高的復雜程度和越來越嚴酷及多樣的使用環境，人們對元器件可靠性的要求也越來越高[4]。由于LED技術的飛速發展，新結構、新工藝層出不窮，LED的可靠性問題仍然十分突出。例如在進行器件老化期間，由于雜質的不穩定或者非輻射復合與摻雜，LED芯片會出現明顯老化現象；在應力作用下，器件的透鏡和封裝都會有明顯的老化，顏色變黃、顯色指數發生變化和發光效率降低也是常見的問題，更甚者會有失效的情況發生[1-5]。可見，LED的壽命與器件工藝和工作條件有著密切的關系，針對LED在大電流、濕度應力和溫度應力條件下的老化研究是非常必要的。

正常工作條件下，對LED進行壽命實驗、壽命評估及各種參數的采集是一件耗時很長的事情，尤其對于高可靠性的樣品而言，其實驗周期會更長。因此，對于LED光源的可靠性實驗一般采用加大應力(如電流和應力等)的方法對樣品進行加速老化，這樣可在短時間內得到樣品失效信息并對其可靠性進行分析。本文在對樣品施加電流應力、高溫應力和濕度應力等老化條件下開展LED的可靠性研究，分析樣品的光電參數在老化過程中的變化規律以及兩種老化條件下樣品的退化機理，并且將兩種老化條件下樣品光電參數的變化做了對比和分析，從實驗及理論兩方面解釋了老化條件對LED的影響。

2 實 驗

實驗所采用樣品為白光LED，芯片為國內某企業1833芯片，支架為長盈3030PCT，熒光粉型號為格亮光電英特美GAL535，封裝膠型號為天寶1525，焊線為金線。樣品內部結構為兩個芯片串聯，單晶芯片工作電流為150 mA,電壓為3 V，串聯成6 V、1 W的功率白光LED模組。

對封裝后的成品樣品進行實驗。將樣品平均分為兩組,每組5只LED，第一組樣品編號為A1～A5，第二組樣品編號為B1～B5。第一組實驗采用恒溫實驗老化箱對樣品進行高溫老化，實驗溫度為85 ℃；第二組實驗采用恒溫恒濕老化箱對樣品進行高溫高濕老化，實驗溫度為85 ℃，相對濕度為85%。兩組都施加180 mA老化電流進行加速老化,并且給樣品配以特制散熱板使其能夠有效散熱。根據老化時間設定測量周期，并使用專用的測試系統來測量參數，測試電流為150 mA。測量參數有光通量、光效值和正向電壓等。

3 結果與討論

3.1 光通量及光效的變化

圖1和圖2為兩組樣品的光通量(φ)隨老化時間的變化曲線。圖3和圖4為兩組樣品的光效值(η)隨老化時間的變化曲線。可以看出，樣品的光通量值和光效值在施加高溫、高濕和應力電流加速老化后都有所下降。A組樣品的光通量值在開始時隨著時間的遞增略有上升，緊接著為樣品緩慢老化的階段，光通量值隨時間的遞增開始緩慢下降，最后為LED發光性能的快速老化階段。在老化實驗后期，光通量值隨時間急速下降。對于B組樣品，在0～300 h期間，其光通量值就隨老化時間迅速下降；在300～1 000 h期間，光通量值趨于平穩但總體趨勢依然是下降，其老化速度明顯快于A組樣品。

圖1 高溫老化條件下，樣品光通量隨時間的變化。

Fig.1 Fluxvs. aging time of the samples under high temperature

圖2 高溫高濕老化條件下，樣品光通量隨時間的變化。

Fig.2 Fluxvs. aging time of the samples under high temperature and humidity

從圖3中可看出，在整個實驗過程中，A組樣品的光效值先下降而后上升，轉而繼續迅速下降。實驗中光效值略微上升的原因是老化剛開始的一段時間相當于退火過程，P型受主因為溫度升高而進一步被激活，空穴的濃度提高，因此增大了電子空穴的輻射復合幾率，光輸出增大[6]。從圖4可以看出，B組樣品的光效值在0～1 000 h期間一直處于下降的趨勢，前期急速，后期平緩。

圖3 高溫老化條件下，樣品光效值隨時間的變化。

Fig.3 Luminous efficiencyvs. aging time of the samples under high temperature

圖4 高溫高濕老化條件下，樣品光效值隨時間的變化。

Fig.4 Luminous efficiencyvs. aging time of the samples under high temperature and humidity

對于光衰的計算有如下公式：

(1)

其中，αn為老化n小時的光衰，φn為老化n小時的光通量，φ0為老化0小時的光通量。按照公式(1)計算得出，A組樣品在高溫老化后的光退化幅度為0.9%～3.4%，B組樣品在高溫高濕老化后的光退化幅度為25.4%～27.8%。B組樣品的光退化幅度遠遠高于A組樣品，可見環境濕度對LED可靠性的影響是很大的。光衰的產生跟樣品晶片、固晶膠和熒光粉等都有密切關系，這些物質的退化會直接導致光衰。老化時間的增加使得芯片中晶格不匹配，且這些芯片內部結構的老化缺陷是引起LED光衰的主要原因[6]。在高溫條件下，LED芯片散熱不好，芯片溫度過高會導致芯片衰減加劇；另一方面，過大的工作電流也會進一步加速芯片性能的退化。此外，濕度高的環境可進一步導致熒光粉性能的惡化和轉換效率的降低，水汽進入器件內會加速發生各種化學反應，影響光的傳播路徑進而使得光輸出降低，所以高溫高濕老化下的樣品比高溫老化下的樣品退化更為迅速。

3.2 色坐標的變化

色坐標的測量原理是由色坐標的基本規定并基于光源的光譜分布進行計算所得。在顏色坐標中分為x軸與y軸，通過色坐標確定CIE色度圖上一個表示樣品發光顏色的點。圖5和圖6分別為樣品在高溫老化和高溫高濕老化實驗中，色坐標相對于老化時間的變化曲線。樣品色坐標按圖中所示箭頭的方向變化。可以看出，隨著色坐標數值的降低，樣品色溫逐漸變大。隨著注入載流子濃度的增加，芯片的峰值波長可能會偏移，黃光所占比例減少。在高溫高濕老化下，色坐標下移比高溫老化更迅速[6-15]。樣品顏色的變化與熒光粉老化有關，在高溫、高電流和高濕的應力加速老化下，樣品中的熒光粉的發光性能隨時間的延長而下降。

圖5 高溫老化條件下，樣品色坐標隨時間的變化。

Fig.5 Color coordinatesvs. aging time of the samples under high temperature

圖6 高溫高濕老化條件下，樣品色坐標隨時間的變化。

Fig.6 Color coordinatesvs. aging time of the samples under high temperature and humidity

3.3 正向電壓的變化

圖7和圖8分別為樣品在高溫老化下和高溫高濕老化條件下，正向電壓隨老化時間的變化曲線。A組樣品的正向電壓呈先上升后下降再上升的變化趨勢。B組樣品在實驗剛開始時，其正向電壓值總體趨于下降，而后呈現明顯的上升趨勢。LED中有源區和歐姆接觸層之間的電阻是器件中的串聯電阻，在老化前期，器件溫度的升高會使其內部歐姆接觸增加，所以串聯電阻會減小，導致正向電壓下降；但隨著老化時間的延長，歐姆接觸退化、半導體缺陷和金線部位的老化將導致串聯電阻增大[6-18]，所以正向電壓上升。由于高溫老化實驗時間較短，因此獲得的數據具有局限性，只能呈現出樣品在高溫環境前期器件內部因為歐姆接觸的增加而減小了正向電壓值。而圖8中繪制的高溫高濕老化下樣品的正向電壓變化趨勢卻出現了明顯的一大段上升曲線，可見高溫高濕下樣品的老化速度明顯快于高溫老化下的老化速度。

圖7 高溫老化條件下，樣品正向電壓隨時間的變化。

Fig.7 Forward voltagevs. aging time of the samples under high temperature

圖8 高溫高濕老化條件下，正向電壓隨時間的變化。

Fig.8 Forward voltagevs. aging time of the samples under high temperature and humidity

4 結 論

在高溫大電流和高溫高濕大電流條件下，對實驗樣品進行了加速老化實驗，并對實驗后的光通量和色坐標等特性值的變化進行了分析。高溫老化下的樣品光退化幅度為0.9%～3.4%，高溫高濕老化下的樣品光退化幅度為25.4%～27.8%。在加速老化過程中，由于應力對熒光粉的影響，使得黃光轉換率降低，顏色也隨之受到影響，這是色溫上升的主要原因。溫度對樣品內部歐姆接觸的影響也會導致器件老化，并且硅膠的老化也會導致光衰的發生。高濕環境對LED有明顯加速老化的作用，在其他條件都相同的情況下，高濕環境下的樣品老化程度明顯高于對比組樣品的老化程度。

[1] 李艷菲,張方輝,張靜. 大功率LED的電流老化特性分析 [J]. 發光學報, 2012, 33(11):1236-1240. LI Y F, ZHANG F H, ZHANG J. The accelerated aging characterization of high power LED [J].Chin.J.Lumin., 2012, 33(11):1236-1240. (in Chinese)

[2] 陳奇,陳全,羅小兵. 加速可靠性試驗中LED壽命的快速評估 [J]. 工程熱物理學報, 2014, 35(3):554-556. CHEN Q, CHEN Q, LUO X B. Fast estimation of LED's accelerated lifetime by online test method [J].J.Eng.Thermophys., 2014, 35(3):554-556. (in Chinese)

[3] 薛浩,陳國龍,呂毅軍,等. 兩種高溫老化方式對功率白光LED光熱參數的影響 [J]. 光電子·激光, 2012, 23(5):849-854. XU H, CHEN G L, LV Y J,etal.. Influence of two kinds of high temperature degradation methods on the optical and thermal characteristics of power white LEDs [J].J.Optoelectron.Laser, 2012, 23(5):849-854. (in Chinese)

[4] 肖雷,黃永忠,邱榮邦. LED模組恒定應力加速壽命試驗 [J]. 電子科學技術, 2014, 1(3):327-331. XIAO L, HUANG Y Z, QIU R B. Accelerated life test of constant stress of LED module [J].Electron.Sci.Technol., 2014, 1(3):327-331. (in Chinese)

[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. ZHENG D S, QIAN K Y, LUO Y. Life test and failure mechanism analyses for high-power LED [J].Semicond.Optoelectron., 2005, 26(2):87-91. (in Chinese)

[6] 周舟,馮士維,張光沉,等. GaN基大功率白光LED的高溫老化特性 [J]. 發光學報, 2011, 32(10):1046-1050. ZHOU Z, FENG S W, ZHANG G C,etal.. The aging characteristics of high-power GaN-based white light-emitting diodes [J].Chin.J.Lumin., 2011, 32(10):1046-1050. (in Chinese)

[7] KOH S, VAN DRIEL W, ZHANG G Q. Degradation of light emitting diodes: a proposed methodology [J].J.Semicond., 2011, 32(1):014004-1-4.

[8] 王立彬,陳宇,劉志強,等. 大功率倒裝結構LED芯片熱模擬及熱分析 [J]. 半導體光電, 2007, 28(6):769-773. WANG L B, CHEN Y, LIU Z Q,etal.. Thermal simulation and analysis of high power flip-chip light-emitting diodes [J].Semicond.Optoelectron., 2007, 28(6):769-773. (in Chinese)

[9] 陳海明. 國外白光LED技術與產業現狀及發展趨勢 [J]. 半導體技術, 2010, 35(7):621-625. CHEN H M. Development and trends on white LED technology and industry in foreign countries [J].Semicond.Technol., 2010, 35(7):621-625. (in Chinese)

[10] YANG S C, LIN P, WANG C P,etal.. Failure and degradation mechanisms of high-power white light emitting diodes [J].Microelectron.Reliab., 2010, 50(7):959-964.

[11] MENEGHINI M, TAZZOLI A, MURA G,etal.. A review on the physical mechanisms that limit the reliability of GaN-based LEDs [J].IEEETrans.ElectronDev., 2010, 57(1):108-118.

[12] ISHIZAKI S, KIMURA H, SUGIMOTO M. Lifetime estimation of high power white LEDs [J].J.LightVis.Environ., 2007, 31(1):11-18.

[13] 黃遠鵬,陳德為,謝延興. 大功率白光LED加速壽命試驗方法與可靠性評估 [J]. 現代建筑電氣, 2012, 3(2):58-61. HUANG Y P, CHEN D W, XIE Y X. Summary of accelerated life test and reliability assessment for high-power white LED [J].Mod.Architect.Electron., 2012, 3(2):58-61. (in Chinese)

[14] WU B, LUO X, LIU S. Effect mechanism of moisture diffusion on LED reliability [C].ProceedingsofThe3rdElectronicSystem-IntegrationTechnologyConference(ESTC),Berlin,Germany, 2010:1-5.

[15] TAN C M, CHEN B K E, XIONG M. Study of humidity reliability of high power LEDs [C].ProceedingsofThe2010 10thIEEEInternationalConferenceonSolid-StateandIntegratedCircuitTechnology(ICSICT),Shanghai,China, 2010:1592-1595.

[16] DUPUIS R D, KRAMES M R. History, development, and applications of high-brightness visible light-emitting diodes [J].J.Lightw.Technol., 2008, 26(9):1154-1171.

[17] 牛萍娟,王衛星,寧平凡,等. 溫度對GaN基LED電流加速老化特性的影響 [J]. 天津工業大學學報, 2015, 34(6):72-75. NIU P J, WANG W X, NING P F,etal.. Influence of temperate on current accelerated degradation characteristic of GaN white LED [J].J.TianjinPolytechn.Univ., 2015, 34(6):72-75. (in Chinese)

[18] 王藝燃,李月鋒,鄒軍. 白光LED加速老化性能分析 [J]. 中國照明電器, 2014(10):43-46. WANG Y R, LI Y F, ZOU J. White LED accelerated aging performance analysis [J].ChinaLightLighting, 2014(10):43-46. (in Chinese)

雷珺(1990-)，女，陜西西安人，碩士研究生，2013年于西北大學獲得學士學位，主要從事光電子器件可靠性方面的研究。

E-mail: cly_900512@126.com

郭偉玲(1965-)，女，山西垣曲人，教授，碩士生導師，2003年于北京工業大學獲得博士學位,主要從事光電子器件的研究。

E-mail: guoweiling@bjut.edu.cn

Aging Experiments of High Voltage Power White LEDs Under Different Stresses

LEI Jun, GUO Wei-ling*, LI Song-yu， TAN Zu-xiong

CollegeofElectronicInformationandControlEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

The stress accelerated aging test and analysis are the most efficient and effective way to analysis the reliability of the devices. In this paper, the same 6 V LED modules were divided into two groups for aging. 180 mA stress current and 85 ℃ high temperature were applied for one group, and 180 mA stress current and 85 ℃/85%RH moisture condition for another. During the aging time, the optical and electrical characteristics of the LEDs were measured and analyzed. The experimental results show that the degradation rate of the samples which under high temperature and high current stress is 3.4%-0.9%, and the degradation rate of the samples which under high humidity, high temperature and high current stress is 25.4%-27.8%. The degradation of LEDs under high temperature and high humidity condition is more serious than that under high temperature. So it is strong evidence that the humidity badly affects the reliability of LEDs. The failure reasons include the degradation of the phosphor and the Ohmic contact in the devices.

white LED; aging; luminous flux; light decay

2016-01-28；

2016-03-16

“863”國家高技術研究發展計劃(2015AA03305)資助項目

1000-7032(2016)07-0804-05

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163707.0804

*CorrespondingAuthor,E-mail:guoweiling@bjut.edu.cn