中心議題：

• 探析大功率白光LED的應用及其可靠性研究

解決方案：

• 基於半導體物理學的失效機理分析
• 基於可靠性工程學的可靠性預測

1  簡介

半導體照明是21世紀最具發展前景的高技術領域之一，上世紀九十年代以來，隨著以GaN和SiC為代表的第三代半導體的興起，藍色和白色發光二極管相繼研究成功
，使實現半導體白光LED照明成為可能。大功率白光LED作為半導體光源，相比傳統照明光源，有節能、壽命長、綠色環保
、使用電壓低、開光時間短等特點。大功率白光LED技術迅速發展，有著極為廣闊的應用前景，而器件的可靠性是實現其廣泛應用的保證。

2  大功率白光LED的應用

大功率白光LED主要用在照明市場

，需根據不同的要求專門設計產品。主要可以歸納為在以下幾個方麵的應用：

（1）景觀照明市場：包括建築裝飾、室內裝飾、旅遊景點裝飾等，主要用於重要建築
、街道
、商業中心、名勝古跡、橋梁、社區、庭院、草坪、家居、休閑娛樂場所的裝飾照明，以及集裝飾與廣告為一體的商業照明。

（2）汽車市場：車用市場是LED運用發展最快的市場，主要用於車內儀表盤、空調
、音響等指示燈及內部閱讀燈，車外的第三刹車燈、尾燈
、轉向燈、側燈等。

（3）背光源市場：LED作為背光源已經普遍運用於手機
、電腦、便攜式電子產品等。

（4）戶外大屏幕顯示和交通信號燈。由於LED具有亮度高
、壽命長
、省電等優點，在金融、證券
、交通
、機場等領域備受青睞。尤其是在全球各大型體育館幾乎已經成為標準設備。

（5）特殊照明和軍事運用：由於LED光源具有抗震性、耐潮性、密封性等特點，以及熱輻射低、體積小、重量輕等優點

，可以廣泛應用於防爆
、野外作業
、礦山、軍事行動等特殊工作場所或惡劣的工作環境中。

（6）其他應用：還可應用在玩具、禮品
、手電筒、聖誕燈等輕工業產品之中。作為全球輕工業產品的重要生產基地，我國對LED有著巨大的市場需求。

3  大功率白光LED的可靠性研究

由於大功率LED應用已經廣泛開展，半導體照明材料的突出優點：節能，綠色環保，高效
，壽命長
，後期維護成本低廉，相比較傳統的光源有著十分誘人的特點，但在實際的應用過程中

，LED的de性xing能neng並bing沒mei有you像xiang人ren們men預yu期qi的de那na樣yang表biao現xian出chu來lai，而er是shi出chu現xian了le各ge種zhong各ge樣yang的de問wen題ti。比bi如ru說shuo
，壽shou命ming長chang這zhe一yi突tu出chu特te點dian，理li論lun估gu計ji為wei十shi萬wan小xiao時shi，但dan在zai實shi際ji的de使shi用yong條tiao件jian下xia，才cai有you幾ji千qian小xiao時shi。因yin此ci
，大da功gong率lv白bai光guangLED要想得到長遠的發展，並且最終能夠替代傳統光源，其可靠性的研究是必須且緊迫的。

通常LED可靠性研究大致可以分為兩個方向：
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3.1 基於半導體物理學的失效機理分析

半導體器件的可靠性分析大都是圍繞其壽命來表征的，因此大都是壽命試驗與失效機理分析相結合來進行的。由於LED的理論壽命長達十萬小時，通常一般的壽命試驗需要很長的時間，當試驗結束了
，所選用的產品也該荒廢了。對於壽命較長的LED器件
，要根據條件選用加速壽命實驗。加速壽命試驗按方法分為：恒heng定ding應ying力li加jia速su壽shou命ming試shi驗yan
，步bu進jin應ying力li加jia速su壽shou命ming試shi驗yan和he序xu進jin應ying力li加jia速su壽shou命ming試shi驗yan。恒heng定ding應ying力li加jia速su試shi驗yan操cao作zuo和he控kong製zhi相xiang對dui簡jian單dan，技ji術shu已yi比bi較jiao成cheng熟shu

，外wai推tui數shu據ju準zhun確que，由you此ci得de到dao的de壽shou命ming可ke靠kao，缺que點dian是shi仍reng然ran比bi較jiao費fei時shi。步bu進jin應ying力li加jia速su試shi驗yan現xian在zai是shi研yan究jiu的de熱re點dian，能neng夠gou減jian短duan試shi驗yan時shi間jian，降jiang低di對dui試shi樣yang數shu量liang的de要yao求qiu，具ju有you比bi恒heng定ding應ying力li試shi驗yan更geng高gao的de加jia速su效xiao率lv，但dan目mu前qian多duo用yong在zai前qian期qi應ying力li範fan圍wei的de確que定ding中zhong，如ru金jin玲ling在zaiGaAs紅(hong)外(wai)發(fa)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)加(jia)速(su)壽(shou)命(ming)試(shi)驗(yan)，到(dao)電(dian)流(liu)步(bu)進(jin)摸(mo)底(di)試(shi)驗(yan)來(lai)摸(mo)清(qing)試(shi)驗(yan)器(qi)件(jian)所(suo)能(neng)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)高(gao)電(dian)流(liu)應(ying)力(li)。序(xu)進(jin)應(ying)力(li)試(shi)驗(yan)中(zhong)應(ying)力(li)隨(sui)時(shi)間(jian)不(bu)斷(duan)上(shang)升(sheng)，可(ke)以(yi)更(geng)快(kuai)地(di)激(ji)發(fa)器(qi)件(jian)失(shi)效(xiao)，從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)了(le)加(jia)速(su)壽(shou)命(ming)試(shi)驗(yan)的(de)效(xiao)率(lv)。但(dan)由(you)於(yu)外(wai)加(jia)應(ying)力(li)難(nan)以(yi)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)，在(zai)試(shi)驗(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)容(rong)易(yi)引(yin)起(qi)失(shi)效(xiao)機(ji)理(li)的(de)改(gai)變(bian)，因(yin)此(ci)並(bing)不(bu)常(chang)用(yong)。LEDqijianduoshidianliuqudong
，bingqieshouwenduyingxiangxianzhe，yincichangxuanyongdianliuhewenduzuoweiyingli。jiasushiyanshijinxingkekaoxingfenxideyouxiaoshouduan
，danshibixubaozhengqijiandeshixiaojilizaizhenggeshiyanguochengzhongbufashenggaibian。

duikekaoxingdeyanjiubunengzhitingliuzaishujudeceliangheshoumingdetuisuanshang，zhongyaodeshiliyongyouxiaoshujujinxingshixiaojilidefenxi。qijiandeshixiaofenweizaoqishixiao

，ouranshixiao
，haosunshixiaosangejieduan，fucongyupenfenbuquxian。rutu1所示： duiyuzaoqideturanshixiaofenxi，genjubandaotiqijiandexingnengtedian
，zaoqishixiaojieduandeshixiaolvjiaogao，danshixiaolvsuishijiandezengjiaerxiajiang。qijiandeshixiaoshiyouyizhonghuojizhongjuyoupubianxingdeyuanyinsuozaochengde，duibutongpinzhong，butonggongyideqijian
，zheyijieduandeyanxushijianheshixiaobilishibutongde。yangegongyicaozuoheduiyuancailiao
、半ban成cheng品pin和he成cheng品pin的de檢jian驗yan，可ke減jian少shao這zhe階jie段duan的de失shi效xiao。進jin行xing合he理li的de篩shai選xuan可ke以yi盡jin可ke能neng的de在zai交jiao付fu使shi用yong前qian把ba早zao期qi失shi效xiao的de器qi件jian篩shai選xuan掉diao
，可ke使shi出chu廠chang的de器qi件jian的de失shi效xiao率lv達da到dao或huo者zhe接jie近jin偶ou然ran失shi效xiao水shui平ping。

根據實際情況，對於LED器件來說，目前國內外對其早期失效機理的分析還是很少的，但由於LED器件的成本較高，並且早期失效占有較大比例
，對這方麵的分析應該引起人們的重視。G.Cassanelli對大功率白光LED的早期突然失效進行了試驗分析，認為電極Ag與封裝材料中的硫磺反應生成Ag2S
，從而增大電阻以至完全開路造成器件的失效。從可靠性的一般觀點認為，在LED器(qi)件(jian)中(zhong)觀(guan)察(cha)到(dao)的(de)大(da)部(bu)分(fen)失(shi)效(xiao)機(ji)製(zhi)都(dou)是(shi)在(zai)光(guang)通(tong)量(liang)和(he)電(dian)參(can)數(shu)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)持(chi)續(xu)的(de)衰(shuai)減(jian)時(shi)所(suo)分(fen)析(xi)出(chu)的(de)結(jie)果(guo)，通(tong)常(chang)對(dui)失(shi)效(xiao)模(mo)型(xing)和(he)機(ji)製(zhi)的(de)研(yan)究(jiu)需(xu)要(yao)很(hen)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)。目(mu)前(qian)關(guan)於(yu)白(bai)光(guang)LED的失效機理主要分為以下幾個方麵：

（1）封裝材料的退化。

高溫時
，封裝材料的出光效率衰減很快。Meneghesso等人觀察到了大電流下封裝材料的退化現象。

（2）歐姆接觸退化。

Meneghesso等人對LED進行大DC電流條件老化，觀察到IV特性的退化，認為這是由於p型歐姆接觸在大電流和高溫下退化

，使得串聯電阻增加所致。

（3）熒光粉退化。

實(shi)現(xian)白(bai)光(guang)的(de)途(tu)徑(jing)有(you)很(hen)多(duo)種(zhong)，目(mu)前(qian)使(shi)用(yong)最(zui)為(wei)普(pu)遍(bian)，也(ye)是(shi)最(zui)為(wei)成(cheng)熟(shu)的(de)是(shi)通(tong)過(guo)在(zai)藍(lan)光(guang)芯(xin)片(pian)上(shang)塗(tu)敷(fu)發(fa)黃(huang)光(guang)的(de)熒(ying)光(guang)粉(fen)，使(shi)藍(lan)光(guang)和(he)黃(huang)光(guang)混(hun)合(he)成(cheng)白(bai)光(guang)。對(dui)熒(ying)光(guang)粉(fen)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)
，文(wen)獻(xian)中(zhong)說(shuo)法(fa)不(bu)一(yi)。
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（4）金屬電遷移。

P型電極金屬會沿著缺陷到達PN結區形成歐姆通路，造成結區特性退化。

（5）能級缺陷增加。

在高溫條件下，能級缺陷會快速增殖和繁衍，直至侵入發光區

，形成大量的非輻射複合中心，嚴重降低器件的發光效率。

（6）靜電的破壞。

靜電會引起PN結區短路
、短路
，或在結區形成結構缺陷

，使得漏電流增大。不同的LED器件有其不同的失效機理。那麼對於大功率白光LED可靠性的研究應該在借鑒其他LED器件，前人成果的基礎上，並且針對白光LED的特點進行。目前，商用的大功率白光LED器件都是采用寬禁帶GaN材料，製作出發藍光芯片，然後利用光轉化材料，如：熒光粉，藍光與經熒光粉轉化的黃光，合成白光。因此，在充分了解白光LED芯片材料和結構的前提下
，才能更好的開展可靠性工作。針對其他類型的LED器件的可靠性分析有些已經不適應白光LED。例li如ru，對dui老lao化hua後hou的de芯xin片pian進jin行xing解jie理li，觀guan察cha等deng，對dui白bai光guang就jiu不bu合he適shi，因yin為wei白bai光guang裏li的de藍lan光guang芯xin片pian上shang塗tu有you熒ying光guang粉fen

，無wu法fa進jin行xing微wei觀guan的de失shi效xiao機ji理li的de觀guan察cha。目mu前qian對dui大da功gong率lv白bai光guangLED的可靠性分析，可分為兩大部分：藍光芯片的可靠性分析及熒光粉的可靠性分析，但是它們又不是獨立的
，而是相互聯係的。

3.2 基於可靠性工程學的可靠性預測

大功率白光LED器件具有高達10萬wan小xiao時shi的de壽shou命ming

，按an照zhao目mu前qian半ban導dao體ti材cai料liao和he器qi件jian發fa展zhan的de速su度du，即ji使shi采cai取qu加jia速su壽shou命ming試shi驗yan，仍reng然ran很hen費fei時shi費fei力li，基ji於yu可ke靠kao性xing工gong程cheng學xue的de可ke靠kao性xing預yu測ce機ji製zhi，就jiu是shi嚐chang試shi一yi種zhong在zai無wu需xu長chang期qi壽shou命ming試shi驗yan條tiao件jian下xia實shi現xian對duiLED可靠性量化預測的方法，它可以大大減少試驗時間，節約壽命試驗成本。

通(tong)過(guo)管(guan)子(zi)初(chu)期(qi)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)的(de)測(ce)試(shi)，分(fen)析(xi)出(chu)與(yu)後(hou)期(qi)失(shi)效(xiao)相(xiang)關(guan)的(de)特(te)征(zheng)值(zhi)
，從(cong)而(er)達(da)到(dao)預(yu)測(ce)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)的(de)目(mu)的(de)。同(tong)時(shi)
，可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)試(shi)驗(yan)初(chu)始(shi)值(zhi)，利(li)用(yong)計(ji)算(suan)機(ji)仿(fang)真(zhen)技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)後(hou)期(qi)模(mo)擬(ni)，具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)實(shi)用(yong)價(jia)值(zhi)。與(yu)大(da)功(gong)率(lv)LED可靠性相關的特性曲線分為：

（1）電壓-電流伏安曲線。

（2）電導數特性曲線。

（3）光輸出特性曲線。

（4）光譜特性曲線。

（5）熱特性曲線。

4  大功率白光LED燈具的可靠性

大功率白光LED已經進入照明燈具的應用，那麼產品可靠性同樣需要引起重視

，因為粗製濫造的LED僅求瞬時的亮度，缺少合理的燈具散熱設計和光學設計，不能保證LED光源優勢的充分發揮
，從而導致LED產業不能良性快速發展。燈具的可靠性屬於係統可靠性範疇
，對它的研究主要從以下幾方麵來考慮：

（1）由於燈具結構設計不合理，散熱不良，而引起LED的光衰，甚至失效。

（2）由於安裝不合理，使LED與燈具的接觸部分電阻過大，使LED芯片溫度過高而引起的光衰甚至失效。

（3）驅動電流過大，使LED工作溫度過高，引起光衰甚至失效，或驅動電源的失效引起燈具的失效。

（4）光路設計方麵
，燈具要根據需要選擇出光角度不同的LED
，滿足光學要求的燈具結構，可能會造成散熱不良
，從而引起光衰甚至失效。

5  總結

（1）不同類型的LED器件具有不同的失效機理，對白光LED器件的可靠性研究可采用對同一批次的藍光芯片和白光芯片進行對比試驗。通過對比實驗，可以分析出白光LED的失效是由於藍光芯片的失效起主要作用，還是外敷的熒光粉的失效起主要作用。

（2）對LED器(qi)件(jian)做(zuo)加(jia)速(su)壽(shou)命(ming)試(shi)驗(yan)的(de)時(shi)候(hou)，應(ying)考(kao)慮(lv)器(qi)件(jian)性(xing)能(neng)的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)
，不(bu)僅(jin)要(yao)選(xuan)擇(ze)同(tong)一(yi)廠(chang)家(jia)同(tong)一(yi)批(pi)次(ci)的(de)產(chan)品(pin)，還(hai)可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)按(an)照(zhao)其(qi)初(chu)始(shi)的(de)一(yi)些(xie)參(can)數(shu)，如(ru)開(kai)啟(qi)電(dian)壓(ya)
，來(lai)進(jin)行(xing)分(fen)類(lei)。因(yin)為(wei)即(ji)使(shi)同(tong)一(yi)批(pi)次(ci)的(de)器(qi)件(jian)

，性(xing)能(neng)也(ye)會(hui)有(you)很(hen)大(da)差(cha)別(bie)
，而(er)對(dui)LED的可靠性研究就是要從細微之處入手。

（3）提高對LED應用產品可靠性的重視
，發揮LED器件的優勢，促使產業良性發展。目前，大功率白光LED應用在照明上還不是很成熟
，應用產品還沒有真正的投入市場
，要從根本上提高品質，需要加大對可靠性的研究。