LED是一種直接將電能轉(zhuǎn)換為可見光和輻射能的發(fā)光器件，具有耗電量小,、發(fā)光效率高,、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)逐漸成為了一種新型高效節(jié)能產(chǎn)品,，并且被廣泛應(yīng)用于顯示,、照明、背光等諸多領(lǐng)域,。近年來,，隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，其發(fā)光效率也有了顯著的提升,，現(xiàn)有的藍(lán)光LED系統(tǒng)效率可以達(dá)到60%,；而白光LED的光效已經(jīng)超過150lm/W，這些特點(diǎn)都使得LED受到越來越多的關(guān)注,。
目前,，雖然LED的理論壽命可以達(dá)到50kh，然而在實(shí)際使用中,，因?yàn)槭艿椒N種因素的制約,，LED往往達(dá)不到這么高的理論壽命,，出現(xiàn)了過早失效現(xiàn)象，這大大阻礙了LED作為新型節(jié)能型產(chǎn)品的前進(jìn)步伐,。為了解決這一問題,，很多學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，并且得到了一些重要的結(jié)論,。本文就是在此基礎(chǔ)上，對(duì)造成LED失效的重要因素進(jìn)行系統(tǒng)性的分析,，并且提出一些改善措施,，以期望能夠完善LED的實(shí)際使用壽命。
一,、LED失效模式
LED失效模式主要有：芯片失效,、封裝失效、熱過應(yīng)力失效,、電過應(yīng)力失效以及裝配失效,，其中尤以芯片失效和封裝失效最為常見。本文將就這幾種主要失效模式,，進(jìn)行詳細(xì)的分析,。
(1) 芯片失效
芯片失效是指芯片本身失效或其它原因造成芯片失效。造成這種失效的原因往往有很多種：芯片裂紋是由于鍵合工藝條件不合適,，造成較大的應(yīng)力,，隨著熱量積累所產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力也隨之加強(qiáng)，導(dǎo)致芯片產(chǎn)生微裂紋,，工作時(shí)注入的電流會(huì)進(jìn)一步加劇微裂紋使之不斷擴(kuò)大,，直至器件完全失效[4]。其次,，如果芯片有源區(qū)本來就有損傷,，那么會(huì)導(dǎo)致在加電過程中逐漸退化直至失效，同樣也會(huì)造成燈具在使用過程中光衰嚴(yán)重直至不亮,。再者,，若芯片粘結(jié)工藝不良，在使用過程中會(huì)導(dǎo)致芯片粘結(jié)層完全脫離粘結(jié)面而使得樣品發(fā)生開路失效,，同樣也會(huì)造成LED在使用過程中發(fā)生“死燈”現(xiàn)象,。導(dǎo)致芯片粘結(jié)工藝不良的原因，可能是由于使用的銀漿過期或者暴露時(shí)間過長,、銀漿使用量過少,、固化時(shí)間過長、固晶基面被污染等,。
(2) 封裝失效
封裝失效是指封裝設(shè)計(jì)或生產(chǎn)工藝不當(dāng)導(dǎo)致器件失效,。封裝所用的環(huán)氧樹脂材料,，在使用過程中會(huì)發(fā)生劣化問題，致使LED的壽命降低,。這種劣化問題包括：光透過率,、折射率、膨脹系數(shù),、硬度,、透水性、透氣性,、填料性能等,，其中尤以光透過率最為重要。有研究表明光的波長越短,，光透過率的劣化越嚴(yán)重,，但是對(duì)于綠光以上波長(即大于560nm)來說，這種影響并不嚴(yán)重,。Lumileds2003年曾公布過功率LED白光器件和φ5白光器件的壽命實(shí)驗(yàn)曲線,，19kh后，用硅樹脂封裝的功率器件,，光通量仍可維持初始的80%,，而用環(huán)氧樹脂封裝的對(duì)比曲線則表示在6kh后，光通量維持率僅為50%,。實(shí)驗(yàn)表明,，在芯片發(fā)光效率相同的情況下，靠近芯片的環(huán)氧樹脂明顯變成黃色,、繼而變成褐色,。這種明顯的退化過程，主要就是由于光照以及溫升引起的環(huán)氧樹脂光透過率的劣化所造成的,。與此同時(shí),，在由藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉發(fā)出白光的LED中，封裝透鏡的褐變會(huì)影響其反射性,，并且使得發(fā)出的藍(lán)光不足以激發(fā)黃色熒光粉,，從而使得光效和光譜分布發(fā)生改變。
對(duì)于封裝而言,，還有一個(gè)影響LED壽命的重要因素就是腐蝕,。在LED使用中，一般引起腐蝕的主要原因是水汽滲入了封裝材料內(nèi)部,，導(dǎo)致引線變質(zhì),、PCB銅線銹蝕;有時(shí)，隨水汽引入的可動(dòng)導(dǎo)電離子會(huì)駐留在芯片表面,，從而造成漏電,。此外,，封裝質(zhì)量不好的器件，在其封裝體內(nèi)部會(huì)有大量的殘留氣泡,，這些殘留的氣泡同樣也會(huì)造成器件的腐蝕,。
(3) 熱過應(yīng)力失效
溫度一直是影響LED光學(xué)性質(zhì)的重要因素，而在研究LED失效模式的時(shí)候,，國內(nèi)外學(xué)者考慮到將工作環(huán)境溫度作為加速應(yīng)力,，來進(jìn)行LED加速壽命實(shí)驗(yàn)[8,9]。這是因?yàn)樵贚ED系統(tǒng)熱阻不變的前提下,，封裝引腳焊接點(diǎn)的溫度升高,，則結(jié)溫也會(huì)隨之升高，從而導(dǎo)致LED提前失效,。
圖1高功率LED的模型結(jié)構(gòu)圖以及在工作環(huán)境溫度分別為(a)120℃、(b)100℃和(c)80℃下輻射功率和加速時(shí)間的關(guān)系圖
Hsu等人對(duì)不同廠商所提供的LED樣品進(jìn)行加速壽命實(shí)驗(yàn),，該實(shí)驗(yàn)將LED樣品分別置于80,、100、120℃下,，使用3.2V電壓驅(qū)動(dòng),，并且規(guī)定當(dāng)樣品的光功率下降到起始值的50%時(shí)，即判定為失效,。圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高功率LED的壽命隨著加速壽命實(shí)驗(yàn)溫度的升高以及加速時(shí)間的增加而減小,。在加速壽命實(shí)驗(yàn)中，LED結(jié)溫升高會(huì)使得環(huán)氧樹脂材料發(fā)生異變,，從而增加了系統(tǒng)的熱阻,，使得芯片與封裝之間的受熱表面發(fā)生退化，最終導(dǎo)致封裝失效[9],。
(4) 電過應(yīng)力失效
LED若在過電流的情況下使用(EOS)或者靜電沖擊損傷(ESD)了芯片,，都會(huì)造成芯片開路，形成電過應(yīng)力失效,。例如,，GaN是寬禁帶材料.電阻率較高。如果使用該類芯片,，在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失,，當(dāng)其累積到相當(dāng)?shù)某潭葧r(shí)，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓,，這一電壓一旦超過材料的承受能力,，就會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電，使得器件失效,。
二,、改善措施
通過對(duì)以上所介紹的LED主要失效模式的分析,，可以從中獲悉改善LED在實(shí)際使用壽命的技術(shù)方法。
(1) 散熱技術(shù)
散熱技術(shù)一直是影響LED應(yīng)用的重要環(huán)節(jié),，如果LED器件不能夠及時(shí)散熱,，就會(huì)導(dǎo)致芯片的結(jié)溫嚴(yán)重升高，繼而發(fā)光效率急劇下降,，可靠性(如壽命,、色移等)將變壞;于此同時(shí)，高溫高熱將使LED封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,，可能進(jìn)一步引發(fā)一系列的可靠性問題[5],。因此，在制造工藝上,，可以選擇導(dǎo)熱性好的底座,，并且使得LED的散熱面積盡可能的大，從而增加器件的散熱性能,。
(2) 防靜電技術(shù)
在第2.4節(jié)中已經(jīng)提到,，以GaN作為芯片的LED，在使用中存在的一個(gè)很大問題就是靜電效應(yīng),，如果不處理好這一問題,，就會(huì)嚴(yán)重影響到器件的壽命。因此,，在LED設(shè)計(jì)時(shí),，要充分考慮到防靜電的設(shè)計(jì)，以避免器件因?yàn)楦哽o電電壓造成擊穿等失效現(xiàn)象,。
(3) 封裝技術(shù)
封裝所用的環(huán)氧樹脂材料,，會(huì)因?yàn)楣庹找约皽厣鹌涔馔高^率的劣化，在使用中則表現(xiàn)為原本透明的環(huán)氧樹脂材料發(fā)生褐變,，影響器件原本的光譜功率分布,。因此，在進(jìn)行LED封裝的時(shí)候,，我們要嚴(yán)格控制固化的溫度,，避免在進(jìn)行封裝的時(shí)候，就已經(jīng)造成了環(huán)氧樹脂的提前老化,。
另一方面,，為了防止器件發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，在選擇透明性好的封裝材料的同時(shí),，要注意注塑過程中,，盡量排干凈材料內(nèi)部的氣泡，以減小水氣的殘留量,，降低器件發(fā)生腐蝕的幾率,。
(4) 優(yōu)化制造工藝
LED制造過程中需要合適的鍵合條件,，若鍵合過大將會(huì)壓傷芯片，反之則會(huì)造成器件的鍵合強(qiáng)度不足,，使得器件容易脫松,。因此，在保證器件鍵合強(qiáng)度的同時(shí),，需要盡量降低鍵合工藝對(duì)芯片造成的損傷,，以達(dá)到優(yōu)化鍵合工藝的目的。
在進(jìn)行芯片的粘接時(shí),，要求控制溫度和時(shí)間在合適的范圍之內(nèi),，使得焊料達(dá)到致密，無空洞,，殘余應(yīng)力小等工藝要求,。
(5) 合理篩選
在LED出廠前，可以增加一道篩選工藝,，就是對(duì)其中的一些樣品進(jìn)行合理的老化和篩選試驗(yàn),，剔除一些可能發(fā)生提前失效的器件，以降低LED在實(shí)際使用中的提前失效現(xiàn)象,。
結(jié)論
綜上所述，盡管LED具有很高的理論壽命,，但是在實(shí)際使用過程中,，受芯片、封裝,、應(yīng)力等因素的影響,，使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到所預(yù)期的理論值。為了確實(shí)提高LED的壽命,，無論是在制造工藝上,，還是在應(yīng)用層面上，都需要更進(jìn)一步的研究,、探索和實(shí)踐,。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，必定還會(huì)有新的問題不斷浮現(xiàn),。但是只要能夠掌握LED失效的根本原因,，就能在實(shí)踐中確實(shí)改善LED器件的性能，將這種新型光源推廣到應(yīng)用領(lǐng)域的前端,，更好地服務(wù)于生產(chǎn)和生活,。