1 簡(jiǎn)介

　　大功率白光LED作為半導(dǎo)體光源，相比傳統(tǒng)照明光源,，有節(jié)能,、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保,、使用電壓低,、開光時(shí)間短等特點(diǎn)。大功率白光LED技術(shù)迅速發(fā)展,，有著極為廣闊的應(yīng)用前景,，而器件的可靠性是實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用的保證。

　　2 大功率白光LED的應(yīng)用

　　大功率白光LED主要用在照明市場(chǎng),，需根據(jù)不同的要求專門設(shè)計(jì)產(chǎn)品,。主要可以歸納為在以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：

　　(1)景觀照明市場(chǎng)：包括建筑裝飾、室內(nèi)裝飾,、旅游景點(diǎn)裝飾等,，主要用于重要建筑、街道,、商業(yè)中心,、名勝古跡、橋梁,、社區(qū),、庭院、草坪,、家居,、休閑娛樂(lè)場(chǎng)所的裝飾照明，以及集裝飾與廣告為一體的商業(yè)照明,。

　　(2)汽車市場(chǎng)：車用市場(chǎng)是LED運(yùn)用發(fā)展最快的市場(chǎng),，主要用于車內(nèi)儀表盤、空調(diào),、音響等指示燈及內(nèi)部閱讀燈,，車外的第三剎車燈,、尾燈、轉(zhuǎn)向燈,、側(cè)燈等,。

　　(3)背光源市場(chǎng)：LED作為背光源已經(jīng)普遍運(yùn)用于手機(jī)、電腦,、便攜式電子產(chǎn)品等,。

　　(4)戶外大屏幕顯示和交通信號(hào)燈。由于LED具有亮度高,、壽命長(zhǎng),、省電等優(yōu)點(diǎn)，在金融,、證券,、交通、機(jī)場(chǎng)等領(lǐng)域備受青睞,。尤其是在全球各大型體育館幾乎已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,。

　　(5)特殊照明和軍事運(yùn)用：由于LED光源具有抗震性、耐潮性,、密封性等特點(diǎn),，以及熱輻射低、體積小,、重量輕等優(yōu)點(diǎn),，可以廣泛應(yīng)用于防爆,、野外作業(yè),、礦山、軍事行動(dòng)等特殊工作場(chǎng)所或惡劣的工作環(huán)境中,。

　　(6)其他應(yīng)用：還可應(yīng)用在玩具,、禮品、手電筒,、圣誕燈等輕工業(yè)產(chǎn)品之中,。作為全球輕工業(yè)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，我國(guó)對(duì)LED有著巨大的市場(chǎng)需求,。

　　3 大功率白光LED的可靠性研究

　　由于大功率LED應(yīng)用已經(jīng)廣泛開展,，半導(dǎo)體照明材料的突出優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能，綠色環(huán)保,，高效,，壽命長(zhǎng)，后期維護(hù)成本低廉,，相比較傳統(tǒng)的光源有著十分誘人的特點(diǎn),，但在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，LED的性能并沒(méi)有像人們預(yù)期的那樣表現(xiàn)出來(lái)，而是出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題,。比如說(shuō),，壽命長(zhǎng)這一突出特點(diǎn)，理論估計(jì)為十萬(wàn)小時(shí),，但在實(shí)際的使用條件下,，才有幾千小時(shí)。因此,，大功率白光LED要想得到長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展,，并且最終能夠替代傳統(tǒng)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(gè)方向：

　　3.1 基于半導(dǎo)體物理學(xué)的失效機(jī)理分析

　　半導(dǎo)體器件的可靠性分析大都是圍繞其壽命來(lái)表征的,，因此大都是壽命試驗(yàn)與失效機(jī)理分析相結(jié)合來(lái)進(jìn)行的。由于LED的理論壽命長(zhǎng)達(dá)十萬(wàn)小時(shí),，通常一般的壽命試驗(yàn)需要很長(zhǎng)的時(shí)間,，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束了，所選用的產(chǎn)品也該荒廢了,。對(duì)于壽命較長(zhǎng)的LED器件,，要根據(jù)條件選用加速壽命實(shí)驗(yàn)。加速壽命試驗(yàn)按方法分為：恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn),，步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn),。恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)操作和控制相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)已比較成熟,，外推數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,，由此得到的壽命可靠，缺點(diǎn)是仍然比較費(fèi)時(shí),。步進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)現(xiàn)在是研究的熱點(diǎn),，能夠減短試驗(yàn)時(shí)間，降低對(duì)試樣數(shù)量的要求,，具有比恒定應(yīng)力試驗(yàn)更高的加速效率,，但目前多用在前期應(yīng)力范圍的確定中，如金玲在GaAs紅外發(fā)光二極管加速壽命試驗(yàn),，到電流步進(jìn)摸底試驗(yàn)來(lái)摸清試驗(yàn)器件所能承受的最高電流應(yīng)力,。序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中應(yīng)力隨時(shí)間不斷上升，可以更快地激發(fā)器件失效,，從而進(jìn)一步提高了加速壽命試驗(yàn)的效率,。但由于外加應(yīng)力難以精確控制，在試驗(yàn)過(guò)程中容易引起失效機(jī)理的改變,，因此并不常用,。LED器件多是電流驅(qū)動(dòng),，并且受溫度影響顯著，因此常選用電流和溫度作為應(yīng)力,。加速試驗(yàn)是進(jìn)行可靠性分析的有效手段,，但是必須保證器件的失效機(jī)理在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生改變。

　　對(duì)可靠性的研究不能只停留在數(shù)據(jù)的測(cè)量和壽命的推算上,，重要的是利用有效數(shù)據(jù)進(jìn)行失效機(jī)理的分析,。器件的失效分為早期失效，偶然失效,，耗損失效三個(gè)階段,，服從浴盆分布曲線。如圖1所示：

　　浴盆分布曲線

　　對(duì)于早期的突然失效分析,，根據(jù)半導(dǎo)體器件的性能特點(diǎn),，早期失效階段的失效率較高，但失效率隨時(shí)間的增加而下降,。器件的失效是由一種或幾種具有普遍性的原因所造成的,，對(duì)不同品種，不同工藝的器件,，這一階段的延續(xù)時(shí)間和失效比例是不同的,。嚴(yán)格工藝操作和對(duì)原材料、半成品和成品的檢驗(yàn),，可減少這階段的失效,。進(jìn)行合理的篩選可以盡可能的在交付使用前把早期失效的器件篩選掉，可使出廠的器件的失效率達(dá)到或者接近偶然失效水平,。

　　根據(jù)實(shí)際情況,，對(duì)于LED器件來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其早期失效機(jī)理的分析還是很少的,，但由于LED器件的成本較高,，并且早期失效占有較大比例,，對(duì)這方面的分析應(yīng)該引起人們的重視,。G.Cassanelli對(duì)大功率白光LED的早期突然失效進(jìn)行了試驗(yàn)分析，認(rèn)為電極Ag與封裝材料中的硫磺反應(yīng)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(diǎn)認(rèn)為，在LED器件中觀察到的大部分失效機(jī)制都是在光通量和電參數(shù)隨著時(shí)間持續(xù)的衰減時(shí)所分析出的結(jié)果,，通常對(duì)失效模型和機(jī)制的研究需要很長(zhǎng)的時(shí)間,。目前關(guān)于白光LED的失效機(jī)理主要分為以下幾個(gè)方面：

　　(1)封裝材料的退化。

　　高溫時(shí),，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(xiàn)象,。

　　(2)歐姆接觸退化。

　　Meneghesso等人對(duì)LED進(jìn)行大DC電流條件老化,，觀察到IV特性的退化,，認(rèn)為這是由于p型歐姆接觸在大電流和高溫下退化，使得串聯(lián)電阻增加所致,。

　　(3)熒光粉退化,。

　　實(shí)現(xiàn)白光的途徑有很多種，目前使用最為普遍,，也是最為成熟的是通過(guò)在藍(lán)光芯片上涂敷發(fā)黃光的熒光粉,，使藍(lán)光和黃光混合成白光。對(duì)熒光粉的穩(wěn)定性,，文獻(xiàn)中說(shuō)法不一,。

　　(4)金屬電遷移。

　　P型電極金屬會(huì)沿著缺陷到達(dá)PN結(jié)區(qū)形成歐姆通路,，造成結(jié)區(qū)特性退化,。

　　(5)能級(jí)缺陷增加。

　　在高溫條件下,，能級(jí)缺陷會(huì)快速增殖和繁衍,，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心,，嚴(yán)重降低器件的發(fā)光效率,。

　　(6)靜電的破壞。

　　靜電會(huì)引起PN結(jié)區(qū)短路,、短路,，或在結(jié)區(qū)形成結(jié)構(gòu)缺陷，使得漏電流增大,。不同的LED器件有其不同的失效機(jī)理,。那么對(duì)于大功率白光LED可靠性的研究應(yīng)該在借鑒其他LED器件，前人成果的基礎(chǔ)上,，并且針對(duì)白光LED的特點(diǎn)進(jìn)行,。目前，商用的大功率白光LED器件都是采用寬禁帶GaN材料,，制作出發(fā)藍(lán)光芯片,，然后利用光轉(zhuǎn)化材料，如：熒光粉,，藍(lán)光與經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)化的黃光,，合成白光。因此,，在充分了解白光LED芯片材料和結(jié)構(gòu)的前提下,，才能更好的開展可靠性工作,。針對(duì)其他類型的LED器件的可靠性分析有些已經(jīng)不適應(yīng)白光LED。例如,，對(duì)老化后的芯片進(jìn)行解理,，觀察等，對(duì)白光就不合適,，因?yàn)榘坠饫锏乃{(lán)光芯片上涂有熒光粉,，無(wú)法進(jìn)行微觀的失效機(jī)理的觀察。目前對(duì)大功率白光LED的可靠性分析,，可分為兩大部分：藍(lán)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(dú)立的，而是相互聯(lián)系的,。

　　 3.2 基于可靠性工程學(xué)的可靠性預(yù)測(cè)

　　大功率白光LED器件具有高達(dá)10萬(wàn)小時(shí)的壽命,，按照目前半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展的速度，即使采取加速壽命試驗(yàn),，仍然很費(fèi)時(shí)費(fèi)力,，基于可靠性工程學(xué)的可靠性預(yù)測(cè)機(jī)制，就是嘗試一種在無(wú)需長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)LED可靠性量化預(yù)測(cè)的方法,，它可以大大減少試驗(yàn)時(shí)間,，節(jié)約壽命試驗(yàn)成本。

　　通過(guò)管子初期性能指標(biāo)的測(cè)試,，分析出與后期失效相關(guān)的特征值,，從而達(dá)到預(yù)測(cè)器件性能的目的。同時(shí),，可以根據(jù)試驗(yàn)初始值,，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行后期模擬，具有重要的實(shí)用價(jià)值,。與大功率LED可靠性相關(guān)的特性曲線分為：

　　(1)電壓-電流伏安曲線,。

　　(2)電導(dǎo)數(shù)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(jīng)進(jìn)入照明燈具的應(yīng)用,，那么產(chǎn)品可靠性同樣需要引起重視,，因?yàn)榇种茷E造的LED僅求瞬時(shí)的亮度，缺少合理的燈具散熱設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì),，不能保證LED光源優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致LED產(chǎn)業(yè)不能良性快速發(fā)展,。燈具的可靠性屬于系統(tǒng)可靠性范疇,，對(duì)它的研究主要從以下幾方面來(lái)考慮：

　　(1)由于燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,，散熱不良，而引起LED的光衰,，甚至失效,。

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

　　(3)驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大，使LED工作溫度過(guò)高,，引起光衰甚至失效,，或驅(qū)動(dòng)電源的失效引起燈具的失效。

　　(4)光路設(shè)計(jì)方面,，燈具要根據(jù)需要選擇出光角度不同的LED,，滿足光學(xué)要求的燈具結(jié)構(gòu)，可能會(huì)造成散熱不良,，從而引起光衰甚至失效,。

　　5 總結(jié)

　　(1)不同類型的LED器件具有不同的失效機(jī)理，對(duì)白光LED器件的可靠性研究可采用對(duì)同一批次的藍(lán)光芯片和白光芯片進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),。

　　(2)對(duì)LED器件做加速壽命試驗(yàn)的時(shí)候,，應(yīng)考慮器件性能的一致性，不僅要選擇同一廠家同一批次的產(chǎn)品,，還可以考慮按照其初始的一些參數(shù),，如開啟電壓，來(lái)進(jìn)行分類,。

　　(3)提高對(duì)LED應(yīng)用產(chǎn)品可靠性的重視,，發(fā)揮LED器件的優(yōu)勢(shì)，促使產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展,。