基于电流和温度双重应力加速的LED可靠性技术研究

摘要

随着半导体照明技术的发展,LED以高光效、低能耗、高可靠性等诸多优点成为第四代绿色光源,很多领域都已经将利用LED照明取代传统光源照明列入例行计划之中。但是,大多数LED照明产品在较短的时间内光衰明显,光电性能下降显著,其可靠性问题已成为当前LED照明取代传统照明的瓶颈之一。而研究LED可靠性的关键问题在于找到LED的失效模式与失效机理,获得快速评定及预测LED产品寿命的方法。本文针对 LED照明产品可靠性低、短时间内光衰明显等问题,采用了与实际应用环境状态相符的电流和温度双应力加速寿命试验方法,以达到研究LED照明产品的失效机理,快速预测LED产品寿命的目的。为后续改善LED产品可靠性提供参考依据。具体开展的研究工作有:
　　首先,考虑到半导体光电子器件的LED照明与常规半导体器件的差异性,以及LED照明的实际应用环境,设计并实施了基于温度与电流应力的LED加速寿命试验,根据LED器件的光衰表现特征,探讨了LED器件的失效机理,特别是荧光粉转化效率降低所带来的光衰影响。具体表现为,在电流与温度双重应力环境下,相对光强会随着应力的增大而逐渐降低,相关色温、峰值波长以及正向电压随着老化时间的增长也会逐渐升高,并且电流对LED整体可靠性的影响比温度更为显著;同时,荧光粉在老化过程中会出现激发效率降低以及碳化发黑现象,可以确定荧光粉会受温度的影响使LED的光电性能产生变化。
　　其次,针对荧光粉老化后激发效率降低以及碳化发黑等现象引起的光衰问题,对白光 LED中荧光粉的老化规律进行了试验研究。试验采用了同一批次芯片的白光LED和蓝光 LED,在相同的试验条件下同时进行了相同温度不同电流的加速寿命试验,通过对比试验过程中两者的光通量、发光光谱图、色品图等数据,计算出了白光LED在老化过程中荧光粉转化蓝光为黄光的转化率,通过计算特定时间段的转化值得到了荧光粉转化效率随老化时间的变化成指数下降趋势;同时,通过观察色坐标的偏移趋势,发现芯片的老化与荧光粉的老化均会使白光LED光通量衰减。
　　然后,根据前述试验中因热效应产生的光通量衰减、封装材料老化及荧光粉转化效率降低等可靠性问题,展开了LED器件热特性研究,重点研究了LED热阻结构在老化前后的变化规律,运用T3ster瞬态热测试仪获得了各应力老化环境下的热阻值,分析了各层热阻值变化对总热阻的影响,并提出了降低器件总热阻的方法。通过研究热阻的老化特性获得以下结论:第一,LED器件在老化过程中总热阻会随着老化时间逐渐增大,且加载应力越大,总热阻增大越明显;第二,芯片层热阻与内部铝热沉热阻在老化前后热阻值变化较小,其不是引起总热阻值变大的直接原因,但由于芯片衬底材料和内部热沉材料均会占据总热阻一定比值,设计更先进的芯片结构和选用散热性能更好的热沉材料不失为降低总热阻的一种途径;第三,在LED各层热阻的变化中,老化后明显增大的有固晶层、焊接层以及铝基板层,其中焊接层与铝基板层热阻的增量最大,各层间发生热阻值增大的原因在于不同材料间热膨胀系数不匹配,产生的应力会导致裂纹、分层等,使热传导界面减小,热流密度增大,从而使总热阻值增大。
　　最后,通过前述试验获得的光通量衰减结果,采用不同的加速寿命模型进行了LED的可靠性寿命预测。根据LED的光通量随时间变化呈指数关系,采用外推法来推算大功率LED在不同环境条件下的老化寿命;利用加速寿命模型-阿伦尼斯模型针对不同结温条件下的LED进行寿命预测,并且对激活能与0?的关系进行了分析;使用基于电流加速应力的寿命计算模型,分别对同温度下不同加载电流的LED的寿命进行了预测;根据总体计算结果,该批样品正常工作条件下的寿命值为11000小时左右,这与目前市场上所使用的LED器件寿命相接近,说明该方法能较为准确的预测LED寿命。

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第一章 绪论

§1.1引言

§1.2 课题的研究背景和意义

§1.3 国内外研究现状

§1.4 论文研究思路与工作安排

第二章 大功率LED可靠性研究的理论基础与方法

§2.1常见LED失效形式分析

§2.2 LED可靠性影响因素

§2.3 可靠性寿命

§2.4 本章小结

第三章 基于双应力加速试验的LED光电特性研究

§3.1 应力加速试验样品及方案步骤

§3.2 应力加速老化试验测试系统

§3.3 LED的光电性能测试

§3.4实验结果分析

§3.5 荧光粉激发效率降低分析

§3.6 本章小结

第四章 基于双应力加速试验的LED荧光粉老化规律研究

§4.1荧光粉转化效率的研究方法

§4.2 荧光粉老化规律研究试验设计

§4.3 试验结果与分析

§4.4 本章小结

第五章 基于双应力加速试验的LED热特性研究

§5.1 LED热阻网络模型与T3ster瞬态热测试仪

§5.2 LED热阻测试结果与数据统计

§5.3降低LED器件热阻的途径分析

§5.4本章小结

第六章 基于双应力加速试验的LED寿命计算

§6.1外推法寿命计算

§6.2基于阿伦尼斯模型的寿命计算

§6.3 基于电流加速应力的寿命计算

§6.4 本章小结

第七章 总结与展望

§7.1 总结

§7.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果