大功率白光LED的老化机理及其灯具的可靠性研究

摘要

半导体发光二极管（LED）具有耗电小、发光效率高、绿色环保、寿命长等优点。随着LED性能的不断提高和改进，其应用领域不断扩大，包括指示灯、交通信号灯、背光源、通用照明等。大功率白光LED是半导体照明的关键器件，在不断提高光效、降低成本的同时，对其可靠性也提出了更高要求。
　　 本论文在国家863项目（No：2009AA03A1A3）、国家科技重大专项项目（2008ZX10001-014）等项目的支持下，旨在通过对大功率GaN基白光LED的老化机理研究，分析大功率白光LED整体及各组成部分的老化特性及其规律，从而针对性的改进器件结构，达到提高其可靠性的目的。同时，还对大功率白光LED应用于灯具中的可靠性进行了探讨，大功率白光LED应用于照明灯具，除要考虑配光、驱动电源、散热等因素外，还需对LED本身的性能进行深入细致的研究，从而最大程度地发挥半导体光源的优势，促进LED产业更好更快的发展。
　　 本论文主要开展了如下研究工作：
　　 1.回顾LED的发展历程、国内外发展水平和发光二极管的发光原理以及LED的主要应用领域。论述可靠性测试的基本概念和测试方法；详细阐述可靠性试验以及失效分析技术。
　　 2.论述常用的老化试验方法，详细阐述影响大功率白光LED可靠性的主要因素，总结国内外关于提高LED可靠性而采取的方法和措施。
　　 3.选用两类不同厂家的1W白光LED，分别进行高温贮存（不加电流）和电流加速应力老化试验。经过100小时的老化，各样品均出现了光通量衰减、色温变化等现象。深入探讨了不同应力下器件的老化机理，研究发现结温升高、封装材料的不稳定是造成器件光、色参数变化的主要原因。通过对比分析发现，样品在电流应力下表现与高温贮存下相同的变化趋势，说明电流应力引起的退化归因于芯片内部产生的热量，从而导致结温的升高。另外，通过对比两类样品的性能，得出硅树脂作为封装材料的可靠性要优于环氧胶。
　　 4.选用同一批次的蓝光芯片封装而成的3W白、蓝光LED，在相同条件下进行恒流对比老化试验。在常温1000mA的条件下，经过8000小时老化试验，白、蓝光LED发光效率降低，峰值波长红移，光通量衰减分别为30％和18％左右，并且衰减主要在2000小时以前，后期各样品则趋于稳定的变化趋势，说明引起白光LED退化的原因包括蓝光芯片、封装材料、荧光粉等。同时进行了20mA电流应力试验，以分析LED在小电流密度条件下的老化机理。通过白、蓝光对比分析，发现蓝光芯片的发光效率的降低是白光LED光衰的主要原因，荧光粉和封装透镜的退化也较明显。
　　 5.从配光、驱动电路、散热、可靠性四个方面介绍了大功率LED在路灯应用中存在的问题，并提出了自己的看法，突出了可靠性研究在灯具设计时的重要性。针对一款自主研发的大功率LED路灯样品，对导热硅脂、反光碗、导线等配件及灯具条进行老化试验，采用热电偶法进行温度测试，试验证明，此款路灯的散热板基本能够满足LED光源的散热要求，还需进一步优化LED安装方式，增强散热能力，反光碗的颜色退化是造成色温变化的重要原因。通过老化试验分析，为优化路灯设计提出可行性改进意见。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 发光二极管的发光原理

1.1.2 发光二极管的特性参数

1.1.3 大功率白光LED的发展与现状

1.1.4 白光LED实现方法

1.1.5 LED的应用现状

1.1.6 白光LED灯具的优势

1.2 LED可靠性研究

1.2.1 可靠性研究的意义

1.2.2 可靠性试验

1.2.3 失效分析

1.3 本论文的选题意义及工作内容

1.3.1 论文选题意义

1.3.2 创新点

1.3.3 本论文的工作内容

第2章 大功率白光LED的老化机理

2.1 引言

2.2 老化实验方法

2.3 影响大功率白光LED可靠性的主要因素

2.3.1 温升效应对LED可靠性的影响

2.3.2 封装材料对LED可靠性的影响

2.3.3 荧光粉对白光LED可靠性的影响

2.3.4 静电对LED可靠性的影响

2.3.5 欧姆接触退化和电极键合不良

2.4 提高LED可靠性的措施

2.5 小结

第3章 白光LED在不同应力下的老化机理研究

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验样品采用

3.2.2 光电测试系统

3.2.3 实验目的

3.2.4 实验步骤

3.3 结果与分析

3.3.1 同类型LED在不同应力条件下的老化机理

3.3.2 两类大功率白光LED的性能比较

3.4 小结

第4章 大功率GaN基LED特性研究

4.1 引言

4.2 LED老化对比实验

4.3 结果与分析

4.3.1 LED在1000mA电流应力下的老化机理

4.3.2 LED在20mA电流应力下的老化机理

4.4 同芯片的蓝光和白光LED特性对比

4.5 小结

第5章 大功率白光LED在路灯中的应用

5.1 引言

5.2 大功率LED应用于路灯的现状

5.2.1 LED路灯与传统路灯的比较

5.2.2 制订和统一LED路灯标准

5.3 设计大功率LED路灯应关注的问题

5.3.1 配光方面

5.3.2 驱动电路

5.3.3 散热

5.3.4 可靠性

5.4 LED路灯的可靠性研究

5.4.1 实验

5.4.2 结果及分析

5.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢