大功率白光LED的应用及其可靠性研究

　　对于早期的突然失效分析，根据半导体器件的性能特点，早期失效阶段的失效率较高，但失效率随时间的增加而下降。器件的失效是由一种或几种具有普遍性的原因所造成的，对不同品种，不同工艺的器件，这一阶段的延续时间和失效比例是不同的。严格工艺操作和对原材料、半成品和成品的检验，可减少这阶段的失效。进行合理的筛选可以尽可能的在交付使用前把早期失效的器件筛选掉，可使出厂的器件的失效率达到或者接近偶然失效水平。
　　根据实际情况，对于LED器件来说，目前国内外对其早期失效机理的分析还是很少的，但由于LED器件的成本较高，并且早期失效占有较大比例，对这方面的分析应该引起人们的重视。G.Cassanelli对大功率白光LED的早期突然失效进行了试验分析，认为电极Ag与封装材料中的硫磺反应生成Ag2S，从而增大电阻以至完全开路造成器件的失效。从可靠性的一般观点认为，在LED器件中观察到的大部分失效机制都是在光通量和电参数随着时间持续的衰减时所分析出的结果，通常对失效模型和机制的研究需要很长的时间。目前关于白光LED的失效机理主要分为以下几个方面：
　　（1）封装材料的退化。
　　高温时，封装材料的出光效率衰减很快。Meneghesso等人观察到了大电流下封装材料的退化现象。
　　（2）欧姆接触退化。
　　Meneghesso等人对LED进行大DC电流条件老化，观察到IV特性的退化，认为这是由于p型欧姆接触在大电流和高温下退化，使得串联电阻增加所致。
　　（3）荧光粉退化。
　　实现白光的途径有很多种，目前使用最为普遍，也是最为成熟的是通过在蓝光芯片上涂敷发黄光的荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光。对荧光粉的稳定性，文献中说法不一。
　　（4）金属电迁移。
　　P型电极金属会沿着缺陷到达PN结区形成欧姆通路，造成结区特性退化。
　　（5）能级缺陷增加。
　　在高温条件下，能级缺陷会快速增殖和繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的发光效率。
　　（6）静电的破坏。
　　静电会引起PN结区短路、短路，或在结区形成结构缺陷，使得漏电流增大。不同的LED器件有其不同的失效机理。那么对于大功率白光LED可靠性的研究应该在借鉴其他LED器件，前人成果的基础上，并且针对白光LED的特点进行。目前，商用的大功率白光LED器件都是采用宽禁带GaN材料，制作出发蓝光芯片，然后利用光转化材料，如：荧光粉，蓝光与经荧光粉转化的黄光，合成白光。因此，在充分了解白光LED芯片材料和结构的前提下，才能更好的开展可靠性工作。针对其他类型的LED器件的可靠性分析有些已经不适应白光LED。例如，对老化后的芯片进行解理，观察等，对白光就不合适，因为白光里的蓝光芯片上涂有荧光粉，无法进行微观的失效机理的观察。目前对大功率白光LED的可靠性分析，可分为两大部分：蓝光芯片的可靠性分析及荧光粉的可靠性分析，但是它们又不是独立的，而是相互联系的。
3.2 基于可靠性工程学的可靠性预测
　　大功率白光LED器件具有高达10万小时的寿命，按照目前半导体材料和器件发展的速度，即使采取加速寿命试验，仍然很费时费力，基于可靠性工程学的可靠性预测机制，就是尝试一种在无需长期寿命试验条件下实现对LED可靠性量化预测的方法，它可以大大减少试验时间，节约寿命试验成本。
　　通过管子初期性能指标的测试，分析出与后期失效相关的特征值，从而达到预测器件性能的目的。同时，可以根据试验初始值，利用计算机仿真技术进行后期模拟，具有重要的实用价值。与大功率LED可靠性相关的特性曲线分为：
　　（1）电压-电流伏安曲线。
　　（2）电导数特性曲线。
　　（3）光输出特性曲线。
　　（4）光谱特性曲线。
　　（5）热特性曲线。
　　4  大功率白光LED灯具的可靠性
　　大功率白光LED已经进入照明灯具的应用，那么产品可靠性同样需要引起重视，因为粗制滥造的LED仅求瞬时的亮度，缺少合理的灯具散热设计和光学设计，不能保证LED光源优势的充分发挥，从而导致LED产业不能良性快速发展。灯具的可靠性属于系统可靠性范畴，对它的研究主要从以下几方面来考虑：
　　（1）由于灯具结构设计不合理，散热不良，而引起LED的光衰，甚至失效。
　　（2）由于安装不合理，使LED与灯具的接触部分电阻过大，使LED芯片温度过高而引起的光衰甚至失效。
　　（3）驱动电流过大，使LED工作温度过高，引起光衰甚至失效，或驱动电源的失效引起灯具的失效。
　　（4）光路设计方面，灯具要根据需要选择出光角度不同的LED，满足光学要求的灯具结构，可能会造成散热不良，从而引起光衰甚至失效。
　　5  总结
　　（1）不同类型的LED器件具有不同的失效机理，对白光LED器件的可靠性研究可采用对同一批次的蓝光芯片和白光芯片进行对比试验。通过对比实验，可以分析出白光LED的失效是由于蓝光芯片的失效起主要作用，还是外敷的荧光粉的失效起主要作用。
　　（2）对LED器件做加速寿命试验的时候，应考虑器件性能的一致性，不仅要选择同一厂家同一批次的产品，还可以考虑按照其初始的一些参数，如开启电压，来进行分类。因为即使同一批次的器件，性能也会有很大差别，而对LED的可靠性研究就是要从细微之处入手。
　　（3）提高对LED应用产品可靠性的重视，发挥LED器件的优势，促使产业良性发展。目前，大功率白光LED应用在照明上还不是很成熟，应用产品还没有真正的投入市场，要从根本上提高品质，需要加大对可靠性的研究。