LED发光寿命测试

TOC\o"1-5"\h\z摘要：2Abstract：31弓I言4LED定义、其发光原理及其特点4LED定义及发光原理4\o"CurrentDocument"LED照明特点5\o"CurrentDocument"LED灯具寿命7\o"CurrentDocument"LED寿命长的原因7\o"CurrentDocument"3.2影响LED灯具寿命的因素8\o"CurrentDocument"3.3判断LED失效的依据9\o"CurrentDocument"3.4如何衡量LED的寿命10\o"CurrentDocument"4与LED寿命相关的几个因素12\o"CurrentDocument"LED的光衰及其影响因素12\o"CurrentDocument"LED的结温及其影响因素13\o"CurrentDocument"LED器件的最高结温及其影响因素14\o"CurrentDocument"LED的热阻及减小其热阻的途径15\o"CurrentDocument"5LED老化实验16\o"CurrentDocument"LED的老化及其寿命测试16\o"CurrentDocument"大功率LED封装结构17\o"CurrentDocument"5.3热阻(R0)的测量方法17\o"CurrentDocument"LED结温及光通量的测量19\o"CurrentDocument"5.5影响实验的几个因素21\o"CurrentDocument"5.6实验结果讨论22\o"CurrentDocument"结论26谢辞27\o"CurrentDocument"【参考文献】28LED发光寿命测试摘要：假如不考虑电源和驱动的故障，LED的寿命终止会表现为它的光衰，也就是说时间长了，其亮度会越来越暗，直到最后熄灭为止。LED的寿命主要取决于LED芯片的质量、芯片的设计和芯片的材料。直接影响LED寿命的关键因素有两个：一是驱动电流的变化即达到某个阈值以后，启动LED的电流越高，发光发热就越多；二是工作环境温度：温度越高，出光就越少。此外，LED灯具的安装及固定方式对其寿命也有很大的影响。本文主要通过实验测量LED的光通量及结温，根据LED发光寿命与光通量及结温的关系推导出LED的发光寿命。关键词：LED光衰结温热阻寿命LEDLifetimeTestAbstract：Ifwedon’tputthebreakdownofpowersourceanddrivingmechanismintoconsideration,theterminationofaLED’slifetimewillbelightdecline,inotherwords,afteralongtime,thelight’sintensewillbeweakerandweaker,andthelightwillbeoutatlast.TheLED’slifetimereliesonthequality,designandmaterialofLED’schip.TherearetwofactorsinfluencingtheLED’slifetime,thefirstoneisthechangingofelectriccurrent—whenreachestoaliminalvalue,theelectriccurrentwhichstartsLEDwillbemore,theintensityandheatwillbehigher;thesecondoneisthetemperatureoftheworkingenvironment—thehigherthetemperatureis,thelesserlighttherewillbe.Whafsmore,howtheLEDisinstalledandfixedwillalsomakeabiginfluenceonLED’slifetime.themaincontentofthearticleincludesmeasuringthefluxandjunctiontemperatureofLEDanddeducingtheshinelifeofLEDaccordingtotherelationshipbetweentheshinelifeandjunctiontemperatureofLEDandfluxKeywords：LEDLightfailureJunctiontemperatureThermalresistancelifetime1引言1986年，在蓝宝石基底上沉积高品质GaN晶体获得成功，并且在1993年开发出了高亮度蓝光发光二极管（LEDs）。至今，人们仍在对高亮度蓝光LED进行不断地完善。在1996年，开发出了采用蓝光LED与黄色荧光粉相结合发出白光的LED产品并将其商业化［1］。21世纪照明METI国家（Akari）项目是一项基于高效率白光LED照明技术的工程，它利用的是近紫外线LED与荧光粉系统相结合的方法，该项目于1998年启动，其第一阶段的项目已于2004年完成。近些年来，LED照明因具有许多优点，例如长寿命、低能耗、体积小等而非常有吸引力。最早LED只是被用来替换小型白炽灯充当指示器。在其光效有所提高后，LED被应用于显示器中。随着其光效和总光通量的进一步改善，LED开始被应用于日常照明领域。对于普通照明设备而言，LED有限的光通量是一个难以解决的问题。要想获得高光通量就需要有高密度基底和大的工作电流。这将导致LED产生热量、温度升高，损坏LED模块。2LED定义、其发光原理及其特点2.1LED定义及发光原理图2.1LED灯珠LED（Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5

三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W,寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大图2.1LED灯珠LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着LED灯珠。在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟图2.2LED发光原理空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。2.2LED照明特点由于LED芯片是一块很小的晶片，且是用环氧树脂封装的，所以体积非常小，质量也非常轻。LED的内在特征决定了它是目前最理想的光源，可用于替代传统光源。LED有着广泛的用途。与其它光源相比，LED具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热、色光、白光、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便15种独特优点。具体而言，LED照明具有以下特点。1）发光效率高传统的白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/w，荧光灯为50-70lm/w，钠灯为90-140lm/w，它们的大部分的耗电会变成热量损耗。从理论分析LED光效经改良后将达到50-200lm/w,而且其光的单色性好，光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前通过现有技术首先对LED结构进行优化、材料优化、工艺优化，再进行优化组合，做到了161lm/w,且其商品化问题不大，但要再想提高效率则需要有新的技术突破。2）耗电量少LED电能的利用率高达80%以上。其单管功率为0.03-0.06W，采用直流驱；单管驱动的电压为1.5-3.5V，电流为15-18mA。也就是说LED是一种非常节能的光源。研究资料表明，由于LED是冷光源，故与目前普遍使用的白炽灯，荧光灯相比，其节能效率可以达到90%以上。以桥梁护栏等为例，同样效果的一支日光灯的功率为40多瓦，而采用LED每支功率只有8瓦，其颜色还可以七彩变化。3）为固体光源，抗震，坚固耐用，使用寿命长，可靠性高LED是半导体元件。与白炽灯不同，它没有玻璃、钨丝等易损可动部件，故障率极低，可以免维修。其体积小，质量轻，为环氧树脂封装，可承受高度机械冲击和震动，不易破碎。在可靠性方面，LED的半衰期（即光输出量减少到最初值的一半的时间）大概是1-10万小时，其平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5-10年，可大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯的麻烦。相反，小型指示用白炽灯的半衰期（此处的半衰期值得是有一半数量的灯失效的时间）的典型值是10万到数千小时不等，具体时间取决于灯的额定工作电流。4）安全性好，属于绿色照明光源LED发热量低，无热辐射，为冷光源，可以安全触摸；能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，热量辐射都很少。低压供电时，其防触电保护等级为3级，安全；直流供电时，其无闪频。5）不含汞，无污染，无紫外辐射LED为全固体发光体，耐震，耐冲击，不易破碎，废弃物可回收，不会造成环境污染。由于LED灯采用直流电源驱动，不会产生红外线和紫外线的光谱成分，无对外辐射，所以它既能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人的生理健康需求，是保护视力且环保的健康光源。6）单色性好、色彩鲜艳丰富LED器件发出的光纯度非常高，在光谱上的表现就是光线集中在某一小段波长上。其颜色饱和度可达到130%，全色彩，可使灯光更加清晰柔和。可通过化学修饰方法调整制造LED材料的能带结构和带隙，以实现红、黄、绿、蓝、橙多色发光。改变电流可是LED变色，如电流小时LED为红色，随着电流的增加，LED可以依次变为橙色、黄色、最后变为绿色。7）冷启动，无须预热时间，瞬间再启动，响应时间短白炽灯的响应时间是毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级，其响应时间只有60纳秒。LED反应速度快，可在高频下操作特别适合用做汽车灯具的光源可为司机争取宝贵的减小交通事故的时间。8）平面发光，指向性好LED与点光源白炽灯不同，其是角度W180°。设计时一定要注意利用LED光源有不同的视角度和视角度不能大于180°这一特点。9）发光效率受温度影响大LED发光效率会随温度升高而下降。一般情况下，芯片在温度超过120°C时将失效。在灯具总成设计和制造工艺设计时，一定要考虑散热设计。10）LED芯片的体积很小，可以制成各种形状的器件，并且适用于易变的环境。3LED灯具寿命3.1LED寿命长的原因白炽灯的发光机理是电能对发光钨丝进行加热而发光。经过相当长时间的加热，钨丝就会老化甚至烧断，至此白炽灯泡的寿命也就结束了。而LED的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的，二极管主要由PN结晶片、电极和光学系统组成，当在二极管的电极上加上正向偏压之后，会使电子和空穴分别注入P区和N区。这些进入P区的电子和进入N区的空穴都是非平衡少数载流子，当非平衡少数载流子不断与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。这就是发光二极管的工作机理[3]。LED的发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见，LED主要靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，其特殊的发光机理决定了它的发光寿命长达5-10万个小时。3.2影响LED灯具寿命的因素随着人们环保意识的增强，传统的照明设备的高耗电性和废弃物污染等问题已引起普遍重视，各地纷纷投入大量的金钱、人力、物力研发新的环保光源。而对于有“绿色照明光源”之称的LED灯具，人们常说它的寿命可达到100000小时，但这只是水平较高的LED管芯的理论数据，是在省略了一些边界条件（即理想条件）的情况下得出的数据，在真正使用时还会有很多因素影响LED的寿命，主要有以下四个因素。（1）管芯质量是决定LED寿命的首要条件在LED的制造过程中，其他杂质离子的污染、晶格缺陷等工艺过程都会影响其寿命，因此采用高品质的LED管芯是首要条件。（2）后工艺封装是否合理会影响LED的寿命LED的后工艺封装是否合理会影响LED的寿命。目前全球几大公司如Cree、Lumilends、日亚等较高水平的LED封装都有专利保护，这些公司的后工艺封装要求水平都比较高，其LED的寿命也就有所保证。但大多数企业的LED后工艺封装仿制较多，从外形看还可以，其工艺结构及工艺质量却较差，因而严重影响了LED的寿命。（3）灯具设计是影响LED灯具的寿命的关键问题合理的灯具设计在满足灯具的其他指标之外，一个关键问题是要将LED点亮时产生的热能散发出来。将Cree等公司的优质LED原装品使用在不同灯具上，LED寿命可以相差几倍甚至几十倍。例如，现在市场销售的集成光源灯具（单个30W、50W、100W），这些产品的光源与散热通道接触部分散热不畅，结果导致有些产品在点亮1-3个月后就导致光衰50%以上，有些产品在使用0.07W左右的小功率管后，由于没有合理的散热机构，导致光衰非常快。这些产品技术含量低、造价低、寿命短。（4）灯具电源对LED寿命而言至关重要灯具使用电源是否合理也会影响其寿命。因为LED是电流驱动器件，若电源电流波动较大，或者电源尖脉冲出现频率较高，都会影响LED光源的寿命。电源本身的寿命主要取决于电源设计是否合理。在电源设计合理的前提下，电源的寿命就取决于元器件的寿命。综上所述，若满足采用国际著名公司的LED管芯及后工艺封装的管子，灯具结构设计合理，电源稳定这四个条件，LED灯具就可以连续使用50000h，其光衰也可控制在30%以内了[4]。3.3判断LED失效的依据与其它电子元器件类似，以LED的失效是指在规定时间内，器件不能完成规定的功能，也就是称其功能丧失为失效。对LED进行失效分析时，必须遵循先进行非破坏性、可逆、可重复的试验，再做半破坏性、不可重复的试验，最后进行破坏性试验的原则。应采用合适的分析方法，最大限度地防止被分析的器件（DUA）的真正失效因素、迹象丢失或引入新的失效因素，以期得到客观的分析结论。可以用LED的某一个或者几个参数的变化当做其是否失效的判据。例如，常常使用LED发光强度与初始值的比值来做判据，其定义为：随着LED工作时间的增长，当其发光强度Iv下降到其起始值的某一个百分比值时，则认为该LED失效。这个百分比值可以是50%，也可以是20%。显然，评估单个LED的失效水平意义不大，通常针对某一类具有相同属性的物件的群体进行失效评价才有使用意义。这就是说从一个LED群体中，用某一时间内器件失效的数量与整个群体总数的百分比来评价更有意义，也就是用所谓的失效率来评价器件失效的水平。失效率的定义是指在某单位时间内某类物体失效（规定功能丧失）的百分数，用符号入来表示，单位为%。例如，在某一系统中，共使用10万个LED，在单位时间内失效率数为一个，则这个系统的LED失效率为十万分之一[5]。在LED的失效分析过程中，经常受到分析仪器设备和手段的限制，不能直观地证明失效的原因，高素质的分析工程师经常通过某些分析试验，采用排除的办法来推论反证失效原因。例如，DUA为8X8红光LED点阵，半成品初测合格，灌胶后出现单点LED反向漏电流特大的现象，受仪器设备限制，只有直流电源和LED光电参数测试仪，不能做解剖或透视分析。在测试中发现DUA正向光电参数无异常，而反向漏电流大，因此采用反向偏置并加大电流至数十毫安后，再测正向光电参数，前后结果无明显变化，由此说明反向偏置中的数十毫安并非从该LED芯片通过，从而推断并非由LED芯片造成漏电。3.4如何衡量LED的寿命一切事物都有发生、发展和消亡的过程，LED也不例外。早期的LED只是手电筒、台灯这类礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。但是现在LED已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的LED路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。过去认为LED寿命一定是10万小时的神话似乎彻底破灭了。那么到底问题出在哪里呢？假如不考虑电源和驱动的故障，LED的寿命终止会表现为它的光衰，也就是说时间长了，其亮度会越来越暗，直到最后熄灭为止。LED的寿命主要取决于LED芯片的质量、芯片的设计和芯片的材料。直接影响LED寿命的关键因素有两个：一是驱动电流的变化一一达到某个阈值以后，启动LED的电流越高，发光发热就越多；二是工作环境温度——温度越高，出光就越少。此外，LED灯具的安装及固定方式对其寿命也有很大的影响。LED芯片对温度异常敏感，这也是半导体的共性。一般用LED照明光源光通量流明值下降到初始值的50%的时间来定义其寿命。50%就是LED的半衰期，例如，65LED在室温情况下，在20mA电流驱动下的寿命为10万小时，也就是说10万小时后，其光通量还保持在原来的一半［6］。

LED的半衰期与PN结（Tj点）结点的温度关系可用如图3.1曲线表示[7],其关系为B广B0eTCk式中，Bt为使用t后的光通量，Bo为初始使用的光通量；e为对数常数；c为常数；t为使用时间；k为温度。不管如何测量，半导体照明光源的寿命通常是比较长的，这对LED产品应用来说是一个很有意义的因素。随着使用时间的推移，LED的光衰量非常小。一般情况站瓯】.11C50000h或者更长。如果其中站瓯】.11C50000h或者更长。如果其中图3.1LED的半衰期与PN结结点的温度的关系一个LED损坏了也不会影响整个灯的继续照明。LED灯的使用寿命还取决于每天工作多少小时如图表3.1所示。每天工作时间5万小时等于10万小时等于每天24小时5.7年11.4年每天工作18小时7.4年14.8年每天工作8小时17.1年34.2年表3.1LED寿命与使用时间的关系必须指出，50000h是LED在实验室老化的预期寿命。从目前的制造技术来看，要做到灯具整体达到50000h的寿命是很困难的。灯具寿命和光源寿命不能混为一谈4与LED寿命相关的几个因素4.1LED的光衰及其影响因素LED产品的光衰就是指在，传输中的信号减弱。现阶段全球LED厂家制造出的LED产品的光衰程度都不同，大功率LED同样存在光衰，这和温度有直接的关系，主要是由晶片，荧光粉和封装技术决定的。目前，市场上的白光LED的光衰可能是其向民用照明进军过程中的首要问题之一。LED的光衰主要有以下两大要素。一、LED产品本身的品质问题（1）采用的LED晶粒体质不好，亮度衰减较快。（2）生产制作流程存在缺陷，LED晶粒散热不能良好地从Pin脚导出，导致LED晶粒温度过高，从而使晶片衰减加剧。二、使用条件问题（1）LED为恒流驱动，而有部分LED采用电压驱动，由此加速了LED亮度的衰减。（2）驱动电流大于额定驱动条件。其实，导致LED产品光衰的原因很多，最关键是热的问题，如一些厂商不特别注意散热问题，使其产品长期使用下的光衰程度比有注重散热的LED产品要高。LED晶粒本身的热阻、银胶的影响、基板的散热效果，以及胶体和金线方面也都与光衰有关。对有些灯具厂商采用中国台湾产的管子制作的LED灯具进行测试，发现灯具点亮时其结温为140°C-150°C，且不到5000hLED的光衰就达到了60%以上。这种灯具由于光衰太大，所以不能使用。若使用美国Cree公司的LED，在灯具点亮时结温保持在100C以下，可达到50000h光衰小于30%的效果，由此可见这种LED的光衰都比较小，可在灯具中使用［7］。4.2LED的结温及其影响因素LED的基本结构是一个半导体的PN结。实验指出，当电流通过LED器件时，PN结的温度将上升。以严格意义上说，是把PN结区的温度视为结温的。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，所以也可把LED芯片的温度视为结温。当LED的结温升高时，器件输出的光强度将逐渐减小，而在结温下降时，输出光的强度将增大。LED在工作时，以下四种情况会促使结温不同程度上升。（1）器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互累加，构成了LED器件的串联电阻。当电流流过PN结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，导致芯片温度或结温的升高。（2）由于PN结不可能极端完美，所以器件的注入效率不会达到100%。也就是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷（空穴）外，N区也会向P区注入电荷（电子）。一般情况下，后一类电荷注入不会产生光电效应，因而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，而是有意部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终促使结温升高。（3）实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与器件制造工艺已能使LED的绝大多数输入电能转换成光辐射能。然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，所以致使芯片内部产生的绝大部分光子（＞90%）无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，从而最终促使结温升高。（4）LED器件的热散失能力是决定结温高低的有一个关键条件。散热能力强时，结温下降；反之，散热能力差时，结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，所以PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量将通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB与热沉（微型散热装置）等途径向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。一个普通型的LED，从PN结区到环境温度的总热阻在300-600°C/W之间。一个具有良好结构的功率型LED器件，其总热阻约为15-30C/W。巨大的热阻

差异表明普通型器件只有在很小的输入功率条件下才能正常工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高［8］。4.3LED器件的最高结温及其影响因素所谓最高结温是指一个LED器件在正常工作条件下所能承受的最高温度。在最高结温下，LED的出光效率除去会发生可恢复性的变化外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。换言之，白光LED器件在最高结温下工作，一方面会导致芯片的出光效率有所下降，另一方面则会引起荧光粉效率的衰减，如图4.1所示。为此，当环境温度升高时，应适当减小工作电流，直至环境温度升至临界温度，此时工作电流减至零，结温等于环境温度。lm/WTi/°C图4.1LED出光效率与结温的关系通常有两种原因促使高温下LED的输出性能发生永久性衰减。一个原因是材料本身的内缺陷。众所周知，高亮LED器件通常都采用MOCVD技术在GaAs、蓝宝石等异质衬底上通过外延生长InGaAIP或InGaN等工艺制成，为提高发光效率，外延材料均含有多层结构，由于外延层之间存在着或多或少的晶格失配，从而在界面上形成了大量诸如位错等结构缺陷。在较高温度时，这些缺陷会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的注入效率与发光率。另一个原因是在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电级的快扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级（指靠边导带的空穴束缚态，或能量很接近价带顶的电子束缚），同样会加速LED器件性能的衰变。高温时，LED封装环氧存在着一个重要特性，即当环氧温度超过一个特定温度（Tg=125°C）时，封装环氧将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。此时材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应温度即为环氧树脂的玻璃状转化温度，其值通常为125C。当器件在此温度附近或是高于此温度变化时，将发lm/WTi/°C图4.1LED出光效率与结温的关系此外，当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温度Tg），封装环氧（特别是与芯片临近部分的）会逐渐变性，发黄，影响封装环氧的透光性能。这是一个潜移默化的过程，随着工作时间的延长，LED表面将逐渐失去光泽。显然工作温度越高，这种过程将进行的越快。为解决这一困难，特别是在大功率器件的制作过程中，一些先进的封装结构已经摒弃了环氧材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC等材料来制作透镜；另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面，中间填充一种胶状的性能稳定的透明硅胶。实践证明，通过如此改进，LED器件的性能与稳定度获得了明显的改善。4.4LED的热阻及减小其热阻的途径热阻定义为：在热平衡条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻符号为TR；热阻单位为K/W或C/W（K是开尔文温度，C是摄氏度温度1K=273+1C）。热阻是表征系统热性能的一个主要参数。器件的总热阻就是LED各个结构层热阻和扩展热阻之和。LED的热阻值可用热阻测试仪测得。热阻不仅与器件和灯具的寿命有关，还会直接影响到发光效率，这是因为LED的发光效率均岁温度的升高而降低，如果一个发光效率高的功率器件的热阻较大，用其做成灯具工作时，发光效率下降会相当严重，所以功率LED除应给出光电参量外还应标明热阻值。目前较差的1W功率LED的热阻值在10-20C/W之间，较好的是8-9C/W，最好的为3-5C/W。随着优质导热材料的采用和器件热结构技术的进展，功率LED的热阻值有望继续减小，使器件工作时的结温降到相当低的程度。一般可以通过以下途径减小LED的热阻值。一、减小晶片的热阻值。二、最佳优化热通道。（1）通道结构，要求其长度（L）越短越好，面积（S）越大越好，环节越少越好，并且要消除通道上的热传导瓶颈。（2）通道材料的导热系数入越大越好。（3）改良封装制造方法，令通道环节间的界面接触更紧密可靠。三、强化电通道的导热，散热功能。四、选用导热、散热性能更高的出光通道材料。5LED老化实验5.1LED的老化及其寿命测试在LED芯片中高电流密度会导致热化和强电场现象。持续的高温和强电场可能会增强原子的扩散和造成电极的意外熔合，与此同时也有可能增加断层密度和点缺陷。用作LED外壳的大部分树脂会被短波光子所产生的辐射破坏。树脂吸收光子所发出的能量和化学反应中所释放的能量，可导致树脂的颜色变暗，从而进一步增强树脂对光的吸收。而且在较高的温度下，这种反应会有所加剧。热化循环会引起热应力并且损坏焊接部件。热应力也许会导致半导体芯片中的原子扩散或断层运动的增强。化学反应和原子扩散会导致设备逐渐老化。另一方面，设备的突然老化主要是由热化循环造成的。一般的寿命测试主要研究逐渐老化过程。从实用的观点出发，人们很有必要利用尽可能短的实验时间对设备在给定温度下的使用寿命进行估计。因为LED的使用寿命较长（可达几万小时），所以利用提高注入电流密度的方法完成加速寿命实验。高电流密度会导致热化并且损坏LED芯片周围的树脂，因为其温度超过了树脂的玻璃态转化温度。这正是加速测试实验的难度所在，即过多的热量必须从外壳中提取出来。为解决这个难题，可以设计的一款大功率LED模块可以克服上述长期以来存在的问题。5.2大功率LED封装结构设计的大功率LED外壳可用于照明模块中。在一个外壳中有5个LED芯片。它们的连接方式为串联。该模块的功率为2.4W,并且其几乎所有的能量都以热能的形式损耗掉了。为了使结温Tj维持在适宜的较低温度，热量必须散发到该模块外部，这种设计结构可使热量从芯片直接传导至金属衬底组件上。可抗高温外壳的使用寿命需要通过加速测试实验来测定。该外壳由氧化铝陶瓷材料制成。它不会被可见光区和紫外线区域内的光子辐射所损坏。并且能耐高达几百摄氏度的高温。因为LED芯片是在高温下利用金属有机化学汽相淀积（MOCVD作用）制成的，所以其外延层在高温下是稳定的。另一方面，金属电极是通过蒸发方法制成的，其加工温度远低于MOCVD外延层的加工温度。芯片的焊接借助金质凸点来完成。由于金元素的化学性质稳定，因此它具有耐热化和光辐射的能力。一个半球状光学元件的应用可以增加出光率。该元件由透明的硅树脂材料制成，且其折射率约为1.4，该数值介于蓝宝石与空气折射率之间。该芯片底部填充部分也由透明的硅树脂制成，它可以保护芯片，将光学部件固定在适当的位置。荧光板由硅树脂和荧光粉制成。该荧光板可将发出的部分蓝光转变为黄光。黄光再与剩余的蓝光混合在一起使荧光板发出白光。对用于光学元件及荧光板中的硅树脂材料的光学性能做了研究，发现其在高达260°C的温度下仍可保持透明度［9］。5.3热阻（R0）的测量方法本实验的目的在于得知工作条件与设备使用寿命之间的关系。工作条件中的两个重要因素是驱动电流和结温Tj。且结温Tj通过R0（在pn结与铜板之间）进行计算。因此，为了获得可靠、准确的数据，可以用两种方法对R0进行测量。一种是常见的电压梯度法，另一种是利用热像仪。

LED模块安装在铜基电路板上。电路板的形成特别设计成开放式的，因此其外壳直接用铜和焊料焊接。铜板通过热导密封垫与热沉相连。热沉通过Peltier设备来控制温度。实验设备如图5.1所示［10］。可以对结温Tj进行了常规测量。在外壳中串联有5个芯片。再对连接在一起的5个芯片逐一进行测量。每一个芯片内部的温度分布情况并不完全一致。因此我们用平均值作为最终测量结果。利用这种方法必IMtier控温设备图5.1热阻测量装置须去除荧光板、光学组件和底部填充剂，直接确定芯片内的温度分布情况。因此，原则上我们必须关注Tj在去除硅树脂后可能出现的变化。对热传导过程的计算证实几乎所有的热量是通过金质凸点而非硅树脂来传导的。这说明IMtier控温设备图5.1热阻测量装置R。=78.9°C/W。其数值与由常规测量方法获得的数值相同。我们利用这两种方法测得的热阻值完全一致。因此，我们证实用两种方法测得的数据可靠、准确。再利用热像仪分别对1块芯片和5块芯片进行测量，其测量结果是在同位置测量到的R。值的1.2倍。在计算中，我们定义热阻为5块LED芯片平均温度的平均值。通过热像仪所测得的此数值为100.2C/W。因此，我们假定其热阻为100C/W。

5・4LED结温及光通量的测量5.4.1光通量的测量及积分球的使用光通量的有积分球法和变角光度计法两种方法。变角光度计法是测试光通量最精确地的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量，如图5.2所示。用积分球法测LED光通量时有两种测试结构：一种是将被测LED放在球心；另外一种是将其放在球壁［11］。全立体角测试2兀立体角测试图5.2积分球法测LED光通量积分球的基本工作原理：光线由输入孔入射后，光线在球内部被均匀的反射及漫射，在球面上形成均匀的光强分布，因此输出孔所得到的光线为非常均匀的漫射光束。而且入射光之入射角度、空间分布、以及极性都不会对输出的光束强度和均匀度造成影响。同时因为光线经过积分球内部的均匀分布后才射出，因此积分球也可当作一个光强衰减器，输出强度与输入强度比大约约为：光输出孔面积/积分球内部的表面积。5.4.2结温的测量结温测量的实验装置如图5.3所示。恒温箱（1）（WG243型电热鼓风干燥箱）被用来控制LED的环境温度，误差小于1°C°LED支架可以方便的固定LED（2）以及测量电路和热电阻（3）（Pt100标准热电阻）。热电阻被焊接在LED的阳极管脚上，它的电阻值由万用（4）（VC9802A来测量。电源（5）（SSP3112光

谱仪的稳流电源)给LED提供恒定直流。另一只万用表(6)(VC9802A)用来测量LED的正向电压。LED发出的光通过透镜(7)汇聚后，透过恒温箱的玻璃窗口(8)，进入光谱仪(9)(SSP3112光谱仪)的积分球。在恒定电流(20mA)改变环境温度(35〜100°C)测量的情况下，可以(7)透镜(l)WG243型电热鼓风干燥箱(3)ptlOO标准热⑵LED电阻(l)WG243型电热鼓风干燥箱(3)ptlOO标准热⑵LED电阻■WVvVCD%〕稳流电浪(踞P3112光谱仪)的积分球*)万用3)万用表1表2图5.3测量结温的装置测得初始电压与初始结温符合很强的线性关系。所以可以通过测量正向电压确定结温：Tj=T0+(Vt-V0)/K其中T0是作为参考的环境温度，V0是在T0下的初始电压；Tj•和Vt分别是稳定时的电压。整个测量过程中,电流要保持恒定。系麴＜可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到K=(V1-V0)/(T1-T0)，也可以通过测量多组参考温度和电压作线性拟合得到。选择靠近拟合直线的测量点(95.0C,3.805V)作为参考点,实验中LED通电后稳定时的结温可以由下面的公式来确定：Tj=[95.0-202.1X(Vj-3.805)]C[12]。5.5影响实验的几个因素5.5.1温度因素在100-1000h的时间间隔内对每个样品的光通量进行了测量，直至其光通量衰减为初始值的50%时结束测量。5个样品的平均结温分别为180°C(No.1-5)、210C(No.6-10)、225C(No.11-15)、240C(No.16-20)和250C(No.21-25)。工作温度越低，样品寿命越长。当实验结束时，该样品的光通量为初始值的60%。此时其工作时间已超过15000h。老化情况明确地显示了光输出对结温的依赖程度，这种结温依赖关系符合指数函数5.5.2电流和光子因素在固定结温为200C、不同的正向直流电流条件下测得的结果可知。当工作电流低于5mA时，样品的老化率几乎不变。当电流大于饱和电流(约为5mA)05101520Z53。图5.4LED的ViIf特性时，即使正向电流发生改变，芯片内的电场也不会有什么变化，如图5.2所示。这可以说明扩散的饱和现象的出现取决于电场情况。既然老化情况显示注入电流对光输出仅有微弱的影响，那么在我们的分析中电流因素可以忽略不计。光强（光通量）与注入电流是成比例的。因此在当前实验中，电流和光子辐照产生的影响无法被区分。5.5.3峰值波长的改变峰值波长的变化量为1-5nm。因为LED的发射峰值偏离了荧光粉的激发峰值，所以峰值波长的改变会导致白光LED模块的光输出量减小。但是这个影响并不显著，可以认为白光输出量最多只减少百分之几。5.6实验结果讨论5.6.1光通量的衰减早期有关设备寿命是否取决于工作电流和温度方面的研究中曾涉及过GaAs和GaAlAs基底LED。作者们的报告指出在加速寿命实验中发射强度的减少量与设备运行时间的平方根成比例。但是实验所测得的GaN基底LED相关数据并不十分符合平方根类型函数。许多研究均基于AlInGaP系统。该系统在黄光至橙光的波长范围内可以提供很高的光通量，并且其在指示灯等许多领域中都有应用。在有关AlInGaP系统的一些早期研究中曾提及光输出量的衰减过程的特点可以被描绘为指数式衰减。基于GaN外延附生的蓝光和绿光LED的结构与基于GaAs或AlInGaP常规材料的LED的结构有很大的差异。一种具有InGaNAlGaN双电子异质结构且其亮度大于led的早期蓝光LED样品的衰减过程早已被研究过了。该早期蓝光LED的衰减数据报告显示其变化符合指数函数。早期的白光LED的衰减也符合指数曲线。5.6.2Arrhenius模型[14]针对GaAs的研究表明发光强度的衰减与工作电流之间的关系可用Eyring模型表示。另一方面，在研究中人们发现光强的衰减与温度之间的关系不符合Arrhenius模型。作者们把导致衰减的原因不仅仅归咎于温度，除此之外还有电流密度、压缩程度等其他因素。另外，在其样品内可观察到有暗线，由此暗示出实验设备不同程度的出现了衰减现象。这使得很难获得精确的衰减实验数据。此外，其他的一些早期研究也提出了光输出衰减的特点是呈指数式衰减并且衰减率可以表示为温度的倒数函数。从适合的Arrhenius图中，我们可以得知其激发能为0.8eV。L81.922J2.22.3L81.922J2.22.32.42.52.61000?Tj(1/K)■40,DOOhray=17.977X-29.800R2=0,990240X220V200*^18QP160*0140130^图5.5Arrhenius模型图在InGaN方面的其他研究中，实验还发现光输出衰减呈指数函数式并且就Arrhenius模型来看其激发能为0.5eV。在这项实验中，没有观察到暗线并且其衰减是同质的。但是，8400h的使用寿命还是相当短的。根据实验数据制成了Arrhenius图并且从中发现低性能和高性能LED的激发能分别为0.18eV和0.92eV。对于低性能LED而言，其受温度影响较弱，但是其使用寿命短（Tj为56°C时，光输出量减少为初始值的50%所用时间为6000h）。另一方面，高性能LED受温度影响较大但其使用寿命会更长（在相同条件下寿命为90000h）。研究中受验设备的使用寿命（光输出降至50%时）是结温倒数的函数。水平误差横线反映了5个样品的