LED寿命相关论文

中南林业科技大学本科毕业设计LED寿命与工作环境的关系PAGE第27页绪论白光LED由于有着很多优点，正在越来越多的进入人们的日常生活之中，它的使用量现在变得非常的巨大。它是新器件，有其自身使用上的特点。白光LED属于电压敏感型的器件。每支LED工作时电流不要超过20mA，超过太多LED就会很容易被烧毁。LED如果是正常使用，其寿命是非常长的。但人们在实际使用中LED往往容易坏，道理何在呢？其实就是没有考虑到LED的使用特点和对它加上保护电路。环境对LED寿命的影响尤为重要。LED是光电半导体器件，在装配过程中容易被静电击伤。这就需要在装配过程中进行静电防护。我们发现很多生产厂家的人没有这个概念或根本不懂，这是不行的。LED在实际工作中是以20mA的电流为上限，但往往会由于在使用中的各种原因而造成电流增大，如果不采取保护措施，这种增大的电流超过一定的时间和幅度后LED就会损坏。通过大量的测试以及老化试验分析，在其他条件相同的情况下，可测试出对LED寿命造成影响的几个尤为重要的因素，其中温度、湿度、工作电压的影响比较突出，气压、磁场等的影响则比较少。温度过高容易促使LED老化加速，工作效率降低，进而导致器件损坏；工作环境的湿度过大则容易导致局部短路，导致工作电流过大，烧坏器件从而使LED停止工作；过大的工作电压同样会使LED超负荷运作，缩短LED的工作寿命。通过实验分析得知按照不同的LED在其额定的工作环境下运作，其寿命往往能达到最长时间，而越是偏离额定的工作环境，比如温度、湿度、工作电压等越高，LED寿命则越短。通过本调查研究可了解LED工作原理，通过正当的使用来延长LED的使用寿命，减少电子垃圾的数量。2LED的基本介绍LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着图2-1LED灯株在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，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（光的颜色），是由形成P-N结材料决定的。LED是一种能够将电能转化为光能的半导体，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。白光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图2-2贴片LED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光效理论上可以超过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。然而，LED灯的工作原理使得在大功率LED照明行业里散热问题变得非常突出，许多LED照明方案不够重视散热，或者是技术水平有限，所以目前量产的大功率LED灯普遍存在实际使用寿命远远不如理论值，性价比低于传统灯具的尴尬情况。为了提高LED灯具的使用寿命，真正做到适合商业化的量产，LED照明行业正在独立或者和专业的导热材料供应商合作加紧研制新型导热材料，比如导热塑料等等。大功率LED，一般指大于0.65W，这一点不同公司内部也会有不同的标准，因为目前在大功率LED领域还没有形成大家一致认可的行业标准。光强与流明比小功率大，但同样散热也很大，现在大功率大多是单颗应用，加上有效散热面积很大的散热片，也出现了集成在一起的LED灯矩阵，但是散热效果不是很好。小功率一般是0.06W左右的。现在LED手电一般是用小功率用的，光散不散，取决于LED的发光角度，有大角度小角度之分，小角度不散，大角度才散。市面上的手电筒一般是用草帽头做的。效果很好。现在就担心有些厂家不重质量，拿的次品LED做电筒，用不了多久就有死灯。LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的，LED的角度越小，它的亮度越高。没有什么超亮不超亮的,那是骗小孩的。如果是质量好的LED，不管是哪家LED厂家生产的，大家的亮度都差不多的。只是生产工艺不一样,使用寿命略有不同,因为大家用的都是那几家国外的LED芯片。如果是5mm的LED180度角的白光，它的亮度便只有几百MCD；如果是LED15度角的白光，那么它的亮度就有一万至两万MCD的亮度。两者的亮度相差好几十倍。如果是用于照明用的,在户外最好是用大功率的LED,其亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率大到几百。色温和亮度没关系，而亮度和流明值有关。2.1LED的相关概念2.1.1光通量（lm）由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流明（lm）。2.1.2发光强度（cd）光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出的光通量。1cd=1lm/1sr（sr：立体角的球面度单位）。2.1.3亮度（cd/m2)亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度。单位为坎德拉/平方米[cd/m2]，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。2.1.4色温(ColorTemperature)当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K（开尔文，开氏度=摄氏度+273.15）表示。2.1.5显色性(Colorrenderingproperty)原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做"显色指数"（Ra）。显色性是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。Ra值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。2.2LED应用鉴于LED的自身优势，目前主要应用于以下几大方面：(1)显示屏、交通讯号显示光源的应用LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏，全国共有100多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED,因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。(2)汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于LED响应速度快,可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED显示。我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机。近几年内会形成年产10亿元的产值，5年内会形成每年30亿元的产值。(3)LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件。现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED芯片。目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对于国产LED产品来说，这是个极好的市场机会。(4)LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目(称为"照亮日本")，头五年的预算为50亿日元，如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源,相当于五个1.35×106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。我国也于2004年投资50亿大力发展节能环保的半导体照明计划。(5)其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍,该公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3亿只发光灯；正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。(6)家用室内照明的LED产品越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入家庭！2.3LED的发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240/Eg（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。2.4白光LED众所周之，可见光光谱的波长范围为380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的红光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色红、绿、蓝合成。由此可见，要使LED发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的LED，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长发光（蓝色光+黄色光）或三波长发光（蓝色光+绿色光+红色光）的模式。上述两种模式的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术，即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。白光LED的工艺结构和白色光源。对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成，第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。为了说明白光LED的特点，先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯，其光效为12～24流明/瓦；荧光灯和HID灯的光效为50～120流明/瓦。对白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已达到15流明/瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25流明/瓦，这一指标与卤钨灯相近。有公司预测，到2005年，LED的光效可达50流明/瓦，到2015年时，LED的光效可望达到150～200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源，将成可能的现实。普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间10000小时以上），几乎无需维护。目前，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明；我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。3白光LED寿命检测目前的白光LED技术在发光强度、发光效率、寿命等方面都得到了巨大提高,并迅速商业化,在图像显示、信号指示和照明领域得到了广泛的应用,成为当今半导体技术的发展热点。白光LED照明被公认为是第三代照明光源,具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。为保障白光LED的广泛应用,需要提高其可靠性。随着LED生产技术水平的提高,其理论寿命已达到10万小时,而常规应力下的寿命试验很难对它的寿命和可靠性及时地做出客观的评价,因此研究时通常采用加速老化实验方法。加速实验是在加大应力情况下加快LED内部物理化学的变化,能够在较短时间内暴露出器件结构设计和材料的缺陷,为LED结构设计和材料选择提供依据和参考。由于LED是功率型器件,受电流和温度影响较大,因此采用加大LED工作电流应力和环境温度应力的方法。常用的加速老化实验分为恒定应力加速实验和步进应力加速实验。恒定应力寿命实验的实验方法是将LED样品在分别选定的大应力下进行实验,方法简单易行,数据外推的准确性好,但是实验周期较长。步进应力加速实验的实验方法则是将某个应力水平按时间间隔逐步提高,直到大量器件失效为止,实验结果准确性较差,但实验时间较短。国内外众多科研机构利用这些实验方法老化LED,并采用光谱波长分析系统、电流电压测试仪器、SEM、EBIC、EBIV、DLTS等仪器观察白光LED在老化过程中光电参数和芯片形貌的变化,并以此为依据对老化机理进行了多方面的深入研究。3.1芯片材料缺陷引起器件光输出的衰减国内外学者研究了LED芯片结构和材料,认为芯片中的深能级缺陷和非辐射复合中心的增加对LED的老化具有重要的影响。W.Y.Ho等在电流加速寿命试验中采用DLTS,发现在退化前后距导带1.1eV处的深能级缺陷密度从2.7×10cm上升到4.2×10cm,异质结分界面因晶格失配产生的缺陷密度增加。这些缺陷被认为是老化过程中由Mg-H化合物分解形成的Mg-H和Mg-H-N化合物。Rossif等对Mg化合物在LED老化中的作用进行了详细解释,认为是以Mg-H为主的Mg不稳定化合物分解成浅层受主,构成了新的能级,使发光效率降低,并提出造成芯片失效的缺陷包括线位错和点位错以及纯退火产生的缺陷。F.Manyakhin等分析了GaN基LED在电流加速寿命试验中光电参数的变化及空间电荷层离化受主的分布,解释了发光强度在老化过程中的变化原因,认为在老化过程中的第一阶段,以有源层中的Mg-H化合物受热电子迁移影响分解形成为主,使P型层的离化受主浓度增加,复合几率增大从而增强了发光强度;在第二阶段,施主缺陷N空位形成增多,而Mg-H浓度较低制约受主浓度的增加,从而使非辐射复合中心增加,降低了发光强度。郑代顺等认为这些深能级缺陷由于对载流子有较强俘获作用而降低了器件的发光效率,而注入载流子的非辐射复合造成的晶格振动又导致了缺陷的运动和增加,从而使发光效率在老化过程中持续降低。G..Meneghesso等用EBIC显微镜观察了未老化样品和在100mA直流下老化500小时后LED的芯片形貌,发现了老化后产生的缺陷(见图3-1中的黑圈区域),认为老化后光通量的减少主要是由于老化造成的非辐射复合中心的增加。图3-1观察未老化样品与老化后LED的芯片形貌根据研究结果,科学家致力于改善芯片的衬底材料和外延制作工艺,减少缺陷和位错。采用失配度更小的衬底材料能减少生长带来的缺陷,有效改善芯片质量。目前普遍采用失配度较小的SiC衬底,取得了不错的效果。干法刻蚀工艺对可靠性有很大影响,刻蚀对芯片上侧壁的损伤会产生缺陷,使器件反向漏电流增加,降低发光效率和可靠性,常采用退火处理、化学溶剂处理和等离子体钝化处理的方法来减少损伤。薛松等的试验证明,经过等离子体钝化处理后的LED的反向漏电流明显减少。ZnSe基白光LED相比GaN基LED工作电压更低,发光波长更集中,因此具有更高的发光效率,但是寿命太短,制约了实际应用。微观的点缺陷被认为是导致ZnSe基白光LED快速老化的主要原因。这些缺陷主要是存在于P型层的ZnMgSe覆层中的HO能级(Ev+0.8eV)。Masahiro等通过试验发现HO能级的浓度对LED寿命有重要影响,认为HO能级在电应力作用下非常活泼,不断扩散和增长,最终形成可见的黑色缺陷,导致LED失效。Nakamura等通过在芯片引入i-ZnMgBeSe/p-ZnMgSe双层结构来取代常规的ZnMgSe单层结构,极大地改善了ZnSe基白光LED的寿命。3.2p型欧姆接触的金属电迁移和退化研究表明在老化过程中,大电流下P型欧姆接触的金属会沿着缺陷通道电迁移到达结区造成短路,从而导致了器件失效。这些缺陷通常是在用MOCVD技术外延生长GaN薄膜时,由于衬底材料失配度过大而形成的,以线位错为主。在电应力和热应力作用下接触金属沿位错线迁移到达结区,形成低阻抗的欧姆通道,增加晶格缺陷,造成LED结特性退化,光功率下降,主要表现为漏电流增加。目前大部分LED生长在不导电的蓝宝石衬底上,采用P型和N型电极制作在芯片同一侧外延层的侧面结构,靠近N型电极的电流密度非常大,导致在正常工作情况的小电流下也会发生接触金属电迁移。材料的缺陷密度和电流密度与发生电迁移的可能性成正比。对比了LED老化前后的电压随电流变化特性可发现老化后器件的寄生串联电阻增加,在相同的正向电压下正向电流减小。欧姆接触和P型GaN层的表面在热应力和电应力作用下退化,缺陷增多,会导致寄生串联电阻增加,使通过发光区的电流密度减小,光通量降低。因此,人们在满足发光要求的情况下改变电极的厚度和几何尺寸,设计了多种新型的电极,使电流分布更均匀。Kim等考虑了增大电流密度的同时减小正负电极间有效距离的情况,通过计算设计了优化的P型电极的几何形状,使电流扩展更加均匀,发热量更低,通过试验比较可看到其可靠性得到了很大提高。而用激光剥离技术生产的垂直结构氮化镓基LED可以大幅度改善电流均匀扩展问题。采用从背面出光的大芯片倒装结构,不仅没有不透明电极的阻挡,还可以淀积较厚欧姆接触层,有利于注入电流的测向扩展,提高发光效率。3.3散热不良导致电极缓慢或灾变性失效电极引线一般具有较强的承受电流冲击和震动能力,但是由于环氧树脂、电极引线与芯片材料的热膨胀系数有差异,在高温下产生的不同形变会导致引线断裂,造成灾变性失效。因此采用热系数接近的材料是有效提高使用寿命的方法。在封装过程中,材料不均匀或焊接质量不好都会造成电极通电不均,导致局部过热和接触断裂,加速器件失效。而芯片通电产生的高温会造成LED的发光效率急剧降低,电极损坏,环氧树脂老化加快。因此改善散热能力是目前提高LED可靠性最关键的问题。Tan和ShuYuan等在制作GaN基白光LED时,用激光剥离掉散热性不好的蓝宝石衬底,而用散热性更好的Cu衬底代替,散热性能得到了改善,电退火作用也改善了材料质量,从而提高光通量,明显增强了可靠性,如图3-2所示。硅衬底虽然失配度较大,但具有低成本、大面积、高质量、导电导热性能好等优点,普遍认为使用Si片作GaN薄膜衬底有可能实现光电子和微电子的集成,因此Si基GaN的研究受到了广泛关注。图3-2Cu衬底与蓝宝石衬底的LED光输出随时间变化曲线3.4封装材料热退化造成失效温度升高及蓝光和紫外线照射会使环氧树脂的透明度严重下降。Barton等研究发现150℃左右环氧树脂的透明度降低,LED光输出减弱,在135℃～145℃范围内还会引起树脂严重退化,对LED寿命有重要的影响。在大电流情况下,封装材料甚至会碳化,在器件表面形成导电通道,使器件失效。目前已推出了一种新型封装材料—硅树脂。这种材料抗热和抗紫外线能力更强,不会产生采用环氧材料导致的感光层变黄和分层问题,并且具有良好的机械特性,发光效率更高,使用寿命更长。3.5荧光粉的退化造成失效PN结高温会造成LED光谱波长的红移,而荧光粉在热效应下也会产生退化,从而导致荧光粉的受激发光光谱区跟芯片的发光光谱区不匹配,荧光粉吸收光而不发光的部分增加,荧光粉激发的光减少,从而导致失效。荧光粉的不透明性会造成光的大量散射,还会对光产生阻隔作用。现在采用的新技术可以制备实心球形YAG荧光粉。首先,球形荧光粉具有更高的堆积密度,不仅可以减少光的散射,获得较高的发光效率,还能显著降低荧光胶体的厚度,提高LED的亮度;其次,球形荧光粉具有最小的受逆面积,使不规则发光层最小化,因此具有较长的使用寿命。3.6静电导致器件灾变性失效由于大功率白光LED芯片内部串联电阻较低,在无静电防护情况下,人体等产生的静电通过LED放电,会导致LED局部击穿。特别是在生产过程中,LED灯需要经过多次的检测和运送,在这一过程中容易产生静电损坏LED。因此在生产过程、驱动电路和芯片中增加静电保护措施有利于提高大功率LED的使用寿命。Lumiled公司和丰田公司在其所生产的倒装型LED的芯片结构中加入二极管,从而基本上消除了静电的影响,如图3-3所示。图3-3Luxeon系列大功率LED的封装截面图4高功率LED器件的寿命特性研究目前，LED被广泛应用于显示和照明领域中。LED之所以能够在显示和照明领域中引起人们的广泛关注，两个最重要的原因就是寿命较长和能耗较低。一般来说，传统光源(如白炽灯和日光灯等)中使用的寿命指的是光源从开始发光到灾变性失效(即停止工作不再发光)的总共使用的时间。然而，LED光源与之不同，LED很少发生灾变性失效，但LED中的光输出会随着时间缓慢地衰减。其实，从表面上看，发光二极管仍在工作即不断地发光，但是当工作到某一定时间后，LED中产生的光不足以满足实际的应用。因此，LED的寿命指的是LED器件实际上能够产生足够的满足实际应用的光的总共时间，而不是指LED工作到完全失效的时间。针对这种情况，就有人给出了LED寿命的定义。有报道把光输出衰减70%所经历的时间定义为LED的寿命。然而，在发光二极管不发生严重的颜色漂移的情况下，通常人眼对于小于50%的光输出变化难以察觉。因此，也有把光输出衰减50%所经历的时间定义发光二极管的寿命。本论文中采用后一种定义。本文的寿命试验主要是分别通过加大电流应力和加大温度应力，掌握LED光输出随老化时间的衰减状况，进而推断其在正常工作条件下的寿命。同时通过老化前后LED器件的电学性能对比来研究其老化特性。4.1LED的光学特性参数用光谱分析仪对LED进行电致发光光谱的分析时，LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，可绘成一条分布曲线—光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长等相关参数亦随之而定。（1）峰值波长：无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最大处(光输出最大)，与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λ表示。只有单色光才有λ波长。（2）谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧±Δλ处，存在两个光强等于峰值(最大光强度)一半的点，此两点分别对应λ-Δλ，λ+Δλ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。其中半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40nm。（3）主波长：以等能白光E光源(x=0.3333,y=0.3333)为参照点，某颜色的色调与波长为λ的纯光谱相同，则λ称为该颜色的主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，随着LED长期工作，结温升高，主波长偏向长波。（4）光功率：表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。光功率为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光功率随之增大。LED向外辐射的功率—光功率与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。（5）光通量：光通量指人眼所能感觉到的辐射能量，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。光通量的单位为lm，常用Φ来表示。（6）发光强度：光源在给定方向上的一个很小的立体角元d内所包含的光通量d除以该立体角之商，即为光源在此方向上的发光强度：I=d/d（4-1）单位为坎德拉(cd)，lcd=llm/sr。一般光源在各个方向上的发光强度不是均匀分布的，按发光强度的实际分布以极坐标画出分布曲线。4.2计算LED寿命的方法通常计算LED寿命的方法有三种:普通条件外推法，温度加速寿命实验法和电流加速寿命实验法。1、普通条件外推法对LED进行老化时其发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。LED老化程度与外加电流的大小有关，可描述为（4-2）如图4-1所示，为老化t小时后的亮度，为初始亮度。通常把亮度降到1/2所经历的时间t称为LED的寿命。测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法：给LED施加额定工作电流，工作小时(其中=1000-10000)。先后测得和，将这些数据代入式4-2，求出τ；把=1/2代入公式4-2即可求出寿命t。但由于用普通条件外推法来计算LED的寿命时，测量周期太长，所以在实际测量中一般不采用这种方法。图4-1亮度随时间t的变化曲线2、温度加速寿命实验法半导体器件参数的退化是由于内部物理和化学变化引起的，当这种变化积累到一定程度时，器件失效，退化所经历的时间即产品的寿命。而温度可以改变物理、化学反应速率，故温度常用作寿命试验中的加速应力。反应速率与温度的关系常用Arrhenius模型描述，即（4-3）式中，M为敏感参数，这里指LED的光输出量，t为试验时间，dM/dt为光输出的衰减速率，A为常数，Q为激活能（eV），k是波尔兹曼常数，为0.8617×10eV/K，T为老化温度（K）。设M为光输出量的初始值，则式4-3化为（4-4）其中，=A/M。设试验温度不随时间变化，则对等式两边积分，得到（4-5）由式4-5可知，LED的相对光输出衰减量与老化时间成线性关系，设定义B为衰减系数，单位为，通过线性拟合，可以得到某老化温度下的衰减系数。当分别采用T、T温度进行老化时，可拟合得到B、B，于是（4-6）由式4-6可以求得LED器件的激活能Q，进而求得。最后，通过式4-5求出常温工作环境下LED器件的寿命。3、电流加速寿命实验法在高电流下工作的LED会产生更多的热量从而加速老化。正是由于这个原因，在大电流下工作而产生的快速衰减可为在正常工作电流下LED光输出的衰减建立数学模型。在大电流驱动下进行老化，LED的相对光输出与老化时间之间的衰减曲线是遵循指数衰减关系的。其具体关系式为：（4-7）其中y为相对光输出，α为衰减系数，t为以小时为单位的老化时间。对LED器件通一定的加速电流进行老化，得到相对光输出y与老化时间t之间的关系曲线。通过公式4-7对实验数据进行拟合就可以得出在该大电流老化条件下的衰减系数α。而衰减系数与驱动电流之间又符合指数关系：（4-8）其中C和β为常数，I为驱动电流。当采用不同的驱动电流进行老化时，就可以拟合出驱动电流与衰减系数的关系曲线，然后由式4-8求出LED在正常工作电流下的衰减系数，最后将得到的衰减系数代入式4-7，从而推算出LED器件在正常工作电流下的寿命t。4.3Cu衬底GaN基白光LED器件老化试验4.3.1LED器件结构及光电性能图4-2所示为老化试验所采用的LED器件的内部结构简图。LED采用Cu衬底的GaN基蓝光芯片，芯片表面及周围附有一层黄色荧光粉，荧光粉外面用树脂透镜封装，芯片上的电极通过金丝键合到引脚上，芯片热沉采用黄铜，外部采用Al基的金属线路板。芯片与黄铜热沉之间、黄铜热沉与Al基线路板之间都采用导热银胶连接，引脚与Al基线路板之间使用钎焊方式连接。此时LED的结构并不是最终的封装形式，实际工作时需要另外设计外部热沉结构。老化前，对LED器件的光学性能进行测试，测试设备采用远方公司的PMS-50光谱分析系统，如图4-3所示。测试时，环境温度为室温，测试电流为700mA。测得的光谱如图4-4所示，得到的光学性能参数如表4-1所示。表4-1LED器件光学性能参数图4-2LED器件的内部结构图4-3远方公司的PMS-50光谱分析系统图4-4LED的发光光谱图4.3.2LED器件老化试验为了使LED器件在工作时芯片结温与实际情况比较符合，将每个LED封装都固定在一块Al板热沉上，封装的Al基线路板与Al板热沉的连接界面填充导热硅胶，以提高散热效果。Al板热沉的尺寸都为6mm×6mm×0.8mm。装配好的LED结构如图4-5所示。图4-5用于老化试验的LED器件结构LED的工作电流为700mA，稳态时，正向电压为3.2V。25℃室温下，采用热电偶测得稳态时Al基线路板表面的温度为62℃，而其对应的模拟结果为61℃左右，二者非常吻合，如图4-6所示。此时，芯片的最高结温约为71℃，与实际应用情况比较接近。因此，采用此散热结构的LED进行的老化试验所外推出的寿命与其实际工作情况相符。图4-6LED器件的稳态温度场分布老化试验分为两种情况：（1）温度加速老化试验，老化温度设为100℃和120℃两种，工作电流为700mA，老化试样如图4-7（a）所示，主要用于寿命预测；（2）电流加速老化，加速电流设为1100mA、1300mA两种，环境温度为23℃～25℃，老化试样如图4-7（b）所示，主要用于研究其老化特性。图4-7正在进行老化试验的试样4.3.3LED器件寿命分析LED器件的寿命采用温度加速老化试验的结果来计算。老化过程中光通量的相对衰减量随老化时间的变化如图4-8所示，通过线性拟合，可得到100℃和120℃老化条件下的衰减系数B和B。拟合结果为B=2.653×10，B=5.64×10，由式4-6可求得LED器件的激活能Q为0.47eV。设LED器件的正常工作时环境温度为25℃，将以上所得的数据代入式4-5，得到LED正常工作下的寿命为7.47万小时，虽然比理论寿命低很多，但是比一般低功率白光LED器件的寿命（2~3万小时）却要高很多。当然，很多时候，LED器件要在比较恶劣的环境下工作，环境温度比较高。这里假设环境温度为60℃，则计算得到LED器件的使用寿命为1.09万小时，仍然达到万小时，说明其可靠性较高。图4-8光通量的相对衰减量随老化时间的变化4.4LED器件的寿命特性分析由于GaN外延层首先是生长在蓝宝石衬底上的，而GaN与蓝宝石衬底之间存在着较大的晶格失配和热失配，因此，在GaN外延层中将会产生大量的位错，以释放由于上述失配而造成的外延薄膜内较大的应力。高位错密度是造成LED器件老化的一个主要原因，它在很大程度上限制GaN器件的使用：位错会形成非辐射复合中心而降低LED的发光效率；位错作为散射中心降低了载流子的迁移率；位错还造成了P-N结的反向漏电流增大。人们通过I-V特性等手段对各种LED老化中缺陷的影响进行了一些研究：据报道，反向漏电电流的空间分布是很不均匀的，且对肖特基势垒高度的变化不敏感，猜测反向漏电电流的通道主要是螺旋位错和混合位错；用TEM显微镜和X射线的能量散射谱技术(EDS)得到了直接的证据，证明高温下金属沿螺旋位错的移动和扩散导致I-V特性中产生欧姆短路：老化会导致非辐射复合中心增加，表现在I-V特性上为正向曲线的小电流段上移。100℃和120℃老化下LED器件的I-V特性曲线随老化时间的变化如图4-9和图4-10所示。通常，典型的LED的I-V特性曲线的正向分为三段：Ⅰ段是串联电阻效应区域；Ⅱ段是扩散电流区域；Ⅲ段是和位错有关的隧道电流区域。在还没有老化的I-V特性曲线中，只有Ⅰ段和Ⅱ段，Ⅲ段不明显，原因是这时的位错密度很低；在中度老化的I-V特性曲线中，有很明显的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ段，这时位错的密度已经比较高了；到了深度老化的I-V特性曲线中，第Ⅲ段升得很高，使第Ⅰ、Ⅱ段都变得不明显了，这时位错密度已经变得非常高，白光LED面临失效。图4-9100℃老化下不同老化时间后的LED器件的I-V特性曲线图4-10120℃老化下不同老化时间后的LED器件的I-V特性曲线两种温度老化下的LED器件的I-V特性的正向虽然也出现典型的三段，但老化时间没有足够到使LED产生大量的光衰，因此均未出现深度老化现象。与老化前样品的I-V特性曲线相比，随着老化时间增加，Ⅲ段的隧道电流先是显著增加，之后增长缓慢，Ⅱ段在老化过程中基本保持不变。随着电压升高，即当LED处于串联电阻效应区域工作时，对于100℃老化的试样Ⅰ段基本没有变化，而120℃老化的试样Ⅰ段略有下降。从整体上来看，I-V特性曲线的变化很小。以上现象的产生归因为有源层中新缺陷的产生，产生的缺陷增加了有源层中非辐射复合的几率，从而导致了额外的电流部分，即I-V特性曲线中的低电压区域的电流。在高电压区域中，由于辐射复合占主导地位，和位错有关的隧道电流不明显，因此电流基本保持不变。而120℃老化时Ⅰ段有所下降，这可能是由于老化温度较高，欧姆接触的表面在高热应力下退化，缺陷增多，从而导致寄生串联电阻增加。

结论对于LED灯具寿命的测试可得知，LED寿命与工作的环境息息相关，不同的工作环境下可影响LED的老化速度；(a)将大功率LED灯具在高温a1摄氏度、电压U1伏下工作t1小时；(b)将大功率LED灯具在常温a2摄氏度、电压U2伏下工作t2小时；(c)将大功率LED灯具在低温a3摄氏度、电压U3伏下工作t3小时；(d)测试LED灯具的光衰及色坐标,将光衰或色坐标变化较大的LED灯具剔除；过程(a)-(d)总耗时小于96小时。有益效果是：将老化与高低温试验同时进行,减少了时间,加快了生产速度。LED灯具寿命测试系统,能在较短时间内对LED灯具的寿命作出评价；包括：测试箱、信号处理计算机；测试箱内设置有实时冷热温控系统、光探测系统和LED安装供电系统；实时冷热温控系统和光探测系统与信号处理计算机电连接。利用实时冷热温控系统可确保系统工作在设置的恒温环境下；采用将一段时间内采集到的光和温度信号传回信号处理计算机进行软件处理作出灯具寿命评价的测试方式,缩短了LED灯具寿命测试的时间。用ＬＥＤ老化检测筛选设备及其检测筛选方法，设备通过动力装置驱动推杆令各夹板压向对应的ＬＥＤ排的形式，令与对应的ＬＥＤ负极管脚与对应的负极触点片接触，实现ＬＥＤ的通电，同时利用ＰＣ机实现ＬＥＤ的检测筛选。在整个老化过称中，保持电路控制系统输出的额定电压为２４Ｖ，额定电流输出为５０ｍＡ，输入到ＬＥＤ的电流和电压可调，提供额定电流、额定电压对ＬＥＤ老化的时间为２０ｍｉｎ－６０ｍｉｎ；通过老化可把电性和工艺存在隐患的ＬＥＤ排除，老化完毕后，动力装置停止作用于推杆，各夹板通过复位弹簧的作用力回复到初始位置，从而实现ＬＥＤ的检测和把有缺陷的ＬＥＤ排除。总之不同工作环境下的工作温度、工作湿度、工作电压等都能严重影响到LED的老化速度，从而影响到LED的工作寿命，通常在出场允许的额定的工作环境下，LED工作时间会大大增加，而长时间的工作或者过高过低工作温度、工作湿度、工作电压都会加速LED老化，减少缩短LED的寿命。

参考文献[1]W.Y.Ho,CharlesSurya,etal.StudiesofHighDCCurrentInducedDegradationinIII–VNitrideBaedHeterojunctions[J].IEEETransonElectronDevices.2000,47(7):1421-1425.[2]F.Rossia,N.Armania,G.Salviatia,etal.TheroleofMgcomplexesinthedegradationofInGaNbasedLEDs[J].SuperlatticesandMicrostructu-res.2004,36:859–868.[3]F.Manyakhin,A.Kovalev,A.E.Yunovich.AgingMechanismsofInGaN/AlGaN/GaNLight-EmittingDiodesOperatingatHighCurrents[J].MRSInternetJournalofNitrideSemiconductorResearch.1998(3):53.[4]ZHENGDaishun,QIANKeyuan,LUOYi.LifeTestandFailureMechanismAnalysesforHighpowerLED[J].SemiconductorOptoelectronic.2005，26(2):87-127.[5]Meneghesso,S.Levada,E.Zanonietal.FailureModesandMechanismsofDC-AgedGaNLEDs[J].phys.stat.sol.(A).2002,194(2)