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苏州市科技计划项目 纳米技术专项 解析LED光通量衰减图 苏州新纳晶光电有限公司2012年6月21日 老化曲线 三个过程 1 正常工作时缓慢老化的过程 这个过程的长短决定了LED寿命的长短2 失效前迅速老化的过程 这个过程是由积累的效应导致的 突然出现的严重降低LED发光性能的机制3 失效后的阶段 这时候一部分LED已经熄灭 另一部分则很长时间保持微弱的发光 LED寿命 其光通量变为初始值的一半时所经过的时间 温度加速寿命实验法 比较两幅图 图2荧光粉荧光强度随时间的变化曲线 阶段1 0 246h荧光粉的荧光强度衰减了14 2 阶段2 246 400h时段荧光强度回升至初值的91 4 即277h附近 阶段3 400h 试验结束 荧光强度没有太大变化 荧光粉在光照作用下 荧光强度出现先降后升然后稳定的现象 跟白光LED的衰减相吻合 图1小功率白光LED寿命图 阶段1的衰减 解释了封装好的白光LED初期的衰减比蓝光LED快的原因 经过阶段2的回升期 荧光粉的荧光强度基本稳定 图1的 所示的样品Y R与样品B的衰减也趋于一致 说明400h后 荧光粉的衰减已经不是LED衰减的主要原因 老化过程中光通量出现增加的现象 光通量出现增加的现象 与荧光粉有关 LED在老化过程中同时存在两种矛盾机制 即光输出增加机制和衰减机制 LED光通量增加机制 这是由于在老化前期 基体的P型掺杂层Mg H络合物分解产生激活的Mg 使受主浓度增加 引起P型层电导率上升 正向电压下降 另一方面也使少数载流子的复合概率增加 从而增强了光输出 此后 随着杂质能级和非辐射复合中心的增加 老化过程中出现了很多新能级 导致光输出下降 从而出现光通量增加和衰减两种现象 但是 目前国内绝大多数文献都没有提到 偶尔发现 对白光LED使用或老化一段时间 发现LED更亮了 即光通量增加 目前 这种状况对于小功率LED 一般在1000h内发生 这里指1000h的光通量可能还大于初始值 对于大功率封装LED 这种状况可能维持到2000h 这种状况产生的可能原因 1 荧光粉和混合胶作用 使荧光粉的性能下降 在温度的初期作用下 使荧光粉的性能恢复 2 荧光粉和混合胶作用 使荧光粉的性能提高 3 蓝光芯片的初始一段时间性能有增强可能是瞬时效应 电 暂态效应的影响 导致光通量衰减在开始时出现一个hump100小时光通量增加是正常的 好一点的LED一般在3000内都有可能光通量增加 LED的光通量并不是一开始点亮就会达到最高点 如一台新的汽车一样 要开一段时间后才会达到最佳状态 除非温度降到零度以下才有可能增加 也有可能是电路的原因 温度升高了影响了电路工作状态导致电流增加了 散热处理得比较好 第一位 荧光粉在较高温度下的性能衰退第二位 蓝光LED自身的快速衰退第三位 LED封装底座 支架 材料的导热不良第四位 封装的其他材料引起光衰退第五位 封装工艺引起光衰退 虚焊 粘片的胶太厚 胶体中含有水汽 气泡 杂质 虚粘等 都会增加热阻及电阻 紫外辐射对LED的影响是微弱的 长期的 白光LED光衰的原因 LED的伏安特性 表明经过一段时间点亮的LED的内阻增大了 芯片的P型欧姆接触产生退化 只是由于欧姆接触和P型GaN的表面在热应力和电应力作用下退化 缺陷增多 从而导致内阻增加 因此 通过发光区的电流密度减小 光通量降低 LED结温是指pn结区的温度 通常被理解为LED芯片的温度 当结温上升时 LED的发光波长变长 颜色发生红移 对于一个LED器件 发光区材料的禁带宽度直接决定了器件发光的波长或颜色 当温度升高时 材料的禁带宽度将减小 导致器件发光波长变长 颜色发生红移 过高的结温导致覆盖在芯片上的荧光粉发生降解 使得荧光粉的量子效率降低 LED光通量衰减机制 LED光谱线的主峰随着点亮时间的延长 在点亮100 150h后 主峰开始向长波长方向缓慢移动 激发主峰逐渐下降 光通量总体呈不断下降趋势 在下降过程中也偶有上升 这表明光量子的能量有少许下降 伴随这一过程的发生 光通量呈下降之势 这极有可能是在点亮初期在禁带中仅存在少量的杂质和缺陷 而后在点亮过程中不断有新的杂质和缺陷产生 它截获了越来越多的有效电子 使光强下降 从LED的正常使用看 影响LED寿命的最主要的因素就是热 热量的来源 有材料正常的电阻在通电时产生的焦耳热 PN结产生的热 还有工艺中带来的寄生电阻产生的焦耳热 还有光被吸收后产生的热 热量的积累使得温度升高 温度升高使得芯片的性能衰退 材料老化 变性 现在小编就带大家分析一下白光LED光衰原因之荧光粉性能的衰退 如果将白光LED的芯片上涂一层薄荧光粉 然后分析比较两种器件的光线在器件内部的行程 就会发现蓝光LED的光线直接透过环氧树脂射出 而白光LED器件由于表面存在荧光粉层 一部分光线直接射出 一部分光线射向荧光粉颗粒 荧光粉颗粒除了将部分蓝光转换为黄光之外 由于光线还有各向同性的散射作用 因此造成荧光粉层附近的短波长光辐射和热量高度集中 这样荧光粉层附近的环氧树脂更容易发生 黄变 这对白光LED的衰减也会有影响 如图2所示 在实验时 点亮电流均为20mA 测试电流也为20mA 环境温度 测试仪器都一样 结果白光LED比蓝光LED的光通量衰减要快 如图1所示 由于两组器件的差别在于白光LED的封装中添加了荧光粉 人们很自然就会想到是否因为荧光粉衰减而导致白光LED的衰减加速 图1白光LED和蓝光LED衰减的比较 如果是荧光粉衰减 那么必然会出现由荧光粉激发出的波长峰值为570nm的黄绿光衰减 从而导致白光LED的色度坐标向蓝色调方向变化 即色度坐标值减少 经过测试 实际结果却表明白光LED器件的色度坐标反而向黄色调方向变化 因此 可以认为荧光粉不是造成白光衰减加速的主要因素 持这种观点的人认为 与普通LED相比 蓝光 白光LED的不同之处在于发光的波长较短 环氧树脂在吸收短波长的光辐射后会氧化 继而形成色团 此外 环氧树脂还会因受热而变化 称为 黄变 从而造成短波长的光穿透率下降 这种现象对红光LED不构成影响 但对蓝 白光LED影响较大 这是蓝光 白光LED衰减较快的一个重要原因 引起白光LED快速衰减的原因 荧光粉的探讨 同一种蓝光芯片激发不同杂质的荧光粉 将导致发射不同的黄光波长 因此混合而成的白光也有不同的衰减 这说明荧光粉衰减是占主要的因素 图3三种不同发射波长的光通量随时间的变化 选用同一种芯片和同一种荧光粉 调配的胶和浓度都一样 而涂在蓝光芯片上的荧光粉厚度不一样 这样进行实验 发现涂较厚的荧光粉比涂较薄的荧光粉的芯片 其白光衰减较快 如图4所示 图4芯片的荧光粉涂层厚度不同 其光通量随时间的变化 综上所述 引起白光LED的衰减有多种原因 要根据实际情况进行分析 然后再用实验去证实 一 晶片对白光LED光衰的影响 晶片对光衰的影响分为两大类 第一是晶片的材质不同导致衰减不同 目前常用的蓝光晶片衬底材质为碳化硅和蓝宝石 碳化硅一般结构设计为单电极 其导热效果比较好 蓝宝石一般设计为双电极 热量较难导出 导热效果较差 第二是晶片的尺寸大小 在晶片材质相同时 尺寸大小不同衰减差距也不同 二 固晶底胶对白光LED光衰的影响 在白光LED封装行业中通常用到的固晶胶有环氧树脂绝缘胶 硅树脂绝缘胶 银胶 三者各有利弊 在选用时要综合考虑 环氧树脂绝缘胶导热性差 但亮度高 硅树脂绝缘胶导热效果比环氧树脂稍好 亮度高 但由于硅成分占一定比例 固晶片时旁边残留的硅树脂与荧光胶里的环氧树脂相结合时会产生隔层现象 经过冷热冲击后将产生剥离导致死灯 银胶的导热性比前两者都好 可以延长LED芯片的寿命 但银胶对光的吸收比较大 导致亮度低 对于双电极蓝光晶片在用银胶固晶时 对胶量的控制也很严格 否则容易产生短路 直接影响到产品的良品率 三 荧光粉对白光LED光衰的影响 市场最主流的荧光粉是YAG钇铝石榴石荧光粉 硅酸盐荧光粉 氮化物荧光粉 与蓝光LED芯片相比荧光粉有加速老化白光LED的作用 而且不同厂商的荧光粉对光衰的影响程度也不相同 这与荧光粉的原材料成分关系密切四 荧光胶水对白光LED光衰的影响传统封装的白光LED 荧光胶一般采用环氧树脂或硅胶 经过光衰实验的结果得出 用硅胶配粉的白光LED寿命明显比环氧树脂的长 原因之一是用以上两种方法封装成品LED 硅胶比环氧树脂抗UV能力强且硅胶散热效果比环氧树脂好 但在相同条件下 用硅胶配粉的初始亮度要比环氧树脂配粉的要低 最主要是由于硅胶的折射率 1 3 1 4 比环氧树脂 1 5以上 低 所以初始光效不及环氧树脂高 五 支架对白光LED光衰的影响LED支架主要有铜支架和铁支架 铜支架导热 导电性能好 价格高 而铁支架的导热 导电性能相对较差 更容易生锈 但价格便宜 市场上的LED大部分使用铁支架 不同材料的支架对LED的性能影响也不同 特别是对光衰的影响尤为突出 这主要是由于铜的导热性能比铁的好很多 铜的导热系数398W m k 而铁的导热系数只有50W m k 左右 仅为前者的1 8 还有支架的电镀层厚度也密切相关 在选用支架时 还要注意支架的碗杯大小是否与发光芯片以及模粒匹配 其匹配质量的优劣 直接影响白光LED的光学效果 否则容易造成光斑形状不对称 有黄圈 以及黑斑等 直接影响到产品的质量 白光LED的衰减主要是由蓝光LED的衰减以及荧光粉的淬灭引起 在散热条件足够理想的情况下 白光LED的衰减主要是由蓝光衰减引起 而随着系统温度的提升 荧光粉的衰减将加剧白光LED的衰减LED光通量衰减因素 各种缺陷的反作用和运动 晶体中性区域内带点点缺陷的移动 缺陷的准化学反应 子部件性能的衰减 封装材料的热衰减 散热技术和散热材料 金属的氧化腐蚀反应 荧光粉的性能衰退等 半导体行业发展白光LED产业和推动白光LED应用过程中 需要采取对策减小蓝光芯片本身的衰减 提高器件的散热性能 改善应用产品的散热结构 并降低荧光粉的温度淬灭效应 LED亮度与外加电流密度有关 一般的LED JO 电流密度 增加BO 亮度 也近似增大 另外 亮度还与环境温度有关 环境温度升高 c 复合效率 下降 BO减小 当环境温度不变 电流增大足以引起pn结结温升高 温升后 亮度呈饱和状态 LED亮度与外加电流的关系1 P UI 前提为同一小灯泡 或者两个电阻相同的小灯泡 当电压不变时 电流越大 功率越大 小灯越亮当电流不变时 电压越大 功率越大 小灯越亮2 P U R 前提为电流相等 当电压不变时 电阻越小 功率越大 小灯越亮当电阻不变时 电压越大 功率越