功率型发光二极管的寿命与失效分析_钱可元_图文

1、收稿日期:2010-12-27.基金项目:国家 863 计划项目(2008A A03A 194 ; 广东省发展平板显示产业财政扶持资金项目(20x 80902 ; 深圳市产学研和公共科技专项资助项目(08CXY -14, SY 200806300244A ; 深圳市南山区科技研发资金资助项目(2009003 .光电器件功率型发光二极管的寿命与失效分析钱可元1, 刘洪涛1, 2, 纪春绍3(1. 清华大学深圳研究生院半导体照明实验室, 广东深圳518055; 2. 上海飞机设计研究院, 上海200235; 3. 山东省肿瘤医院, 济南250001摘 要: 可靠性是影响发光二极管应用的一个重要因素

2、。对1W 大功率发光二极管分批在不同电流及不同结温下进行试验, 分析了电流和结温对功率型发光二极管寿命的影响, 应用应力加速模型推测在不同电流或结温条件下发光二极管的寿命, 同时研究了试验过程中发光二极管的光电性能的变化, 探索其失效机理, 为功率型发光二极管的应用提供参考。关键词: 功率型发光二极管; 可靠性; 性能退化中图分类号:T N312. 8 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2011 03-0331-05Analysis of the Degradation of High Power Light Emitting DiodeQIAN Key uan 1, LIU H

3、ong tao 1, 2, JI Chunshao 3(1. Semiconductor Lighting Laboratory, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, CHN;2. Shanghai Aircraft Institute, Shanghai 200235, CHN; 3. Shandong C ancer Hospital, Jinan 250001, C HNAbstract: Reliability play s an important ro le in the applic

4、ation of light em itting dio de. T w o life tests ar e conducted to co mpar e the r espective effects of driv e curr ent and junction temperature on the lifetim e of 1W pow er LED. Current accelerated pr edictio n and temperature accelerated predictio n models ar e intr oduced to predict the lifetim

5、 e under other conditions w ith different drive current o r junction tem perature. The variatio n of the photoelectric pr operties through the ex periment is analyzed to find the mechanism of degradation. These results can be review ed in the application of LED.Key words: pow er LED; reliability ; p

6、roperty deg radation0 引言目前功率型白光发光二极管的效率已经远超过荧光灯, LED 的使用寿命成为了影响其应用的一个重要因素, 寿命反映了发光二极管的可靠性。发光二极管的寿命与其工作状态有关, 结温或电流的增加会加速发光二极管的老化。失效原因可分为发光芯片老化和封装材料性能的退化两个方面1 2。小功率发光二极管的失效主要归结为封装树脂性能的退化3, 大功率发光二极管采用抗老化的硅树脂封装, 封装材料退化有所减小。由于发光芯片及封装等的质量不同, 不同发光二极管的寿命相差较大, 我们通过实验对目前一些商用功率型发光二极管进行了老化试验, 分析了寿命与老化条件的关系, 最终可

7、以预测在不同条件(电流、温度等 下器件的寿命, 同时对老化过程中发光二极管的电性能及光性能的变化进行了分析, 初步探讨了功率型发光二极管的失效机理。1 实验模型及分析方法发光二极管的失效表现为突变失效和缓变失半导体光电 2011年6月第32卷第3期钱可元等: 功率型发光二极管的寿命与失效分析效, 突变失效主要由静电击穿、金线断裂、固晶材料老化等引起, 缓变失效的原因比较复杂, 包括荧光粉及芯片的物理失效。在此, 我们只对功率型发光二极管的缓变失效进行分析。1. 1 性能退化模型针对性能退化过程的模型有界限模型、耐久模型、应力 强度模型、反应速度论模型等, 发光二极管的缓变失效是物理或化学层次上

8、的失效, 适合用反应速度论模型4来分析。反应速率论模型认为器件性能的变化有与化学反应类似的机制, 具有一定的反应速率, 反应速率的大小取决于温度等应力:d t=-R (T , S 1, S 2, M 式中, t 为时间, M 为元件性能的表征量, R (T, S 1, S 2, 是在应力为T, S 1, S 2, 时的反应速率。因此可以得到过程中表征量M 的变化:M =M 0e -R(T, S 1, S 2, tM 以指数形式衰减, 可以定义性能表征量M 0衰减到 M 0经历的老化时间 =-R作为寿命。可以看出在反应速率模型中寿命是反应速率的导数, 常用的反应速度论模型有A rrhenius

9、模型和Eyring 模型。Arrhenius 模型是19世纪由A rrhenius 从化学实验的经验总结出来的, 认为反应速率与激活能的指数成反比, 与温度倒数的指数成反比, Arrhenius 的反应速率公式为R(T =A e -E a /kT式中, R(T 为温度T (热力学温度 时的反应速率, E a 为该反应的激活能, k 为波尔兹曼常数。由Arrhenius 反应速率公式可以得到在只考虑温度应力情况下器件的寿命 =-Ae E a /kT 。Arrhenius 模型只考虑了温度应力对性能退化的影响, 没有考虑其他应力的影响。Eyring 模型克服了这一缺点, 它综合考虑了多个应力对性能

10、退化的影响, 其反应速率可以表示为R (T, S =R 0f 1f 2其中, T 为温度应力, S 为非温度应力, R 0=A T e-E a/kT为只有温度应力存在时的Ey ring 反应速率, 修正了Ar rhenius 模型中的表达式, f l =e CS 是考虑非温度应力存在时对能量分布的修正因子, f 2=e DS /kT 是考虑非温度应力存在时, 对激活能的修正因子, A 、C 、D 是待定常数。表征量M 0衰减到M 0经历的老化时间即寿命为=-A T e E a /kT e -(CS+DS /kT =-A T e E a /kT e -a S式中, a =C +D /kT 。在测

11、试寿命的试验中, 常常对一定时间的数据进行拟合, 预测得到性能特征量的变化, 从而得到器件的寿命, 这样可以缩短试验的时间。即便如此, 在有的应力条件下性能衰减非常缓慢, 短时间内(如2000h 的数据变化不能有效推断寿命值, 这时必须加大应力, 提高加速老化速率R , 推断出恒定大应力下器件的寿命, 然后根据寿命与应力的关系式推断出小应力老化时器件的寿命, 这一关系式可以是Arr henius 模型或Eyr ing 模型。1. 2 加速老化模型与寿命分析方法在功率型发光二极管应用中, 影响寿命的两个主要应力是温度和电流, 因此本试验中将利用温度和电流两个应力分别对器件进行加速老化, 分析寿命

12、分别和温度、电流的关系。只考虑温度时可以使用A rrhenius 模型:=-Ae E a /kT只考虑温度和电流时Eyring 模型中 S 可以表示为 ln I5, Eyring 模型简化为R(T , I =AT e -E a /kT e ln I =ATIe-E a/kT=AT- e E a /kT =BI -B =ATeE a /kT加速老化试验可以选择温度或电流加速老化。温度加速老化时, 选择两个以上不同温度T , 1T 2进行老化试验, 得到两个不同温度下的寿命, 根据Arr henius 模型中寿命与温度的关系可以拟合得到反应的激活能E a 及系数-A , 由此推断出其他温度下的寿命

13、; 电流加速老化时, 同样在相同温度下选择两个以上不同的电流I 1, I 2进行试验, 拟合得到Eyr ing 模型中系数B 及指数 , 其他电流下的寿命也可由表达式推出。2 实验测试及结果分析2. 1 试验安排实验中选取某公司生产的1W 商用发光二极管, 分为两批, 一批在恒定电流350mA 、结温分别为60、70和90 的条件下老化, 另一批在恒定结温60、电流分别为350、550和750mA 的条件下老化。实验前还必须知道发光二极管的热阻, 我们采用自行研发的结温测试仪对发光二极管的结温进行测量6 9, 得到其热阻为9K/W 。因此可以计算出要达到给定结温时底座的温度, 如表1。表1 底

14、座温度分布批次电流/mA 结温/ 底座温度/第一批350605135070613509081第二批350605155060437506034设定温度控制器的温度, 控制发光二极管在一定的结温条件下老化, 间隔约200h 测试记录LED 的光电性能, 得到不同应力下发光二极管的性能衰减数据。2. 2 结果与数据分析2. 2. 1 发光效率在老化过程中的变化对两批功率型发光二极管老化2600h 时, 老化过程中发光二极管的电性能如V I 特性、C V 特性, 光性能如光通量、光谱分布、配光曲线, 热性能如热阻等都可能发生变化, 为此实验过程中每隔适当时间记录发光二极管光通量与电流相关特性、350m

15、A 时的光谱分布、配光曲线、热阻等性能参数, 下面将对老化过程中各性能参数的变化进行分析。老化过程中, 光通量随时间衰减, 图1是350mA, 60 、70 、90 条件下发光二极管光通量数据。根据反应速度论模型, 发光二极管的光通量以指数形式衰减, 指数拟合光通量数据, 可以得到衰减曲线。图1是工作电流在350mA 时发光二极管不同结温下的光通量变化, 发光二极管的光通量与电流有关, 不同电流下光通量随时间变化的趋势不尽相同, 图2为350mA 、60 条件下老化的发光二极管电流 光通量特性(发光效率 随老化时间的变化。可以看到, 从开始老化的前141h 内发光二极管在电流0150mA 内的

16、发光效率有所提高, 这可归因于发光芯片的退火效应, 退火效应改善了器件p GaN 层的性能, 提高了发光效率。从图中可以看到小电流下发光效率提高较大, 退火效应的影响比大电流区明显。退火效应的作用只发生在老化前期, 器件性能越好, 作用时间越长。目前高质量的芯片退火效应作用期可达1000h 。从电流 光通量曲线可以看到, 芯片的发光效率在小电流区域随电流增大而增大, 这时非辐射复合已经饱和, 辐射复合随电流的增大占有更大的优势, 电子转化为光子的几率不断增大, 当电流达到一定值时发光效率达到最大值, 而后由于电流增大带来的热效应, 非辐射复合迅速增大, 发光效率降低, 有源区载流子饱和效应也限

17、制了辐射复合的发生, 发光效率随电流增大而减小。因此相同结温时小电流工作时发光效率比大电流发光效率高, 这也是小功率芯片相对大功率芯片的优势所在。2. 2. 2 光谱在老化过程中的变化老化后期光通量随老化时间不断减小, 光通量减小可能源于芯片发光效率的降低或荧光粉的退化, 图3是350mA 、60 条件下发光二极管发光光谱在老化过程中的变化。从图中可以看到, 在老化过程中, 波长在400470nm 内的蓝光光谱段能量密度没有太大的变化, 这段光谱是发光芯片的光谱, 这表明发光芯片在老化过程中性能退化很弱。光通量的减小主要由470800nm 间波段的能量密度降低引起, 这一段是荧光粉的辐射波段,

18、 因此可以推断该发光二极管的性能退化主要由荧光粉退化引起, 这是这批发光二极管性能退化比较严重的主要原半导体光电 2011年6月第32卷第3期钱可元等: 功率型发光二极管的寿命与失效分析因。光谱变化不仅表现为光通量的减小, 还会引起发光颜色的变化。图4是该发光二极管老化过程中色坐标的变化, 由于荧光粉产生的黄光波段能量密度减小, 在光谱中所占比例有所下降, 色坐标将向蓝光区域偏移, 色温增大。在应用中, 颜色的变化会引起人的视觉效果的变化, 因此颜色稳定性也是发光二极管性能的一个 重要方面。图5 色温在老化过程中的变化2. 3 功率型发光二极管的寿命分析老化过程中发光二极管的发光性能将不断退化

19、, 光通量将不断减小, 如图1所示。在不同应力条件下, 光通量的衰减速率是不同的, 因此表1中的6类条件下发光二极管有不同的衰减速率。根据上述反应速度论模型的分析, 光通量将以指数形式衰减, 衰减速率为反应速率R (T , S 1, S 2, , 以 定义的寿命 =-R。研究认为光强衰减至70%时人眼会有明显的察觉, 我们定义光通量衰减至70%的时间为发光二极管的寿命, 根据拟合的衰减曲线可以推断出不同温度下发光二极管的寿命 70%表2 不同应力条件下的寿命批次电流/mA 结温/ 70%/h 第一批350606162350705113350904531第二批350606618550605268

20、750604641第一批发光二极管具有不同的结温, 随着温度的增大, 寿命减小。1. 1 中Ar rhenius 模型简述了寿命和温度间的关系, 对不同结温下的寿命数据进行指数拟合, 可以得到寿命随温度的变化曲线(如图6 : 70%=145. 2e 1239/T, 可以得出这类发光二极管的性能退化的激活能E a 为1239K, 并且可以预测其他温度下发光二极管的寿命, 如T =30 时寿命70%=8667h 。在失效的主要原因一致时, A rrhenius 模型可以有效地预测发光二极管的寿命, 1239K 为退化的激活能。Arr henius 模型得到的拟合曲线和实际的数据有一定的偏差, 这可

21、能与失效主要原因的变化有关, 同时, Arrhenius 模型对温度因素的考虑可能不完全, 精确拟合需要使用其他更为准确的模型。图6 L ED 不同结温下的寿命(工作电流为350mA 第二批发光二极管具有不同的电流, 1. 1中从Eyr ing 模型中得到 =B I -, 根据这一模型对数据SEMIC ONDUC TOR OPTOELECTRONIC S Vol. 32No. 3June 2011进行拟合, 结果如图7 。图7 60 结温下不同工作电流时的寿命从图7中的拟合曲线可以看到试验数据与由Eyring 模型推出的电流 寿命关系非常符合, 拟合得到寿命方程 70%=10243I -0.

22、46, 根据这个公式可以推测出其他电流情况下芯片的寿命, 可以看出电流的增大会使寿命减小, 然而从光谱可以看出, 芯片发光性能退化在老化过程中有限, 主要变化仍是来自荧光粉的退化。上面我们从试验中推断出了寿命与结温和电流的关系, 根据这些关系式推断出E a =1239K, =0. 46, 将这两个参数代入到Eyring 模型中可以得到 =A T I -0. 46e 1239/T , 这样可以根据一定条件(电流、温度 下LED 的寿命推导出其他条件下LED 的寿命, 当然这一模型只能在一定条件范围内适用, 因为条件相差太大时LED 老化的主要原因可能不同, 经验公式中的参数值也不同。3 结论本实

23、验通过对LED 外加一定应力情况下进行老化实验, 得到了不同应力下功率型发光二极管的寿命, 应用反应速率模型推断出发光二极管的寿命随温度或电流的变化。分析了发光二极管的光电性能, 分析了发光效率随电流的变化, 同时分析了老化过程中发光二极管光性能的变化, 发现光谱中黄光波段(荧光粉辐射波段 的能量密度在老化过程中衰减比较严重, 发光芯片对应的蓝光波段能量密度密度没有明显的变化, 由此推断出此批器件的失效原因主要为荧光粉的退化。发光二极管的色坐标在老化过程中往短波长区偏移, 色温升高, 老化过程中颜色变化较严重, 因此颜色稳定性也是发光二极管可靠性的一个重要方面, 实验的结果对改进功率型发光二极

24、管的性能有指导意义。参考文献:1 Nar endran N , Gu Y. Life of LED based w hite lig htso ur cesJ. J. Display T echnol. , 2005, 1(1 :167 171. 2 Pavesi M , M anfr edi M . O ptica l evidenceofan electro ther mal degr adat iono fInGaN basedlig htemitting dio des dur ing electrical stress J . Appl. Phys. L ett. , 2004, 84(17 :3403 3405.3 Bart on D L, Osinski M. Deg radation mechanisms inGaN /