錢可元，劉洪濤
清華大學(xué)深圳研究生院 半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室，深圳 5180558，
清華大學(xué)深圳研究生院 半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室，深圳 5180558，
摘要：LED道路照明燈具是LED照明產(chǎn)品中請求最嚴(yán)格的產(chǎn)品之一，系統(tǒng)的可靠性是影響LED道路照明燈具利用的一個(gè)重要方面，而LED光源的可靠性則是制約燈具壽命的關(guān)鍵因素。通過對LED光源的熱阻分析及失效機(jī)理 分析，摸索評判LED光源器件可靠性得方法，找出制約實(shí)際LED產(chǎn)品壽命的關(guān)鍵點(diǎn)為設(shè)計(jì)高效高可靠LED道路照明系統(tǒng)供給參考。
關(guān)鍵詞：功率型發(fā)光二極管，可靠性，性能退化
1. 引言
近年來，在戶外照明范疇，新型LED路燈正引起眾多產(chǎn)業(yè)界和投資者的關(guān)注，全國有數(shù)百家企業(yè)推出了各自的LED路燈產(chǎn)品，幾乎各個(gè)城市都有或多或少的LED路燈已經(jīng)安裝到城市的干道上。然而在眾多的產(chǎn)品序列中，良莠不齊，一些產(chǎn)品仍欠完善，其中標(biāo)題最大的是LED路燈的整體可靠性。LED道路照明系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)照明燈具，相對要復(fù)雜得多，影響整體可靠性的因素也多。參見圖（1）。
在研究其系統(tǒng)可靠性時(shí)必需考慮其固有的特點(diǎn)。
1. 光源模塊本身的技巧指標(biāo)受多種因素的制約
2. 光源模塊的參數(shù)離散性很大
3. 器件可靠性對散熱的依附性極大
4. LED的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)落伍于LED光源
在眾多因素中，LED發(fā)光器件本身的性能指標(biāo)無疑是決定燈具光效、壽命等性能的最重要部件，也是目前最受人關(guān)注的研究方面。
為了改良性能和提高可靠性，我們對影響LED發(fā)光器件可靠性的重要因素進(jìn)行分析研究，初步探討了LED光源的失效機(jī)理。
2. LED芯片的固晶熱阻分析
固晶熱阻是芯片與基座間的固晶層引進(jìn)的熱阻，對芯片的散熱后果有很大影響，是總的封裝熱阻的重要組成部分，目前對不同材料的固晶熱阻的分析一直停留在數(shù)值仿真階段[11] [12]。現(xiàn)有的熱阻測試設(shè)備并無法區(qū)分各部分引進(jìn)的熱阻，而實(shí)際工藝中往往需要對固晶熱阻進(jìn)行評價(jià)，為此，我們從前向電壓法出發(fā)研制的動(dòng)態(tài)結(jié)溫測試方法，能有效地分析固晶層熱阻的新方法。
目前碰到的很多類固晶材料，這些材料的熱導(dǎo)率從0.2~60 W/K·m不等，應(yīng)用不同材料封裝時(shí)引進(jìn)的固晶熱阻不同，為了研究固晶熱阻隨熱導(dǎo)率的變更關(guān)系，我們對一個(gè)簡略模型內(nèi)的固晶熱阻做了數(shù)值仿真分析，疏忽芯片自身的溫度梯度，結(jié)構(gòu)為1x1x0.1mm的1W LED芯片固晶于30x30x5mm的鋁基板上，環(huán)境溫度為20℃，固晶層厚25μm。固晶材料熱導(dǎo)率為18W/K.m時(shí)，通過專業(yè)熱仿真軟件仿真得到芯片及基板局部溫度散布如圖2所示，芯片溫度為54.06℃，基板溫度為52.77℃，此時(shí)固晶熱阻為1.29 K/W。設(shè)置固晶層材料熱導(dǎo)率從2~60 W/K.m 變更，仿真得到固晶熱阻如圖3中曲線變更。
圖 2 熱仿真溫度散布圖
圖（3） 固晶熱阻隨固晶材料熱導(dǎo)率的變更（固晶層厚25微米）
可以看到固晶熱阻與固晶材料的導(dǎo)熱率有關(guān)，固晶層厚度為25微米時(shí)，固晶材料的熱導(dǎo)率增大時(shí)固晶熱阻不斷減小，在材料熱導(dǎo)率達(dá)到22 以上時(shí)，熱阻小于1 ，之后熱阻隨材料熱導(dǎo)率的增加變更不如前期明顯。
然而在實(shí)際的封裝參數(shù)測試中，會發(fā)明期間的封裝熱阻比理論盤算值要大很多，這其中的原因一是固晶材料的導(dǎo)熱率實(shí)際值與廠家給出的額定值有偏差，例如用銀膠固晶，此偏差與銀膠材料的保留、涂覆、固化工藝有關(guān)。另一原因是固晶厚度的把持遠(yuǎn)非幻想情況。一般來講，固晶熱阻與固晶層厚度成正比關(guān)系，因此基座材料的表面平整度，膠體固化后內(nèi)部的微氣泡、雜質(zhì)，厚度的偏離多會造成固晶熱阻的上升。
為考核實(shí)際固晶層的質(zhì)量，對一批雷同工藝、雷同材料封裝、不同熱阻參數(shù)的LED器件解剖分析。圖5和圖6是其剖面圖，銀膠的導(dǎo)熱率約為12 。由圖可見固晶層的實(shí)際厚度在同一批次的產(chǎn)品中都會有不同的數(shù)值，且差距不小。
圖（4） 固晶層剖面圖（固晶層厚15微米
圖（5） 固晶層剖面圖（固晶層厚60微米）
圖（4）所示的固晶層熱阻小于1.25K/W，而圖（5）所示的固晶層熱阻達(dá)到5K/W以上，這還只是理論的盤算，實(shí)測其熱阻值會更大。這類LED器件在路燈中應(yīng)用無疑將對整燈系統(tǒng)的壽命產(chǎn)生不利影響。
由此可見，在選擇固晶材料時(shí)需要綜合考慮熱導(dǎo)率及固晶層可以達(dá)到的最小厚度，而封裝工藝則需考慮如何保證固晶層盡可能地薄，并且能保持一致。
因此目前一些固晶材料（如Sn80Au20）不僅熱導(dǎo)率很高，由于應(yīng)用共晶焊工藝，固晶層厚度也比傳統(tǒng)的銀膠薄，散熱后果要好于傳統(tǒng)銀膠固晶。
3. LED的可靠性分析
發(fā)光二極管的失效表現(xiàn)為突變失效和緩變失效，突變失效重要由靜電擊穿、金線斷裂、固晶材料老化等引起，緩變失效的原因比擬復(fù)雜，包含熒光粉及芯片的物理失效。
在功率型發(fā)光二極管利用中，影響壽命的兩個(gè)重要應(yīng)力是溫度和電流，因此本實(shí)驗(yàn)中利用溫度和電流兩個(gè)應(yīng)力分辨對器件進(jìn)行加速老化，分析壽命分辨和溫度、電流的關(guān)系。
只考慮溫度時(shí)可以應(yīng)用Arrhenius模型 。
加速老化實(shí)驗(yàn)可以選擇溫度或電流加速老化，溫度加速老化時(shí)，選擇兩個(gè)以上不同溫度T1，T2進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，得到兩個(gè)不同溫度下的壽命，根據(jù)Arrhenius模型中壽命與溫度的關(guān)系可以擬合得到反應(yīng)的激活能Ea及系數(shù)A，由此可以推斷出其他溫度下的壽命；電流加速老化時(shí)同樣在雷同溫度下選擇兩個(gè)以上不同的電流I1，I2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，擬合得到系數(shù)B及指數(shù)&#61539；，其他電流下的壽命也可由表達(dá)式推出。
我們對2批不同的大功率LED進(jìn)行了加速老化測試，在不同應(yīng)力條件下，光通量的衰減速率不同的，根據(jù)反應(yīng)速度論模型的分析，光通量將以指數(shù)情勢衰減，衰減速率為反應(yīng)速率為R（T，S1，S2，…），以σ定義的壽命
，定義光通量衰減至70％的時(shí)間為發(fā)光二極管的壽命，根據(jù)擬合的衰減曲線可以推斷出不同溫度下發(fā)光二極管的壽命
。表格 1 不同應(yīng)力條件下LED的壽命
對不同結(jié)溫下的壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，可以得到壽命隨溫度的變更曲線：
，可以得出這類發(fā)光二極管的性能退化的激活能Ea為1239K，并且可以猜測其他溫度下發(fā)光二極管的壽命，如T=30℃時(shí)
壽命小時(shí)。4. 結(jié)論
芯片的固晶技巧是LED封裝的一個(gè)重要方面，固晶質(zhì)量對散熱性能有很大的影響，不同的固晶材料由于熱導(dǎo)率不同，而采用合適的工藝，保證固晶層的厚度也顯得尤為重要，同時(shí)準(zhǔn)確地對封裝熱阻的測試技巧也是提高大功率LED封裝質(zhì)量不可或缺的手段。
對通過必定外加應(yīng)力情況下老化，得到了不同應(yīng)力下功率型發(fā)光二極管的壽命，利用反應(yīng)速率模型推斷出發(fā)光二極管的壽命隨溫度或電流的變更，對于猜測不同種類和質(zhì)量的LED的壽命是一個(gè)較為可靠的參考。
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