钱可元，刘洪涛
清华大学深圳研究生院 半导体照明实验室，深圳 5180558，
清华大学深圳研究生院 半导体照明实验室，深圳 5180558，
摘要：LED道路照明灯具是LED照明产品中请求最严格的产品之一，系统的可靠性是影响LED道路照明灯具利用的一个重要方面，而LED光源的可靠性则是制约灯具寿命的关键因素。通过对LED光源的热阻分析及失效机理 分析，摸索评判LED光源器件可靠性得方法，找出制约实际LED产品寿命的关键点为设计高效高可靠LED道路照明系统供给参考。
关键词：功率型发光二极管，可靠性，性能退化
1. 引言
近年来，在户外照明范畴，新型LED路灯正引起众多产业界和投资者的关注，全国有数百家企业推出了各自的LED路灯产品，几乎各个城市都有或多或少的LED路灯已经安装到城市的干道上。然而在众多的产品序列中，良莠不齐，一些产品仍欠完善，其中标题最大的是LED路灯的整体可靠性。LED道路照明系统不同于传统照明灯具，相对要复杂得多，影响整体可靠性的因素也多。参见图（1）。
在研究其系统可靠性时必需考虑其固有的特点。
1. 光源模块本身的技巧指标受多种因素的制约
2. 光源模块的参数离散性很大
3. 器件可靠性对散热的依附性极大
4. LED的驱动电源设计寿命远落伍于LED光源
在众多因素中，LED发光器件本身的性能指标无疑是决定灯具光效、寿命等性能的最重要部件，也是目前最受人关注的研究方面。
为了改良性能和提高可靠性，我们对影响LED发光器件可靠性的重要因素进行分析研究，初步探讨了LED光源的失效机理。
2. LED芯片的固晶热阻分析
固晶热阻是芯片与基座间的固晶层引进的热阻，对芯片的散热后果有很大影响，是总的封装热阻的重要组成部分，目前对不同材料的固晶热阻的分析一直停留在数值仿真阶段[11] [12]。现有的热阻测试设备并无法区分各部分引进的热阻，而实际工艺中往往需要对固晶热阻进行评价，为此，我们从前向电压法出发研制的动态结温测试方法，能有效地分析固晶层热阻的新方法。
目前碰到的很多类固晶材料，这些材料的热导率从0.2~60 W/K·m不等，应用不同材料封装时引进的固晶热阻不同，为了研究固晶热阻随热导率的变更关系，我们对一个简略模型内的固晶热阻做了数值仿真分析，疏忽芯片自身的温度梯度，结构为1x1x0.1mm的1W LED芯片固晶于30x30x5mm的铝基板上，环境温度为20℃，固晶层厚25μm。固晶材料热导率为18W/K.m时，通过专业热仿真软件仿真得到芯片及基板局部温度散布如图2所示，芯片温度为54.06℃，基板温度为52.77℃，此时固晶热阻为1.29 K/W。设置固晶层材料热导率从2~60 W/K.m 变更，仿真得到固晶热阻如图3中曲线变更。
图 2 热仿真温度散布图
图（3） 固晶热阻随固晶材料热导率的变更（固晶层厚25微米）
可以看到固晶热阻与固晶材料的导热率有关，固晶层厚度为25微米时，固晶材料的热导率增大时固晶热阻不断减小，在材料热导率达到22 以上时，热阻小于1 ，之后热阻随材料热导率的增加变更不如前期明显。
然而在实际的封装参数测试中，会发明期间的封装热阻比理论盘算值要大很多，这其中的原因一是固晶材料的导热率实际值与厂家给出的额定值有偏差，例如用银胶固晶，此偏差与银胶材料的保留、涂覆、固化工艺有关。另一原因是固晶厚度的把持远非幻想情况。一般来讲，固晶热阻与固晶层厚度成正比关系，因此基座材料的表面平整度，胶体固化后内部的微气泡、杂质，厚度的偏离多会造成固晶热阻的上升。
为考核实际固晶层的质量，对一批雷同工艺、雷同材料封装、不同热阻参数的LED器件解剖分析。图5和图6是其剖面图，银胶的导热率约为12 。由图可见固晶层的实际厚度在同一批次的产品中都会有不同的数值，且差距不小。
图（4） 固晶层剖面图（固晶层厚15微米
图（5） 固晶层剖面图（固晶层厚60微米）
图（4）所示的固晶层热阻小于1.25K/W，而图（5）所示的固晶层热阻达到5K/W以上，这还只是理论的盘算，实测其热阻值会更大。这类LED器件在路灯中应用无疑将对整灯系统的寿命产生不利影响。
由此可见，在选择固晶材料时需要综合考虑热导率及固晶层可以达到的最小厚度，而封装工艺则需考虑如何保证固晶层尽可能地薄，并且能保持一致。
因此目前一些固晶材料（如Sn80Au20）不仅热导率很高，由于应用共晶焊工艺，固晶层厚度也比传统的银胶薄，散热后果要好于传统银胶固晶。
3. LED的可靠性分析
发光二极管的失效表现为突变失效和缓变失效，突变失效重要由静电击穿、金线断裂、固晶材料老化等引起，缓变失效的原因比拟复杂，包含荧光粉及芯片的物理失效。
在功率型发光二极管利用中，影响寿命的两个重要应力是温度和电流，因此本实验中利用温度和电流两个应力分辨对器件进行加速老化，分析寿命分辨和温度、电流的关系。
只考虑温度时可以应用Arrhenius模型 。
加速老化实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T1，T2进行老化实验，得到两个不同温度下的寿命，根据Arrhenius模型中寿命与温度的关系可以拟合得到反应的激活能Ea及系数A，由此可以推断出其他温度下的寿命；电流加速老化时同样在雷同温度下选择两个以上不同的电流I1，I2进行实验，拟合得到系数B及指数&#61539；，其他电流下的寿命也可由表达式推出。
我们对2批不同的大功率LED进行了加速老化测试，在不同应力条件下，光通量的衰减速率不同的，根据反应速度论模型的分析，光通量将以指数情势衰减，衰减速率为反应速率为R（T，S1，S2，…），以σ定义的寿命
，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
。表格 1 不同应力条件下LED的寿命
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更曲线：
，可以得出这类发光二极管的性能退化的激活能Ea为1239K，并且可以猜测其他温度下发光二极管的寿命，如T=30℃时
寿命小时。4. 结论
芯片的固晶技巧是LED封装的一个重要方面，固晶质量对散热性能有很大的影响，不同的固晶材料由于热导率不同，而采用合适的工艺，保证固晶层的厚度也显得尤为重要，同时准确地对封装热阻的测试技巧也是提高大功率LED封装质量不可或缺的手段。
对通过必定外加应力情况下老化，得到了不同应力下功率型发光二极管的寿命，利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更，对于猜测不同种类和质量的LED的寿命是一个较为可靠的参考。
REFERENCES
[1] N. Narendran and L. Deng et al., Performance c h a racteristics of high-power light-emitting diodes. 3rd International Conference on Solid-State-Lighting, 2004,267-275.
[2] E.Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, second edition, Cambridge university press,2006:191
[3] 费翔，钱可元，罗毅等，大功率LED结温丈量及发光特征研究，光电子&#8226；激光 2008年03期
[4] Mehmet Arik， Stanton Weaver, Chip scale thermal management of high brightness packages, Proc. of SPIE Vol.5530,214(2004)
[5] 钱可元，郑代顺，罗毅等，GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析 半导体光电 2006年6月第27卷第3期
[6] C.P. Wong et al, Recent advances on polymer nanocomposites for advanced electronic packaging applications, Conference on high density microsystem design and packaging and component failure analysis(2005)
[7] N. Narendran, Y.Gu, Life of LED-Based White Light Sources, Journal of Display Technology, VOL.1, NO.1 (2005) 167-171
[8] M.Pavesi, M.Manfredi, Optical evidence of an electrothermal degradation of InGaN-Based light emitting diodes during electrical stress, Applied Physics Letters,VOL.84, NO.17(2004) 3403-3405
[9] Barton D.L.，Osinski M.，Degradation mechanisms in GaN/AlaN/InGaN LEDs and LDs，Semiconductor and insulting materials(1998)
[10] 姚立真，可靠性物理，电子产业出版社（2004）
[11] M. Ott. Capabilities and reliability of led’s and laser diodes. Swales Aerospace: Technology
Validation Assurance Group, 1997
