关于LED灯具可靠性检测工作的思考三

深圳光中道电子

三、LED光源模块的失效原因

　　LED光源模块一般由基板、芯片、封装材料(包括荧光粉)、透镜组成，某些模块还包括散热装置和导热硅胶，现在流行的封装方式有DOB和COB。因为LED光源模块设计的多样性和组成的复杂性，所以造成失效的原因也非常多，一般包括以下几点：

　　1.封装材料退化

　　LED在日常生活使用的过程中，长时间的工作会让LED的蓝光与GaN系统中的带间辐射复合所产生的紫外线的辐射和温度升高而引致LED的外表封装材料(如环氧树脂)内的许多聚合物的光学透明度的大辐度下降，从而引起了LED的出光效率的下降。

　　对于这个封装材料的退化会引起LED的出光效率降低的这个问题，D.L.Barton等人曾做过研究试验。实验表明当LED的环境温度为95℃、驱动电流大于40mA时，LED的pn结温度超过145℃，这个温度是让封装材料达到了变色的临界状态。如果在大电流的条件下，封装材料甚至会出现碳化，从而在器件的表面生成一种不透明物质或形成导电通道，致使器件失效。

　　2.污染物焊接

　　LED的污染物焊接是指LED在封装过程中，LED芯片的电极被液滴、油污、纤维、粉尘等物质所覆盖污染，导致LED的焊点部分或全部接触不良而形成的缺陷，这是危害最大的LED焊接缺陷。

　　据实验表明，当污染物覆盖了整个焊点时，在焊接处会形成金属—介质—金属结构，也称为隧道结。而在器件发光的过程中，由于隧道结的存在，LED芯片的峰值波长的发光强度会降低到正常时的60%。因此，对LED封装焊接缺陷进行可靠性检测是十分必要的。

　　3.固晶底胶引起的失效

　　在白光LED行业中常用到的固晶胶有氧树脂绝缘胶、硅树脂绝缘胶、银胶，而三者各有利弊，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。因此，对于不同类型的器件产品，要适当地选用不同的固晶底胶，这样才能更好地降低由其引起的器件失效。

　　4.荧光粉失效

　　实现白光LED的途径有多种，目前使用最普遍、最成熟的一种是通过LED芯片产生的蓝光激发黄色荧光粉，所以荧光粉的材质对白光LED的衰减影响很大。市场最主流的白光荧光粉是YAG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，荧光粉的失效会导致LED的光衰加速，从而降低LED的寿命。实验表明荧光粉在温度为80℃时，激发效率会降低2%，冷却后又恢复，而这个很短时间的一个测试说明了LED温度的升高会让荧光粉的性能下降，而LED长时间工作在高温下，会对荧光粉造成不可逆转的衰退，还会普遍出现LED的波长蓝移的问题。

　　所以，白光LED的光衰减甚至失亮的很大部分原因就是热作用下荧光粉性能的快速衰减。因此，荧光粉自身的质量对LED的正常发光寿命有着很重要的影响。

　　5.散热问题引起的失效

　　LED是一种固态的半导体器件，而LED芯片的表面面积较小，工作时电流密度大，且用于照明时往往要求多个LED组合而成。LED密集度大，导致芯片发热密度高，而结温上升会导致光输出减少，芯片加快蜕化，缩短器件寿命。表1给出了几种不同材料的热导率。可以看出，目前在功率型LED的制备中，技术最为成熟、使用最多的蓝宝石衬底的热导率只有35～46W/(m×K)，不足Si材料的1/4。

                               
登录/注册后可看大图

　　如果要考虑到实际应用中对色漂移的不良影响，热设计也要对最高结温进行限制。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术就提出了更高的要求，如今散热问题已成为制约高功率LED发展的关键因素。

　　6.LEDGaN基外延材料缺陷引起的失效

　　由于没有与GaN相配的衬底材料，目前在绝大部分的LED器件中的GaN薄膜中存在着大量的缺陷。GaN材料与目前主流衬底蓝宝石的晶格常数的失配率为14%，而在蓝宝石衬底上生长的GaN材料位错密度为108/cm3～1010/cm3。

　　在LED的制备过程中，材料的缺陷会对载流子有吸附作用，从而在有源层中形成无辐射的复合中心，增加了光的吸收，导致LED发光效率的下降；当电流足够大时，载流子才会发生辐射的复合，但这又会引起晶格振动，晶格的热运动会加速缺陷的形成，造成LED异质结的退化。器件中接触的金属电极在电应力和热应力的作用下就会沿着错位迁移，从而形成低通欧姆阻道，这会引致器件光功率的下降和漏电流的增加。因此，提高外延材料的质量，降低材料中的缺陷密度能有效提高LED器件的可靠性。

　　7.静电损伤引起的失效

　　GaN材料具有3.39eV的宽禁带，高电阻率。因此，GaN基LED芯片在其生产、运送的过程中所产生的静电电荷容易积累而产生高的静电电压。蓝宝石衬底的GaN基LED器件的结构对静电的承受能力是很小的，极易被其产生的静电击穿。在无静电保护的情况下，人体所产生的静电容易将LED局部击穿，LED器件被静电击穿后将造成永久性失效。

　　8.P型GaN欧姆接触老化

　　Meneghesso等人在分析GaN的失效过程中，通过LED器件在退化前后的I-V特性，Meneghesso等人认为这些变化是由于P-GaN透明导电膜与金属导线电极的欧姆接触在大电流和热的影响下退化，导致串联电阻的增加，产生了电流密集效应，从而使得发光效率的下降；在大电流注入的情况下，缺陷会发生增值，最终导致漏电流的增加。因此，P-GaN的金属电极的欧姆接触对LED的光学性能起重要的作用。