温度对GaN基LED电流加速老化特性的影响

牛萍娟 ，王卫星 ，宁平凡 ，王景祥 ，薛卫芳

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

温度对GaN基LED电流加速老化特性的影响

牛萍娟1，2，王卫星1，宁平凡2，王景祥1，薛卫芳1

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

采用电流加速老化的方法研究大功率白光LED的光通量衰减特性，提出了一种包含温度影响因素的LED寿命推算方法.实验发现：LED的光通量衰减速度随着加速电流的增大而变快，同时器件温度升高，温度的升高又会促进LED灯珠的加速老化.通过分组实验，在不考虑温度因素时，采用狭义Eyring公式计算LED的寿命；在考虑温度因素时，采用广义的Eyring公式计算LED的寿命.对比2种模型的计算结果发现：考虑温度影响能更准确的推算出LED的寿命.

光通量；大功率LED；电流加速老化；温度；GaN

LED光源被认为是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯之后的第4代照明光源，它具有电光转化效率高、工作电压低、体积小、发热少等优势，被广泛的应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明领域.

GaN基蓝光LED从出现到商业化也只是经历了短短的20年，各项技术还在不断的完善当中，而LED的寿命成为制约LED产业发展的主要问题之一，如何准确并精确地推算出正常工作环境下LED的寿命成为产业研究的重点[1].

LED芯片通常采用热应力、电应力以及其他应力进行加速老化.电应力相较于热应力、机械应力在加速老化实验中具有易于操作、老化周期短的优势.同时，电应力也有易于引起LED灯珠死灯、易于发热等缺陷.以加速老化实验数据为基础，利用合适的寿命计算的方法就可以对LED的寿命进行推算[2].Shono[3]提出了电流加速老化的老化因子和电流大小的具体关系.利用这种关系就可以通过大电流的衰减因子来计算出相应的额定电流下的衰减因子，从而求出LED的寿命.但这种方法并未考虑加速老化的大电流带来的热场效应，而这种电场-热场耦合效应对LED光通量衰减的影响值得深入研究.本文主要通过对比实验讨论LED温度变化在电流加速老化过程中对其寿命计算的影响.

1 实验过程与结果

实验采用YG-P01型号的白光LED，额定功率1 W、额定电流350 mA、正向电压3.2～3.6 V、初始光通量在110～120 lm之间.实验中将LED灯珠直接置于老化仪下，不加散热片以便更好地观测老化过程中温度对LED光通量衰减速度的影响.

图1 不同老化电流下LED光通量随老化时间的关系Fig.1 LED luminous flux versus aging time under different aging current

首先测试200颗YG-P01型LED的初始光通量，选取光通量值较为相近的20颗作为试验样品，将其分成4个组，分别标记为1、2、3、4，每组5颗并标记编号.分别给第 1、2、3、4组 LED 灯珠加上 350 mA、450 mA、550 mA、650 mA的电流进行老化，环境温度保持在（25±1）℃.实验装置为SSP3516型大功率LED老化测试仪，样品持续点亮，每8 h测量1次光通量并记录，样品的温度使用多路温度记录仪实时监测并记录.

不同老化电流下，LED光通量的衰减曲线如图1所示.

由图1可见，随着老化时间的增加，所有样品的光通量均出现了不同程度的衰减，而且老化电流越大，光通量的衰减速度越快.原因是随着电流的增加，LED芯片中会出现更多的点位错和线位错，这些缺陷对载流子有较强的俘获作用，从而降低了芯片的发光效率[4-5].实验中4组LED样品的温度分别为345.5 K、358.1 K、364.7 K和370.3 K.

图2 额定电流下LED平均光衰曲线Fig.2 Luminous flux decay curve under rated current

在350 mA额定工作电流下老化的LED样品光通量衰减曲线如图2所示.设定LED的光通量降低到初始光通量的70%判定为失效[6].由图2可知，在本文所述的实验状态下（不加散热片），当老化电流为额定电流350 mA时，样品的平均工作寿命为t=134.27 h.

2 寿命计算与分析

2.1 不考虑温度因素

通过指数函数：

式中：F为光通量；F0为初始光通量；a为衰减因子；t为老化时间.

对如图 1（b）、图 1（c）、图 1（d）所示的老化实验数据进行拟合，可得各样品加速老化的衰减因子a[7].如图3所示为老化电流为450 mA的第2组5个样品的拟合曲线.

图3 第2组样品的光通量衰减拟合曲线Fig.3 Fitting curve of luminous flux decay of samples in group 2

根据实验数据的拟合输出可以得到加速衰减因子，如表1所示.

表1 加速老化的衰减因子Tab.1 Attenuation factor

Shono[3]指出，在电流加速试验中，白光LED的衰减系数a和工作电流的关系符合Eyring关系式：

式中：K和J为常数；IF为加速电流.

由3组加速电流下的平均衰减因子可以求出3组K和J，如表2所示.

表2 公式参数K和J Tab.2 Parameters K and J

将K和J带入公式（2）可得：

输入额定工作电流350 mA，就可以得到额定工作电流的衰减系数a=0.033 08.将衰减系数带入公式（1）求出寿命t1=142.29 h和衰减曲线.图4显示了单应力Eyring模型计算出的额定电流下的样品衰减曲线与测试数据、指数函数拟合结果之间的对比情况.可以看出，利用单应力Eyring模型可以求出LED光通量衰减的趋势并对LED的寿命进行估算，但是随着时间的增加，计算结果与实测数据之间的差异逐渐增加.造成这种差异的原因是单应力Eyring模型中没有包含温度对光衰的影响.电流作用于LED芯片时产生热量，引起周围硅胶及荧光粉温度升高，在高温下荧光粉转换效率降低、硅胶老化，因此LED出光减少[8-9]。

图4 光通量衰减曲线Fig.4 Luminous flux attenuation curve

同样，利用第2、3、4组实验的衰减因子可以求出老化电流为450 mA、550 mA、650 mA时样品的寿命分别为 108.22 h、82.80 h、63.5 h.

2.2 考虑温度因素

电流加速老化实验是在室温（25±1）℃中进行的.单应力Eyring模型计算的样品寿命及测得的器件温度随老化电流的变化如图5所示.由图5可知，虽然环境温度相同，器件温度却随老化电流的增加明显增大.因此，在使用电流加速老化的方法推算LED寿命时，器件温度是必须考虑的因素[10].

图5 寿命和温度曲线Fig.5 Life and temperature curve

Goldberg认为如果电流和温度同时作为加速老化的应力时，特征寿命和电流温度的关系应该符合广义的 Eyring 模型[11]：

式中：A、B、C、D均为常数；k为玻尔兹曼常数；S1为温度因素；S2为电流因素.由于上式中交互作用可以忽略不计[12]，因此可以将公式简化为：

3组加速实验LED光通量随时间的变化如图6所示.

图6 不同老化电流下样品的光通量衰减曲线Fig.6 Luminous flux attenuation curve of samples under different aging current

将第2、3、4组LED的结温和光通量降到初始光通量70%时的时间带入上式可以求出常量A、B、C.将额定电流的大小和结温带入可以推算出LED的寿命为t2=135.6 h.与实际测得的LED的寿命t=134.27 h及未考虑温度因素时计算出的LED寿命t1=142.29 h相比较可以发现，考虑温度因素后推算出的LED寿命与实验值吻合的更好.

光通量衰减对比曲线如图7所示.图7中离散的点表示实际测得的光通量随时间的变化，虚线表示未考虑温度因素的单应力Eyring模型计算结果，实线表示考虑温度因素的广义Eyring模型计算结果.由图7可知，考虑温度因素的广义Eyring模型的计算结果与实际测得的光通量衰减数据更为接近.

图7 光通量衰减对比曲线Fig.7 Comparison of luminous flux attenuation curves

3 结语

综上所述，针对GaN基大功率白光LED，研究了电流加速老化过程中器件温度升高对其寿命推算的影响.随着老化电流逐渐增加，器件的温度明显升高，寿命显著降低.通过将包含和不包含温度因素的2种寿命推算模型的计算结果与测试所得光通量衰减数据对比说明了考虑温度因素的广义Eyring模型能够更加准确地估算LED的寿命.

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Influence of temperate on current accelerated degradation characteristic of GaN white LED

NIU Ping-juan1，2， WANG Wei-xing1， NING Ping-fan2， WANG Jing-xiang1， XUE Wei-fang1
（1.School of Electronics and Information Engineering， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China；2.School of Electrical Engineering and Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

The current accelerated aging experiment was used to investigate the luminous attenuation and lifetime of the high-power white LEDs.When the accelerated aging current is increased，the luminous attenuation of white LED was obviously accelerated and the LED temperature was rised up.The high temperature will promote LED accelerated aging process.Narrow sense Eyring formula and GeneralizedEyringformulawereused to calculate the lifetime of LED srespectively without or with considering the influence oftemperature.The result of comparing these twomodelshas proved that the predictedlife is more accurate with the condition of considering the influence of temperature.

luminous flux； high-power LED； current accelerated aging； temperature； GaN

TN312.8；TP271.72

A

1671-024X（2015）05-0072-04

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.06.015

2014-11-17

科技型中小企业技术创新资金资助项目（13ZXCXGX31700）；中小企业发展专项资金项目（SQ2013ZOA100010）

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，硕士生导师.主要研究方向为新型半导体发光器件、LED驱动电路和半导体照明应用系统.E-mail：pjniu@hotmail.com