大功率白光LED老化问题研究进展

阮育娇，康品春

（厦门市计量检定测试院，福建厦门，361004）

0 引言

20世纪初人们就发现了半导体材料通电发光的性质[1]，经过60余年制备出了商用LED，但这个阶段的LED不仅发光效率低，而且一直无法得到蓝光LED，直到1989年赤崎勇、天野浩在名古屋大学成功研制出首个蓝光LED，1992年日亚化学公司实现了蓝光LED批量生产[2]，揭开了白光LED制造的篇章。大功率白光LED被誉为第四代绿色光源，但由于发光效率、使用寿命等因素限制了其大规模应用。因此研究大功率白光LED的老化问题对于延长其使用寿命是非常有必要的，本论文阐述了国内外在这一领域的主要研究进展。

1 大功率白光LED老化方法及现象

按不同标准，大功率白光LED的寿命可定义为正常条件下输出光通量衰减到初始值的50%、70%的时间，这个时间可以达到几千到几万小时，由于这是一个漫长的时间，所以在研究其使用寿命的时候会在不改变失效机理的情况下施加应力加速老化试验，然后通过建立寿命特征和应力特征的关系模型，反推出器件寿命[3]。目前常施加的应力包括高温应力和电流应力或者多种应力混合施加。

大功率白光LED在老化时，不同的衰老时间其特性曲线会发生不同的变化，总体上老化时均会伴随以下现象：正向电压增大、光通量降低、色温升高、颜色发生蓝移、结温升高、封装树脂泛黄。

李艳菲等人在室温下对GaN基大功率白光LED施加1A电流进行老化试验发现，器件老化过程中出现了正向电压增大、光通量出现下降、色温先增大后减小等一系列现象[4]；周舟等人GaN基大功率白光LED进行了高温加速老化试验发现，器件的漏电流明显增大，在试验前期的1200小时内光通量出现增加，随后到3500小时间出现迅速衰减，最后趋于平缓[5]，Hu jianzheng等人的老化实验中同样发现了光通量先上升后缓慢下降的现象[6]；方福波等人通过对比实验发现，采用蓝光激发荧光粉的白光LED中蓝光和黄绿光均有衰减；而RGB三合一方式封装的白光LED中相比红光和绿光蓝光有明显衰减[7]；张楼英等人使用不同电流点亮大功率白光LED研究了其颜色漂移性质，实验发现发光峰值在点亮100小时开始蓝移，150小时后又开始红移，450小时有明显红移，随后趋于平稳[8]。

2 大功率白光LED老化机理

国内外众多学者对上述老化出现的现象做了许多相关的研究，分析了现象产生的机理，主要包括以下几点：对于电学特性中串联电阻、正向电压和漏电流增大的情况，是因为加速老化过程其实是一个退火的过程，在这个过程中，LED芯片中材料的受主杂质被激活，宽禁带材料的参杂浓度提高，导致了串联电阻与正向电压的增大[9]。除此之外，还有学者认为串联电阻的增大还与P型欧姆接触的退化及引线键合的退化等有关，由于电应力和热应力的作用使欧姆接触和P型GaN层的表面退化，增加了缺陷进而增大了内阻值[10]。对于光通量的下降，LED在发光过程中，能量除了以发光形式得到释放外，还可能转化为声子或者热能。造成这一转化的原因是LED在发光过程中会产生深能级缺陷和非辐射复合中心，特别是芯片中Mg-H化合物的存在，为深能级缺陷和非辐射复合中心的生成提供了基础，这直接降低了发光效率，并使器件温度升高带来更严重的后果[10]。而对于光通量先上升后下降的现象，有学者解释为开始老化阶段高温使P型受主进一步激活，空穴浓度提高进而提高电子空穴对的复合概率，故增加了光输出，而后芯片中的晶格缺陷进一步增加，如前所述这将使光通量发生骤降[4,10]。对于实验中LED器件发出的颜色漂移和色温变化，根据前面所述，在老化初始阶段色温上升明显，说明光谱成分中蓝光成分占比提高，那么荧光粉激发产生黄色光的效率下降，这是由于荧光粉快速衰减造成的，而后色温又有一定的下降，这说明蓝光芯片的发光效率下降，其发光效率的降低是由内量子效率降低造成的，注入势阱中的电子数量随电流的增大而增加，而扩散出势阱的电子数量也增加，后者的增加使内量子效率下降进而导致蓝光LED发光效率下降[11]。对于老化过程中，封装材料和LED机械结构的变化，最主要的原因归结于器件温度的升高[12-14]。当封装材料（一般为环氧树脂）的温度与结温相近时，其膨胀系数发生剧变，内部产生的水蒸气气压与应力可能大于树脂与芯片及框架间的粘合力，最终导致结构上的分离，包括引线在内的一些部件发生偏移和形变，甚至在封装材料和芯片上会出现裂痕。另外还有学者认为封装材料泛黄是由荧光粉颗粒的散射作用导致部分蓝光在粉胶层内不断发生散射造成的[11]。

从上述分析可以看出，大功率白光LED老化过程中器件特性的变化是一个复杂的过程，而且相互之间有反馈性的影响，有可能这一性质的退化将引起另一性质的退化，但总的来说材料是根本原因，结构和环境也是重要因素。

3 延缓大功率白光LED老化的方法

大功率白光LED老化出现上述的老化现象其实可以归类为三种：一是芯片的老化；二是封装材料的老化；三是荧光粉的老化。要延长器件的使用寿命也就是延缓其老化速率，需要对LED的封装结构进行优化设计，目前比较常用的方法是使用有限元方法设计[15-17]。另外许多的研究表明，老化过程中产生的热对大功率白光LED是致命的，因此改善器件散热问题也是目前比较有效的抑制其老化的方法。

在封装结构方面，需要注意大功率白光LED芯片、导热基板以及它们之间的粘结材料的选择。有人提出可以通过改进制备方法来改善器件结构，如Shinya Ishizaki等人在制备大功率白光LED时通过金属有机化学气相沉积法在高温下制备LED芯片，通过蒸镀法制备了金属电极，最终得到了可以正常工作在140℃下的高功率白光LED，推算出其寿命延长至40000小时[15]。有学者提出使用新的基板或改变封装结构增强散热，如王春青、李焕然提出在陶瓷基板的后面加面积与陶瓷基板相同的铝或铜的热沉以增强散热[16]；白坤等人使用了铜柱连接芯片与散热器，同时保证MCPCB的电气连接，得到了结温仅为79℃、散热器最低温度仅为74.4℃的大功率白光LED[17]；还有人提出通过增强对流以增强热量排出[18]。此外在选择荧光粉时需要考虑两个问题，一个是黄色荧光粉的激发光谱要匹配蓝光芯片的发射光谱，另一个是黄色荧光粉的发射光谱要匹配蓝光芯片的发射光谱，这样才能使蓝光与黄光混色成为理想白光，例如YAG荧光粉，它主要吸收在450nm-470nm范围的蓝光，通过斯托克斯转换发射550nm附近的黄色光。此外，荧光粉和胶的配比也是需要考虑的一个问题[19]。

总的来说，通过新的加工方法、改变基底材料、增强对流散热或是使用相匹配的荧光粉及选择良好的荧光粉与胶的配比都会对延缓大功率白光LED的老化有明显作用，但这些也还有待深入研究。

4 结语

文章阐述了有关大功率白光LED老化的部分相关问题，简单介绍了LED发光机理，研究大功率白光LED老化的方法，以及老化过程中器件的具体表现，然后综述了部分学者通过分析老化时出现的现象研究其老化机理，最后简单介绍了目前能够延缓器件老化延长其寿命的一些方法。

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