溫度對大功率LED可靠性的影響
作者：
網(wǎng)絡
編輯：
瑞凱儀器
來源：
網(wǎng)絡
發(fā)布日期： 2020.06.19
電子產(chǎn)品的可靠性和壽命對溫度非常敏感。溫度升高時，器件故障率迅速增大。根據(jù)阿侖尼烏斯模型可知，當溫度超過一定值時,器件的壽命呈指數(shù)規(guī)律下降。大功率LED的結溫常常比較高，這是因為(1)芯片的內(nèi)量子效率不可能達到100%。注入的電荷(空穴)只有一部分發(fā)生輻射復合，產(chǎn)生光子，另一部分則終變成熱; (2) LED芯片材料與其周圍材料的折射系數(shù)的不一致,致使芯片內(nèi)部產(chǎn)生的一部分光子無法順利地從芯片中溢出，而是在界面處產(chǎn)生全反射，返回到芯片內(nèi)部。熒光粉激發(fā)出的光也有一部分進入芯片內(nèi)部。這些光在LED芯片內(nèi)部經(jīng)過多次反射后終被芯片材料或襯底吸收，以晶格振動的形式變成熱;
(3) 芯片上的電極結構、表面ITO層和PN結的材料等均存在一定的電阻值，當電流流過時，這些電阻就會產(chǎn)生焦耳熱。從電能到終從芯片出射的光能之間的變換有必然的損耗，損耗的那部分能量轉(zhuǎn)化為熱量,使芯片的溫度不斷升高，這就是LED芯片的自加熱效應。如果沒有良好的散熱，使芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)不出去，那么芯片的結溫就會過高，引起LED光源性能的下降和可靠性的降低，終導致失效。
溫度過高會引起芯片性能和熒光粉性能的下降。對LED芯片性能的影響主要表現(xiàn)在使內(nèi)量子效率降低。內(nèi)量子效率是溫度的函數(shù)，溫度越高內(nèi)量子效率越低。這是因為溫度升高，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會減小，電子遷移率將減小，且勢阱中電子與空穴的輻射復合幾率降低，造成非輻射復合，從而降低LED的內(nèi)量子效率。溫度升高導致芯片的藍光波長向長波方向偏移，使芯片的發(fā)射波長和熒光粉的激發(fā)波長不匹配，也會造成白光LED外部光提取效率的降低。因為溫度淬滅效應，溫度的升高會使熒光粉本身的量子效率降低。另外，由于硅膠和熒光粉顆粒之間的折射率和熱膨脹系數(shù)不匹配，過高的溫度也會使熒光粉層的光轉(zhuǎn)換效率下降。
溫度對LED光源可靠性的影響主要表現(xiàn)在使LED出現(xiàn)光通量的下降和其他失效形式，縮短LED的壽命。過高的溫度會使LED芯片壽命變短。因為高溫會使芯片材料老化加快、性能下降。高溫引起的內(nèi)量子效率的降低也會使更多的電不能以光的形式透射出去，而是轉(zhuǎn)化成熱使結溫升高，更加加速LED芯片的老化；高溫也會引起封裝材料降解加快、性能下降。過高的溫度會使灌封膠的顏色變黃，使得LED光效急劇降低
或造成災難性失效。因為膠類的封裝材料為熱的不良導體，結溫和外界環(huán)境溫度之間的溫度差會造成LED內(nèi)部較高的溫度梯度，由于材料之間的CTE失配，使LED發(fā)生分層、裂紋、金線斷裂等失效形式。
研究LED光源在高溫下的失效機制，找出高溫下會引發(fā)的缺陷或者設計的薄弱環(huán)節(jié)，對提高LED光源的可靠性具有非常重要的意義。對于LED這類超長壽命的電子器件，通常使用比正常使用時所預期的溫度更高的溫度來進行可靠性試驗，即加速試驗。施加的加速條件會使?jié)撛诘娜毕莼蛘咴O計的薄弱環(huán)節(jié)在較短的時間內(nèi)發(fā)展為實際的失效，確認溫度可能導致的失效的形式和機制。
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