牛萍娟 ，王衛(wèi)星 ，寧平凡 ，王景祥 ，薛衛(wèi)芳

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

溫度對(duì)GaN基LED電流加速老化特性的影響

牛萍娟1，2，王衛(wèi)星1，寧平凡2，王景祥1，薛衛(wèi)芳1

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

采用電流加速老化的方法研究大功率白光LED的光通量衰減特性，提出了一種包含溫度影響因素的LED壽命推算方法.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：LED的光通量衰減速度隨著加速電流的增大而變快，同時(shí)器件溫度升高，溫度的升高又會(huì)促進(jìn)LED燈珠的加速老化.通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)，在不考慮溫度因素時(shí)，采用狹義Eyring公式計(jì)算LED的壽命；在考慮溫度因素時(shí)，采用廣義的Eyring公式計(jì)算LED的壽命.對(duì)比2種模型的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：考慮溫度影響能更準(zhǔn)確的推算出LED的壽命.

光通量；大功率LED；電流加速老化；溫度；GaN

LED光源被認(rèn)為是繼白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈之后的第4代照明光源，它具有電光轉(zhuǎn)化效率高、工作電壓低、體積小、發(fā)熱少等優(yōu)勢(shì)，被廣泛的應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明領(lǐng)域.

GaN基藍(lán)光LED從出現(xiàn)到商業(yè)化也只是經(jīng)歷了短短的20年，各項(xiàng)技術(shù)還在不斷的完善當(dāng)中，而LED的壽命成為制約LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題之一，如何準(zhǔn)確并精確地推算出正常工作環(huán)境下LED的壽命成為產(chǎn)業(yè)研究的重點(diǎn)[1].

LED芯片通常采用熱應(yīng)力、電應(yīng)力以及其他應(yīng)力進(jìn)行加速老化.電應(yīng)力相較于熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力在加速老化實(shí)驗(yàn)中具有易于操作、老化周期短的優(yōu)勢(shì).同時(shí)，電應(yīng)力也有易于引起LED燈珠死燈、易于發(fā)熱等缺陷.以加速老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用合適的壽命計(jì)算的方法就可以對(duì)LED的壽命進(jìn)行推算[2].Shono[3]提出了電流加速老化的老化因子和電流大小的具體關(guān)系.利用這種關(guān)系就可以通過(guò)大電流的衰減因子來(lái)計(jì)算出相應(yīng)的額定電流下的衰減因子，從而求出LED的壽命.但這種方法并未考慮加速老化的大電流帶來(lái)的熱場(chǎng)效應(yīng)，而這種電場(chǎng)-熱場(chǎng)耦合效應(yīng)對(duì)LED光通量衰減的影響值得深入研究.本文主要通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)討論LED溫度變化在電流加速老化過(guò)程中對(duì)其壽命計(jì)算的影響.

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用YG-P01型號(hào)的白光LED，額定功率1 W、額定電流350 mA、正向電壓3.2～3.6 V、初始光通量在110～120 lm之間.實(shí)驗(yàn)中將LED燈珠直接置于老化儀下，不加散熱片以便更好地觀測(cè)老化過(guò)程中溫度對(duì)LED光通量衰減速度的影響.

圖1 不同老化電流下LED光通量隨老化時(shí)間的關(guān)系Fig.1 LED luminous flux versus aging time under different aging current

首先測(cè)試200顆YG-P01型LED的初始光通量，選取光通量值較為相近的20顆作為試驗(yàn)樣品，將其分成4個(gè)組，分別標(biāo)記為1、2、3、4，每組5顆并標(biāo)記編號(hào).分別給第 1、2、3、4組 LED 燈珠加上 350 mA、450 mA、550 mA、650 mA的電流進(jìn)行老化，環(huán)境溫度保持在（25±1）℃.實(shí)驗(yàn)裝置為SSP3516型大功率LED老化測(cè)試儀，樣品持續(xù)點(diǎn)亮，每8 h測(cè)量1次光通量并記錄，樣品的溫度使用多路溫度記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄.

不同老化電流下，LED光通量的衰減曲線如圖1所示.

由圖1可見(jiàn)，隨著老化時(shí)間的增加，所有樣品的光通量均出現(xiàn)了不同程度的衰減，而且老化電流越大，光通量的衰減速度越快.原因是隨著電流的增加，LED芯片中會(huì)出現(xiàn)更多的點(diǎn)位錯(cuò)和線位錯(cuò)，這些缺陷對(duì)載流子有較強(qiáng)的俘獲作用，從而降低了芯片的發(fā)光效率[4-5].實(shí)驗(yàn)中4組LED樣品的溫度分別為345.5 K、358.1 K、364.7 K和370.3 K.

圖2 額定電流下LED平均光衰曲線Fig.2 Luminous flux decay curve under rated current

在350 mA額定工作電流下老化的LED樣品光通量衰減曲線如圖2所示.設(shè)定LED的光通量降低到初始光通量的70%判定為失效[6].由圖2可知，在本文所述的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下（不加散熱片），當(dāng)老化電流為額定電流350 mA時(shí)，樣品的平均工作壽命為t=134.27 h.

2 壽命計(jì)算與分析

2.1 不考慮溫度因素

通過(guò)指數(shù)函數(shù)：

式中：F為光通量；F0為初始光通量；a為衰減因子；t為老化時(shí)間.

對(duì)如圖 1（b）、圖 1（c）、圖 1（d）所示的老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得各樣品加速老化的衰減因子a[7].如圖3所示為老化電流為450 mA的第2組5個(gè)樣品的擬合曲線.

圖3 第2組樣品的光通量衰減擬合曲線Fig.3 Fitting curve of luminous flux decay of samples in group 2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合輸出可以得到加速衰減因子，如表1所示.

表1 加速老化的衰減因子Tab.1 Attenuation factor

Shono[3]指出，在電流加速試驗(yàn)中，白光LED的衰減系數(shù)a和工作電流的關(guān)系符合Eyring關(guān)系式：

式中：K和J為常數(shù)；IF為加速電流.

由3組加速電流下的平均衰減因子可以求出3組K和J，如表2所示.

表2 公式參數(shù)K和J Tab.2 Parameters K and J

將K和J帶入公式（2）可得：

輸入額定工作電流350 mA，就可以得到額定工作電流的衰減系數(shù)a=0.033 08.將衰減系數(shù)帶入公式（1）求出壽命t1=142.29 h和衰減曲線.圖4顯示了單應(yīng)力Eyring模型計(jì)算出的額定電流下的樣品衰減曲線與測(cè)試數(shù)據(jù)、指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果之間的對(duì)比情況.可以看出，利用單應(yīng)力Eyring模型可以求出LED光通量衰減的趨勢(shì)并對(duì)LED的壽命進(jìn)行估算，但是隨著時(shí)間的增加，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異逐漸增加.造成這種差異的原因是單應(yīng)力Eyring模型中沒(méi)有包含溫度對(duì)光衰的影響.電流作用于LED芯片時(shí)產(chǎn)生熱量，引起周圍硅膠及熒光粉溫度升高，在高溫下熒光粉轉(zhuǎn)換效率降低、硅膠老化，因此LED出光減少[8-9]。

圖4 光通量衰減曲線Fig.4 Luminous flux attenuation curve

同樣，利用第2、3、4組實(shí)驗(yàn)的衰減因子可以求出老化電流為450 mA、550 mA、650 mA時(shí)樣品的壽命分別為 108.22 h、82.80 h、63.5 h.

2.2 考慮溫度因素

電流加速老化實(shí)驗(yàn)是在室溫（25±1）℃中進(jìn)行的.單應(yīng)力Eyring模型計(jì)算的樣品壽命及測(cè)得的器件溫度隨老化電流的變化如圖5所示.由圖5可知，雖然環(huán)境溫度相同，器件溫度卻隨老化電流的增加明顯增大.因此，在使用電流加速老化的方法推算LED壽命時(shí)，器件溫度是必須考慮的因素[10].

圖5 壽命和溫度曲線Fig.5 Life and temperature curve

Goldberg認(rèn)為如果電流和溫度同時(shí)作為加速老化的應(yīng)力時(shí)，特征壽命和電流溫度的關(guān)系應(yīng)該符合廣義的 Eyring 模型[11]：

式中：A、B、C、D均為常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；S1為溫度因素；S2為電流因素.由于上式中交互作用可以忽略不計(jì)[12]，因此可以將公式簡(jiǎn)化為：

3組加速實(shí)驗(yàn)LED光通量隨時(shí)間的變化如圖6所示.

圖6 不同老化電流下樣品的光通量衰減曲線Fig.6 Luminous flux attenuation curve of samples under different aging current

將第2、3、4組LED的結(jié)溫和光通量降到初始光通量70%時(shí)的時(shí)間帶入上式可以求出常量A、B、C.將額定電流的大小和結(jié)溫帶入可以推算出LED的壽命為t2=135.6 h.與實(shí)際測(cè)得的LED的壽命t=134.27 h及未考慮溫度因素時(shí)計(jì)算出的LED壽命t1=142.29 h相比較可以發(fā)現(xiàn)，考慮溫度因素后推算出的LED壽命與實(shí)驗(yàn)值吻合的更好.

光通量衰減對(duì)比曲線如圖7所示.圖7中離散的點(diǎn)表示實(shí)際測(cè)得的光通量隨時(shí)間的變化，虛線表示未考慮溫度因素的單應(yīng)力Eyring模型計(jì)算結(jié)果，實(shí)線表示考慮溫度因素的廣義Eyring模型計(jì)算結(jié)果.由圖7可知，考慮溫度因素的廣義Eyring模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)得的光通量衰減數(shù)據(jù)更為接近.

圖7 光通量衰減對(duì)比曲線Fig.7 Comparison of luminous flux attenuation curves

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)GaN基大功率白光LED，研究了電流加速老化過(guò)程中器件溫度升高對(duì)其壽命推算的影響.隨著老化電流逐漸增加，器件的溫度明顯升高，壽命顯著降低.通過(guò)將包含和不包含溫度因素的2種壽命推算模型的計(jì)算結(jié)果與測(cè)試所得光通量衰減數(shù)據(jù)對(duì)比說(shuō)明了考慮溫度因素的廣義Eyring模型能夠更加準(zhǔn)確地估算LED的壽命.

[1]FANG Zhilie.Future applications of light emitting diodes[J].Physics and Advanced Technology，2003，32（5）：295-301.

[2]林林，莊國(guó)華，黃珊珊，等.大功率白光LED壽命的計(jì)算[J].福建師范大學(xué)福清分校學(xué)報(bào)，2009，96（3）：1-4.

[3]SHONO H.Estimation of light emitting diode operation life time[J].Tech Rep IEICE，1999，99（454）：13-18.

[4]MENEGHESSO G， LEVADA S， ZANONI E， et al.Failure modes and mechanisms of DC-aged GaN LEDs[J].Physica Status Solidi（a），2002，194（2）：389-392.

[5]鄭代順，錢可元，羅毅.大功率發(fā)光二極管的壽命試驗(yàn)及其失效分析[J].半導(dǎo)體光電，2005，26（2）：87-91.

[6]劉熙娟，溫巖，朱紹龍，等.白光LED的使用壽命的定義和測(cè)試方法[J].光源與照明，2001（4）：16-22.

[7]HU J Z，YANG L Q，KIM L，et al.The ageing mechanism of high-power InGaN/GaN light emitting diodes under electrical stresses[J].Semicond Sci Technol， 2007，22（12）： 1249-1252.

[8]OSINSKI M，PERLIN P，ELISEEV P，et al.Degradation of single-quantum well InGaN green light emitting diodes under high electrical stress[J].Microelectronics Reliability，1999，39：1219-1227.

[9]MENEGHINI M，TAZZOLI A，MURA G，et al.A Review on the physical mechanisms that limit the reliability of GaN-based LEDs[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2010，57（1）：108-118.

[10]ISHIZAKI S，KIMURA H，SUGIMOTO M.Lifetime estimation of high power white LEDs[J].J Light&Vis Env，2007，31（1）：11-18.

[11]MANN N R， SCHAFER R E， SINGPURWALLA A P.Methods for Statistical Analysis of Reliability and Life Data[M].New York：John Wiley and Sons，1974.

[12]BARTON D.Degraduation mechanisms in GaN/AlGaN/InGaN[C]//Proc The 10th Conference on Semiconducting and Insulating Materials（SIMC-X）.[s.n.]：IEEE Press，1998：259-262.

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

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金資助項(xiàng)目（13ZXCXGX31700）；中小企業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目（SQ2013ZOA100010）

牛萍娟（1973—），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)樾滦桶雽?dǎo)體發(fā)光器件、LED驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng).E-mail：pjniu@hotmail.com