摘要：LED道路照明燈具是LED照明產品中請求最嚴格的產品之一，系統(tǒng)的可靠性是影響LED道路照明燈具利用的一個重要方面，而LED光源的可靠性則是制約燈具壽命的關鍵因素。通過對LED光源的熱阻分析及失效機理 分析，摸索評判LED光源器件可靠性得方法，找出制約實際LED產品壽命的關鍵點為設計高效高可靠LED道路照明系統(tǒng)供給參考。
關鍵詞：功率型發(fā)光二極管，可靠性，性能退化
1. 引言
　　近年來，在戶外照明范疇，新型LED路燈正引起眾多產業(yè)界和投資者的關注，全國有數(shù)百家企業(yè)推出了各自的LED路燈產品，幾乎各個城市都有或多或少的LED路燈已經安裝到城市的干道上。然而在眾多的產品序列中，良莠不齊，一些產品仍欠完善，其中標題最大的是LED路燈的整體可靠性。LED道路照明系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)照明燈具，相對要復雜得多，影響整體可靠性的因素也多。參見圖（1）。

　　在研究其系統(tǒng)可靠性時必需考慮其固有的特點。
1. 光源模塊本身的技巧指標受多種因素的制約
2. 光源模塊的參數(shù)離散性很大
3. 器件可靠性對散熱的依附性極大
4. LED的驅動電源設計壽命遠落伍于LED光源
　　在眾多因素中，LED發(fā)光器件本身的性能指標無疑是決定燈具光效、壽命等性能的最重要部件，也是目前最受人關注的研究方面。
　　為了改良性能和提高可靠性，我們對影響LED發(fā)光器件可靠性的重要因素進行分析研究，初步探討了LED光源的失效機理。
2. LED芯片的固晶熱阻分析
　　固晶熱阻是芯片與基座間的固晶層引進的熱阻，對芯片的散熱后果有很大影響，是總的封裝熱阻的重要組成部分，目前對不同材料的固晶熱阻的分析一直停留在數(shù)值仿真階段[11] [12]。現(xiàn)有的熱阻測試設備并無法區(qū)分各部分引進的熱阻，而實際工藝中往往需要對固晶熱阻進行評價，為此，我們從前向電壓法出發(fā)研制的動態(tài)結溫測試方法，能有效地分析固晶層熱阻的新方法。
　　目前碰到的很多類固晶材料，這些材料的熱導率從0.2~60 W/K·m不等，應用不同材料封裝時引進的固晶熱阻不同，為了研究固晶熱阻隨熱導率的變更關系，我們對一個簡略模型內的固晶熱阻做了數(shù)值仿真分析，疏忽芯片自身的溫度梯度，結構為1x1x0.1mm的1W LED芯片固晶于30x30x5mm的鋁基板上，環(huán)境溫度為20℃，固晶層厚25μm。固晶材料熱導率為18W/K.m時，通過專業(yè)熱仿真軟件仿真得到芯片及基板局部溫度散布如圖2所示，芯片溫度為54.06℃，基板溫度為52.77℃，此時固晶熱阻為1.29 K/W。設置固晶層材料熱導率從2~60 W/K.m 變更，仿真得到固晶熱阻如圖3中曲線變更。


　　可以看到固晶熱阻與固晶材料的導熱率有關，固晶層厚度為25微米時，固晶材料的熱導率增大時固晶熱阻不斷減小，在材料熱導率達到22 以上時，熱阻小于1 ，之后熱阻隨材料熱導率的增加變更不如前期明顯。

　　然而在實際的封裝參數(shù)測試中，會發(fā)明期間的封裝熱阻比理論盤算值要大很多，這其中的原因一是固晶材料的導熱率實際值與廠家給出的額定值有偏差，例如用銀膠固晶，此偏差與銀膠材料的保留、涂覆、固化工藝有關。另一原因是固晶厚度的把持遠非幻想情況。一般來講，固晶熱阻與固晶層厚度成正比關系，因此基座材料的表面平整度，膠體固化后內部的微氣泡、雜質，厚度的偏離多會造成固晶熱阻的上升。

　　為考核實際固晶層的質量，對一批雷同工藝、雷同材料封裝、不同熱阻參數(shù)的LED器件解剖分析。圖5和圖6是其剖面圖，銀膠的導熱率約為12 。由圖可見固晶層的實際厚度在同一批次的產品中都會有不同的數(shù)值，且差距不小。



　　圖（4）所示的固晶層熱阻小于1.25K/W，而圖（5）所示的固晶層熱阻達到5K/W以上，這還只是理論的盤算，實測其熱阻值會更大。這類LED器件在路燈中應用無疑將對整燈系統(tǒng)的壽命產生不利影響。
　　由此可見，在選擇固晶材料時需要綜合考慮熱導率及固晶層可以達到的最小厚度，而封裝工藝則需考慮如何保證固晶層盡可能地薄，并且能保持一致。
　　因此目前一些固晶材料（如Sn80Au20）不僅熱導率很高，由于應用共晶焊工藝，固晶層厚度也比傳統(tǒng)的銀膠薄，散熱后果要好于傳統(tǒng)銀膠固晶。

3. LED的可靠性分析
　　發(fā)光二極管的失效表現(xiàn)為突變失效和緩變失效，突變失效重要由靜電擊穿、金線斷裂、固晶材料老化等引起，緩變失效的原因比擬復雜，包含熒光粉及芯片的物理失效。
　　在功率型發(fā)光二極管利用中，影響壽命的兩個重要應力是溫度和電流，因此本實驗中利用溫度和電流兩個應力分辨對器件進行加速老化，分析壽命分辨和溫度、電流的關系。
只考慮溫度時可以應用Arrhenius模型 。


　　加速老化實驗可以選擇溫度或電流加速老化，溫度加速老化時，選擇兩個以上不同溫度T1，T2進行老化實驗，得到兩個不同溫度下的壽命，根據Arrhenius模型中壽命與溫度的關系可以擬合得到反應的激活能Ea及系數(shù)A，由此可以推斷出其他溫度下的壽命；電流加速老化時同樣在雷同溫度下選擇兩個以上不同的電流I1，I2進行實驗，擬合得到系數(shù)B及指數(shù)&#61539；，其他電流下的壽命也可由表達式推出。
　　我們對2批不同的大功率LED進行了加速老化測試，在不同應力條件下，光通量的衰減速率不同的，根據反應速度論模型的分析，光通量將以指數(shù)情勢衰減，衰減速率為反應速率為R（T，S1，S2，…），以σ定義的壽命 ，定義光通量衰減至70％的時間為發(fā)光二極管的壽命，根據擬合的衰減曲線可以推斷出不同溫度下發(fā)光二極管的壽命。
表格 1 不同應力條件下LED的壽命


對不同結溫下的壽命數(shù)據進行指數(shù)擬合，可以得到壽命隨溫度的變更曲線： ，可以得出這類發(fā)光二極管的性能退化的激活能Ea為1239K，并且可以猜測其他溫度下發(fā)光二極管的壽命，如T=30℃時壽命小時。
4. 結論
　　芯片的固晶技巧是LED封裝的一個重要方面，固晶質量對散熱性能有很大的影響，不同的固晶材料由于熱導率不同，而采用合適的工藝，保證固晶層的厚度也顯得尤為重要，同時準確地對封裝熱阻的測試技巧也是提高大功率LED封裝質量不可或缺的手段。
　　對通過必定外加應力情況下老化，得到了不同應力下功率型發(fā)光二極管的壽命，利用反應速率模型推斷出發(fā)光二極管的壽命隨溫度或電流的變更，對于猜測不同種類和質量的LED的壽命是一個較為可靠的參考。

REFERENCES
[1] N. Narendran and L. Deng et al., Performance c h a racteristics of high-power light-emitting diodes. 3rd International Conference on Solid-State-Lighting, 2004,267-275.
[2] E.Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, second edition, Cambridge university press,2006:191
[3] 費翔，錢可元，羅毅等，大功率LED結溫丈量及發(fā)光特征研究，光電子&#8226；激光 2008年03期
[4] Mehmet Arik， Stanton Weaver, Chip scale thermal management of high brightness packages, Proc. of SPIE Vol.5530,214(2004)
[5] 錢可元，鄭代順，羅毅等，GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析 半導體光電 2006年6月第27卷第3期
[6] C.P. Wong et al, Recent advances on polymer nanocomposites for advanced electronic packaging applications, Conference on high density microsystem design and packaging and component failure analysis(2005)
[7] N. Narendran, Y.Gu, Life of LED-Based White Light Sources, Journal of Display Technology, VOL.1, NO.1 (2005) 167-171
[8] M.Pavesi, M.Manfredi, Optical evidence of an electrothermal degradation of InGaN-Based light emitting diodes during electrical stress, Applied Physics Letters,VOL.84, NO.17(2004) 3403-3405
[9] Barton D.L.，Osinski M.，Degradation mechanisms in GaN/AlaN/InGaN LEDs and LDs，Semiconductor and insulting materials(1998)
[10] 姚立真，可靠性物理，電子產業(yè)出版社（2004）
[11] M. Ott. Capabilities and reliability of led’s and laser diodes. Swales Aerospace: Technology
Validation Assurance Group, 1997