LED发光寿命测试

摘 要： ······························· 2 Abstract： ······························ 3 1 引 言 ····························· 4 2 LED 定义、其发光原理及其特点 ··················· 4

2.1 LED定义及发光原理 ······················ 4 2.2 LED照明特点 ························· 5 3 LED灯具寿命 ···························· 7

3.1 LED寿命长的原因 ······················· 7 3.2 影响LED灯具寿命的因素 ···················· 8 3.3 判断LED失效的依据 ······················ 9 3.4 如何衡量LED的寿命 ······················10 4 与 LED 寿命相关的几个因素 ·····················12

4.1 LED 的光衰及其影响因素 ····················12 4.2 LED的结温及其影响因素 ····················13 4.3 LED器件的最高结温及其影响因素 ················14 4.4 LED的热阻及减小其热阻的途径 ·················15 5 LED老化实验 ····························16

5.1 LED 的老化及其寿命测试 ····················16 5.2 大功率 LED 封装结构 ·····················17 5.3 热阻( Rθ ) 的测量方法 ···················17 5.4 LED 结温及光通量的测量 ····················19 5.5 影响实验的几个因素 ······················21 5.6实验结果讨论 ·························22 结 论 ·······························26 谢 辞 ·······························27 【参考文献】 ·····························28

LED 发光寿命测试

摘 要：假如不考虑电源和驱动的故障，LED 的寿命终止会表现为它的光衰，

也就是说时间长了，其亮度会越来越暗，直到最后熄灭为止。 LED 的寿命主要取决于 LED 芯片的质量、芯片的设计和芯片的材料。直接影响 LED 寿命的关键因素有两个：一是驱动电流的变化即达到某个阈值以后，启动 LED 的电流越高，发光发热就越多；二是工作环境温度：温度越高，出光就越少。此外，LED 灯具的安装及固定方式对其寿命也有很大的影响。

本文主要通过实验测量 LED 的光通量及结温，根据LED发光寿命与光通量及结温的关系推导出 LED 的发光寿命。

关键词：LED 光衰 结温 热阻 寿命

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LED Lifetime Test

Abstract：If we don’t put the breakdown of power source and driving mechanism into

consideration, the termination of a LED’s lifetime will be light decline, in other words, after a long time, the light’s intense will be weaker and weaker, and the light will be out at last. The LED’s lifetime relies on the quality, design and material of LED’s chip. There are two factors influencing the LED’s life time, the first one is the changing of electric current—when reaches to a liminal value, the electric current which starts LED will be more ,the intensity and heat will be higher; the second one is the temperature of the working environment—the higher the temperature is ,the lesser light there will be. What’s more, how the LED is installed and fixed will also make a big influence on LED’s lifetime.

the main content of the article includes measuring the flux and junction temperature of LED and deducing the shine life of LED according to the relationship between the shine life and junction temperature of LED and flux

Keywords：LED Light failure Junction temperature Thermal resistance lifetime

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1 引 言

1986 年，在蓝宝石基底上沉积高品质GaN 晶体获得成功，并且在1993 年开发出了高亮度蓝光发光二极管( LEDs) 。至今，人们仍在对高亮度蓝光 LED 进行不断地完善。在 1996 年，开发出了采用蓝光 LED 与黄色荧光粉相结合发出白光的 LED 产品并将其商业化[1]。

21 世纪照明 METI 国家(Akari) 项目是一项基于高效率白光 LED 照明技术的工程，它利用的是近紫外线 LED 与荧光粉系统相结合的方法，该项目于1998 年启动，其第一阶段的项目已于 2004 年完成。

近些年来，LED 照明因具有许多优点，例如长寿命、低能耗、体积小等而非常有吸引力。最早 LED 只是被用来替换小型白炽灯充当指示器。在其光效有所提高后，LED 被应用于显示器中。随着其光效和总光通量的进一步改善，LED 开始被应用于日常照明领域。对于普通照明设备而言, LED 有限的光通量是一个难以解决的问题。要想获得高光通量就需要有高密度基底和大的工作电流。这将导致LED 产生热量、温度升高, 损坏LED 模块。

2 LED 定义、其发光原理及其特点

2.1 LED定义及发光原理

LED (Light-Emitting-Diode 中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED 的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过 150 lm/W （2010 年）。将 LED 与普通白炽灯、螺旋节能灯及 T5

图2.1 LED灯珠

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三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为 12 lm／W，寿命小于 2000 小时，螺旋节能灯的光效为 60 lm／W，寿命小于 8000 小时，T5 荧光灯则为 96 lm／W，寿命大约为 10000 小时，而直径为 5 毫米的白光 LED 光效可以超过 150 lm／W，寿命可大于 100000 小时。有人还预测，未来的 LED寿命上限将无穷大[2]。

LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着 LED 灯珠。

在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“ P-N 结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能

量，这就是 LED 发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成 P-N结材料决定的。

图2.2 LED发光原理

2.2 LED照明特点

由于 LED 芯片是一块很小的晶片，且是用环氧树脂封装的，所以体积非常小，质量也非常轻。LED 的内在特征决定了它是目前最理想的光源，可用于替代传统光源。LED 有着广泛的用途。与其它光源相比，LED 具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热、色光、白光、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便 15 种独特优点。

具体而言，LED 照明具有以下特点。 1）发光效率高

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传统的白炽灯、卤钨灯光效为 12-24 lm/w，荧光灯为 50 - 70 lm/w，钠灯为90 - 140 lm/w，它们的大部分的耗电会变成热量损耗。从理论分析 LED 光效经改良后将达到 50 - 200 lm/w,而且其光的单色性好，光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。目前通过现有技术首先对LED结构进行优化、材料优化、工艺优化，再进行优化组合，做到了 161 lm/w,且其商品化问题不大，但要再想提高效率则需要有新的技术突破。

2）耗电量少

LED电能的利用率高达 80% 以上。其单管功率为 0.03 - 0.06 W，采用直流驱；单管驱动的电压为 1.5 - 3.5 V，电流为 15-18 mA。也就是说 LED 是一种非常节能的光源。研究资料表明，由于 LED 是冷光源，故与目前普遍使用的白炽灯，荧光灯相比，其节能效率可以达到 90% 以上。以桥梁护栏等为例，同样效果的一支日光灯的功率为 40 多瓦，而采用 LED 每支功率只有 8 瓦，其颜色还可以七彩变化。

3）为固体光源，抗震，坚固耐用，使用寿命长，可靠性高

LED是半导体元件。与白炽灯不同，它没有玻璃、钨丝等易损可动部件，故障率极低，可以免维修。其体积小，质量轻，为环氧树脂封装，可承受高度机械冲击和震动，不易破碎。

在可靠性方面，LED 的半衰期（即光输出量减少到最初值的一半的时间）大概是 1 - 10 万小时，其平均寿命达 10 万小时。LED灯具使用寿命可达 5 - 10 年，可大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯的麻烦。相反，小型指示用白炽灯的半衰期（此处的半衰期值得是有一半数量的灯失效的时间）的典型值是 10万到数千小时不等，具体时间取决于灯的额定工作电流。

4）安全性好，属于绿色照明光源

LED 发热量低，无热辐射，为冷光源，可以安全触摸；能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，热量辐射都很少。

低压供电时，其防触电保护等级为 3 级，安全;直流供电时，其无闪频。 5）不含汞，无污染，无紫外辐射

LED 为全固体发光体，耐震，耐冲击，不易破碎，废弃物可回收，不会造成环境污染。由于LED 灯采用直流电源驱动，不会产生红外线和紫外线的光谱成

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分，无对外辐射，所以它既能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人的生理健康需求，是保护视力且环保的健康光源。

6）单色性好、色彩鲜艳丰富

LED器件发出的光纯度非常高，在光谱上的表现就是光线集中在某一小段波长上。其颜色饱和度可达到 130 %，全色彩，可使灯光更加清晰柔和。可通过化学修饰方法调整制造 LED 材料的能带结构和带隙，以实现红、黄、绿、蓝、橙多色发光。改变电流可是 LED 变色，如电流小时 LED 为红色，随着电流的增加，LED 可以依次变为橙色、黄色、最后变为绿色。

7）冷启动，无须预热时间，瞬间再启动，响应时间短

白炽灯的响应时间是毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级，其响应时间只有60 纳秒。LED 反应速度快，可在高频下操作特别适合用做汽车灯具的光源可为司机争取宝贵的减小交通事故的时间。

8）平面发光，指向性好

LED与点光源白炽灯不同，其是角度≤180°。设计时一定要注意利用LED光源有不同的视角度和视角度不能大于 180° 这一特点。

9）发光效率受温度影响大

LED发光效率会随温度升高而下降。一般情况下，芯片在温度超过 120 ℃时将失效。在灯具总成设计和制造工艺设计时，一定要考虑散热设计。

10）LED 芯片的体积很小，可以制成各种形状的器件，并且适用于易变的环境。

3 LED灯具寿命

3.1 LED寿命长的原因

白炽灯的发光机理是电能对发光钨丝进行加热而发光。经过相当长时间的加热，钨丝就会老化甚至烧断，至此白炽灯泡的寿命也就结束了。而 LED 的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的，二极管主要由 PN 结晶片、电极和光学系统组成，当在二极管的电极上加上正向偏压之后，会使电子和空穴分别注入 P 区和 N 区。这些进入 P 区的电子和进入 N 区的空穴都是非平衡少数载

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流子，当非平衡少数载流子不断与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。这就是发光二极管的工作机理[3]。

LED 的发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见，LED 主要靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，其特殊的发光机理决定了它的发光寿命长达 5 - 10 万个小时。

3.2 影响LED灯具寿命的因素

随着人们环保意识的增强，传统的照明设备的高耗电性和废弃物污染等问题已引起普遍重视，各地纷纷投入大量的金钱、人力、物力研发新的环保光源。而对于有“绿色照明光源”之称的 LED 灯具，人们常说它的寿命可达到 100 000 小时，但这只是水平较高的 LED 管芯的理论数据，是在省略了一些边界条件（即理想条件）的情况下得出的数据，在真正使用时还会有很多因素影响 LED 的寿命，主要有以下四个因素。

（1）管芯质量是决定 LED 寿命的首要条件

在 LED 的制造过程中，其他杂质离子的污染、晶格缺陷等工艺过程都会影响其寿命，因此采用高品质的 LED 管芯是首要条件。

（2）后工艺封装是否合理会影响LED的寿命

LED 的后工艺封装是否合理会影响 LED 的寿命。目前全球几大公司如 Cree、Lumilends、日亚等较高水平的 LED 封装都有专利保护，这些公司的后工艺封装要求水平都比较高，其 LED 的寿命也就有所保证。但大多数企业的 LED 后工艺封装仿制较多，从外形看还可以，其工艺结构及工艺质量却较差，因而严重影响了 LED 的寿命。

（3）灯具设计是影响 LED 灯具的寿命的关键问题

合理的灯具设计在满足灯具的其他指标之外，一个关键问题是要将 LED 点亮时产生的热能散发出来。将 Cree 等公司的优质 LED 原装品使用在不同灯具上，LED 寿命可以相差几倍甚至几十倍。例如，现在市场销售的集成光源灯具（单个 30 W、50 W、100 W），这些产品的光源与散热通道接触部分散热不畅，结果导致有些产品在点亮 1 - 3 个月后就导致光衰 50% 以上，有些产品在使

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用0.07 W左右的小功率管后，由于没有合理的散热机构，导致光衰非常快。这些产品技术含量低、造价低、寿命短。

（4）灯具电源对LED寿命而言至关重要

灯具使用电源是否合理也会影响其寿命。因为 LED 是电流驱动器件,若电源电流波动较大，或者电源尖脉冲出现频率较高，都会影响 LED 光源的寿命。电源本身的寿命主要取决于电源设计是否合理。在电源设计合理的前提下，电源的寿命就取决于元器件的寿命。

综上所述，若满足采用国际著名公司的 LED 管芯及后工艺封装的管子，灯具结构设计合理，电源稳定这四个条件， LED 灯具就可以连续使用 50000 h，其光衰也可控制在 30% 以内了[4]。

3.3 判断LED失效的依据

与其它电子元器件类似，以 LED 的失效是指在规定时间内，器件不能完成规定的功能，也就是称其功能丧失为失效。

对 LED 进行失效分析时，必须遵循先进行非破坏性、可逆、可重复的试验，再做半破坏性、不可重复的试验，最后进行破坏性试验的原则。应采用合适的分析方法，最大限度地防止被分析的器件（DUA）的真正失效因素、迹象丢失或引入新的失效因素，以期得到客观的分析结论。

可以用 LED 的某一个或者几个参数的变化当做其是否失效的判据。例如，常常使用 LED 发光强度与初始值的比值来做判据，其定义为：随着 LED 工作时间的增长，当其发光强度 Iv 下降到其起始值的某一个百分比值时，则认为该 LED 失效。这个百分比值可以是 50% ，也可以是 20% 。

显然，评估单个 LED 的失效水平意义不大，通常针对某一类具有相同属性的物件的群体进行失效评价才有使用意义。这就是说从一个 LED 群体中，用某一时间内器件失效的数量与整个群体总数的百分比来评价更有意义，也就是用所谓的失效率来评价器件失效的水平。

失效率的定义是指在某单位时间内某类物体失效（规定功能丧失）的百分数，用符号 λ 来表示，单位为 % 。例如，在某一系统中，共使用 10 万个 LED，在单位时间内失效率数为一个，则这个系统的 LED 失效率为十万分之一[5]。

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在 LED 的失效分析过程中，经常受到分析仪器设备和手段的，不能直观地证明失效的原因，高素质的分析工程师经常通过某些分析试验，采用排除的办法来推论反证失效原因。例如，DUA 为 8 × 8 红光 LED 点阵，半成品初测合格，灌胶后出现单点 LED 反向漏电流特大的现象，受仪器设备，只有直流电源和 LED 光电参数测试仪，不能做解剖或透视分析。在测试中发现 DUA正向光电参数无异常，而反向漏电流大，因此采用反向偏置并加大电流至数十毫安后，再测正向光电参数，前后结果无明显变化，由此说明反向偏置中的数十毫安并非从该 LED 芯片通过，从而推断并非由 LED 芯片造成漏电。

3.4 如何衡量LED的寿命

一切事物都有发生、发展和消亡的过程，LED 也不例外。早期的 LED 只是手电筒、台灯这类礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。但是现在 LED 已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的 LED 路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。过去认为 LED 寿命一定是 10 万小时的神话似乎彻底破灭了。那么到底问题出在哪里呢？

假如不考虑电源和驱动的故障，LED 的寿命终止会表现为它的光衰，也就是说时间长了，其亮度会越来越暗，直到最后熄灭为止。

LED 的寿命主要取决于 LED 芯片的质量、芯片的设计和芯片的材料。直接影响 LED 寿命的关键因素有两个：一是驱动电流的变化 —— 达到某个阈值以后，启动 LED 的电流越高，发光发热就越多；二是工作环境温度 —— 温度越高，出光就越少。此外，LED 灯具的安装及固定方式对其寿命也有很大的影响。

LED 芯片对温度异常敏感，这也是半导体的共性。一般用 LED 照明光源光通量流明值下降到初始值的 50% 的时间来定义其寿命。50% 就是 LED 的半衰期，例如，φ 5 LED 在室温情况下，在 20 mA 电流驱动下的寿命为 10 万小时，也就是说 10 万小时后，其光通量还保持在原来的一半[6]。

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LED 的半衰期与 PN 结（Tj 点）结点的温度关系可用如图 3.1 曲线表示

BtB0et/ck[7]，其关系为 式中， Bt 为使用 t 后的光通量， Bo 为初始使用的光通量； e 为对数常数；c 为常数；t 为使用时间；k 为温度。

不管如何测量，半导体照明光源的寿命通常是比较长的，这对 LED 产品应用来说是一个很有意义的因素。

随着使用时间的推移，LED 的光衰量非常小。一般情况下，LED 光源的使用寿命是 50 000 h或者更长。如果其中一个 LED 损坏了也不会影响整个灯的继续照明。

LED灯的使用寿命还取决于每天工作多少小时如图表 3.1 所示。

每天工作时间 每天24小时 每天工作18小时 每天工作8小时 5 万小时等于 5.7 年 7.4 年 17.1 年 10 万小时等于 11.4 年 14.8 年 34.2 年 图3.1 LED的半衰期与 PN 结结点的温度的关系

表3.1 LED 寿命与使用时间的关系

必须指出，50 000 h 是 LED 在实验室老化的预期寿命。从目前的制造技术来看，要做到灯具整体达到50 000 h 的寿命是很困难的。灯具寿命和光源寿命不能混为一谈

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4 与 LED 寿命相关的几个因素

4.1 LED 的光衰及其影响因素

LED 产品的光衰就是指在,传输中的信号减弱。现阶段全球 LED 厂家制造出的 LED 产品的光衰程度都不同，大功率 LED 同样存在光衰，这和温度有直接的关系，主要是由晶片，荧光粉和封装技术决定的。目前，市场上的白光 LED的光衰可能是其向民用照明进军过程中的首要问题之一。LED 的光衰主要有以下两大要素。

一、LED 产品本身的品质问题

（1）采用的 LED 晶粒体质不好，亮度衰减较快。

（2）生产制作流程存在缺陷，LED 晶粒散热不能良好地从 Pin 脚导出，导致 LED 晶粒温度过高，从而使晶片衰减加剧。

二、使用条件问题

（1）LED 为恒流驱动，而有部分LED采用电压驱动，由此加速了LED 亮度的衰减。

（2）驱动电流大于额定驱动条件。

其实，导致 LED 产品光衰的原因很多，最关键是热的问题，如一些厂商不特别注意散热问题，使其产品长期使用下的光衰程度比有注重散热的 LED 产品要高。LED 晶粒本身的热阻、银胶的影响、基板的散热效果，以及胶体和金线方面也都与光衰有关。

对有些灯具厂商采用中国产的管子制作的 LED 灯具进行测试，发现灯具点亮时其结温为 140 ℃ - 150 ℃，且不到5 000h LED的光衰就达到了 60% 以上。这种灯具由于光衰太大，所以不能使用。若使用美国 Cree 公司的 LED，在灯具点亮时结温保持在100 ℃ 以下，可达到 50 000h 光衰小于 30% 的效果，由此可见这种 LED 的光衰都比较小，可在灯具中使用[7]。

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4.2 LED的结温及其影响因素

LED 的基本结构是一个半导体的 PN 结。实验指出，当电流通过 LED 器件时， PN 结的温度将上升。以严格意义上说，是把 PN 结区的温度视为结温的。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，所以也可把 LED 芯片的温度视为结温。

当 LED 的结温升高时，器件输出的光强度将逐渐减小，而在结温下降时，输出光的强度将增大。LED 在工作时，以下四种情况会促使结温不同程度上升。

（1）器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互累加，构成了 LED 器件的串联电阻。当电流流过 PN 结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，导致芯片温度或结温的升高。

（2）由于 PN 结不可能极端完美，所以器件的注入效率不会达到 100 % 。也就是说，在 LED 工作时除 P 区向 N 区注入电荷（空穴）外， N 区也会向P 区注入电荷（电子）。一般情况下，后一类电荷注入不会产生光电效应，因而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，而是有意部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终促使结温升高。

（3）实践证明，出光效率的是导致 LED 结温升高的主要原因。目前，先进的材料生长与器件制造工艺已能使 LED 的绝大多数输入电能转换成光辐射能。然而由于 LED 芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，所以致使芯片内部产生的绝大部分光子（ > 90 % ）无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，从而最终促使结温升高。

(4) LED 器件的热散失能力是决定结温高低的有一个关键条件。散热能力强时，结温下降；反之，散热能力差时，结温将上升。由于环氧胶是低热导材料，所以 PN 结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量将通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层、PCB 与热沉（微型散热装置）等途径向下发散。显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。一个普通型的LED，从 PN 结区到环境温度的总热阻在 300 – 600 ℃/W 之间。一个具有良好结构的功率型 LED 器件，其总热阻约为15 - 30 ℃/W 。巨大的热阻

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差异表明普通型器件只有在很小的输入功率条件下才能正常工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高[8]。

4.3 LED器件的最高结温及其影响因素

所谓最高结温是指一个 LED 器件在正常工作条件下所能承受的最高温度。

在最高结温下，LED 的出光效率除去会发生可恢复性的变化外，还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。换言之，白光LED 器件在最高结温下工作，一方面会导致芯片的出光效率有所下降，另一方面则会引起荧光粉效率的衰减，如图 4.1 所示。为此，当环境温度升高时，应适当减小工作电流，直至环境温度升至临界温度，此时工作电流减至零，结温等于环境温度。

通常有两种原因促使

lm/W44424038363432406080Ti/℃100120图4.1 LED出光效率与结温的关系

高温下 LED 的输出性能

发生永久性衰减。一个原因是材料本身的内缺陷。众所周知，高亮 LED 器件通常都采用 MOCVD 技术在 GaAs、蓝宝石等异质衬底上通过外延生长 InGaAIP 或 InGaN 等工艺制成，为提高发光效率，外延材料均含有多层结构，由于外延层之间存在着或多或少的晶格失配，从而在界面上形成了大量诸如位错等结构缺陷。在较高温度时，这些缺陷会快速增殖、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低器件的注入效率与发光率。另一个原因是在高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电级的快扩散杂质也会引入发光区，形成大量的深能级（指靠边导带的空穴束缚态，或能量很接近价带顶的电子束缚），同样会加速 LED 器件性能的衰变。高温时，LED 封装环氧存在着一个重要特性，

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即当环氧温度超过一个特定温度（ Tg = 125 ℃ ）时，封装环氧将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状的物质。此时材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，这个拐点所对应温度即为环氧树脂的玻璃状转化温度，其值通常为 125 ℃。当器件在此温度附近或是高于此温度变化时，将发生明显的膨胀或收缩，致使芯片电极与引线受到额外应力而发生过度疲劳乃至脱落损坏。

此外，当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温度 Tg ），封装环氧（特别是与芯片临近部分的）会逐渐变性，发黄，影响封装环氧的透光性能。这是一个潜移默化的过程，随着工作时间的延长，LED 表面将逐渐失去光泽。显然工作温度越高，这种过程将进行的越快。为解决这一困难，特别是在大功率器件的制作过程中，一些先进的封装结构已经摒弃了环氧材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC 等材料来制作透镜；另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面，中间填充一种胶状的性能稳定的透明硅胶。实践证明，通过如此改进，LED 器件的性能与稳定度获得了明显的改善。

4.4 LED的热阻及减小其热阻的途径

热阻定义为：在热平衡条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻符号为 TR ；热阻单位为 K/W 或 ℃/W ( K 是开尔文温度， ℃ 是摄氏度温度 1 K = 273 + 1 ℃ )。热阻是表征系统热性能的一个主要参数。器件的总热阻就是 LED 各个结构层热阻和扩展热阻之和。 LED 的热阻值可用热阻测试仪测得。

热阻不仅与器件和灯具的寿命有关，还会直接影响到发光效率，这是因为LED 的发光效率均岁温度的升高而降低，如果一个发光效率高的功率器件的热阻较大，用其做成灯具工作时，发光效率下降会相当严重，所以功率 LED 除应给出光电参量外还应标明热阻值。

目前较差的 1 W 功率LED的热阻值在 10 – 20 ℃/W 之间，较好的是8 – 9 ℃/W ，最好的为 3 – 5 ℃/W。随着优质导热材料的采用和器件热结构技术的进展，功率 LED 的热阻值有望继续减小，使器件工作时的结温降到相当低的程度。

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一般可以通过以下途径减小 LED 的热阻值。 一、减小晶片的热阻值。 二、最佳优化热通道。

（1）通道结构，要求其长度（ L ）越短越好，面积（ S ）越大越好，环节越少越好，并且要消除通道上的热传导瓶颈。

（2）通道材料的导热系数λ越大越好。

（3）改良封装制造方法，令通道环节间的界面接触更紧密可靠。 三、强化电通道的导热，散热功能。

四、选用导热、散热性能更高的出光通道材料。

5 LED老化实验

5.1 LED 的老化及其寿命测试

在 LED 芯片中高电流密度会导致热化和强电场现象。持续的高温和强电场可能会增强原子的扩散和造成电极的意外熔合, 与此同时也有可能增加断层密度和点缺陷。用作 LED 外壳的大部分树脂会被短波光子所产生的辐射破坏。树脂吸收光子所发出的能量和化学反应中所释放的能量, 可导致树脂的颜色变暗, 从而进一步增强树脂对光的吸收。而且在较高的温度下, 这种反应会有所加剧。

热化循环会引起热应力并且损坏焊接部件。热应力也许会导致半导体芯片中的原子扩散或断层运动的增强。

化学反应和原子扩散会导致设备逐渐老化。另一方面, 设备的突然老化主要是由热化循环造成的。一般的寿命测试主要研究逐渐老化过程。

从实用的观点出发, 人们很有必要利用尽可能短的实验时间对设备在给定温度下的使用寿命进行估计。因为 LED 的使用寿命较长( 可达几万小时 ) , 所以利用提高注入电流密度的方法完成加速寿命实验。高电流密度会导致热化并且损坏 LED 芯片周围的树脂, 因为其温度超过了树脂的玻璃态转化温度。这正是加速测试实验的难度所在, 即过多的热量必须从外壳中提取出来。为解决这个难题，可以设计的一款大功率LED 模块可以克服上述长期以来存在的问题。

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5.2 大功率 LED 封装结构

设计的大功率 LED 外壳可用于照明模块中。在一个外壳中有 5 个 LED 芯片。它们的连接方式为串联。该模块的功率为 2.4 W, 并且其几乎所有的能量都以热能的形式损耗掉了。为了使结温 Tj 维持在适宜的较低温度, 热量必须散发到该模块外部, 这种设计结构可使热量从芯片直接传导至金属衬底组件上。

可抗高温外壳的使用寿命需要通过加速测试实验来测定。该外壳由氧化铝陶瓷材料制成。它不会被可见光区和紫外线区域内的光子辐射所损坏。并且能耐高达几百摄氏度的高温。

因为 LED 芯片是在高温下利用金属有机化学汽相淀积( MOCVD 作用) 制成的, 所以其外延层在高温下是稳定的。另一方面, 金属电极是通过蒸发方法制成的, 其加工温度远低于 MOCVD 外延层的加工温度。芯片的焊接借助金质凸点来完成。由于金元素的化学性质稳定, 因此它具有耐热化和光辐射的能力。

一个半球状光学元件的应用可以增加出光率。该元件由透明的硅树脂材料制成, 且其折射率约为 1.4 ,该数值介于蓝宝石与空气折射率之间。该芯片底部填充部分也由透明的硅树脂制成, 它可以保护芯片, 将光学部件固定在适当的位置。荧光板由硅树脂和荧光粉制成。该荧光板可将发出的部分蓝光转变为黄光。黄光再与剩余的蓝光混合在一起使荧光板发出白光。对用于光学元件及荧光板中的硅树脂材料的光学性能做了研究, 发现其在高达 260 ℃ 的温度下仍可保持透明度[9]。

5.3 热阻( Rθ ) 的测量方法

本实验的目的在于得知工作条件与设备使用寿命之间的关系。工作条件中的两个重要因素是驱动电流和结温 Tj 。且结温 Tj 通过 Rθ ( 在 p n 结与铜板之间) 进行计算。因此, 为了获得可靠、准确的数据, 可以用两种方法对 Rθ 进行测量。一种是常见的电压梯度法, 另一种是利用热像仪。

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LED 模块安装在铜基电路板上。电路板的形成特别设计成开放式的, 因此其外壳直接用铜和焊料焊接。铜板通过热导密封垫与热沉相连。热沉通过Peltier 设备来控制温度。实验设备如图5.1 所示[10]。

可以对结温 Tj 进行了常规测量。在外壳中串联有 5 个芯片。再对连接在一起的 5 个芯片逐一进行测量。每一个芯片内部的温度分布情况并不完全一致。因此我们用平均值作为最终测量结果。

利用这种方法必

须去除荧光板、光学组件和底部填充剂, 直接确定芯片内的温度分布情况。因此, 原则上我们必须关注 Tj 在去除硅树脂后可能出现的变化。对热传导过程的计算证实几乎所有的热量是通过金质凸点而非硅树脂来传导的。这说明 Tj 的测量与是否去除了硅树脂无关。

Rθ = 78.9 ℃/W。其数值与由常规测量方法获得的数值相同。我们利用这两种方法测得的热阻值完全一致。因此, 我们证实用两种方法测得的数据可靠、准确。

再利用热像仪分别对 1 块芯片和 5 块芯片进行测量, 其测量结果是在同位置测量到的 Rθ 值的 1.2 倍。

在计算中, 我们定义热阻为 5 块 LED 芯片平均温度的平均值。通过热像仪所测得的此数值为 100.2 ℃/W。因此, 我们假定其热阻为 100 ℃/W。

图5.1 热阻测量装置

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5.4 LED 结温及光通量的测量

5.4.1光通量的测量及积分球的使用

光通量的有积分球法和变角光度计法两种方法。变角光度计法是测试光通量最精确地的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量，如图 5.2所示。用积分球法测LED光通量时有两种测试结构：一种是将被测 LED 放在球心；另外一种是将其放在球壁[11]。

图5.2 积分球法测LED光通量

积分球的基本工作原理：光线由输入孔入射后，光线在球内部被均匀的反射及漫射，在球面上形成均匀的光强分布，因此输出孔所得到的光线为非常均匀的漫射光束。而且入射光之入射角度、空间分布、以及极性都不会对输出的光束强度和均匀度造成影响。同时因为光线经过积分球内部的均匀分布后才射出，因此积分球也可当作一个光强衰减器，输出强度与输入强度比大约约为：光输出孔面积/积分球内部的表面积。 5.4.2 结温的测量

结温测量的实验装置如图 5.3 所示。恒温箱 ( 1 ) ( WG 243 型电热鼓风干燥箱)被用来控制 LED 的环境温度,误差小于 1 ℃。LED 支架可以方便的固定LED ( 2 ) 以及测量电路和热电阻 ( 3 ) ( Pt100标准热电阻) 。热电阻被焊接在LED的阳极管脚上, 它的电阻值由万用 ( 4 ) ( VC 9802 A )来测量。电源 ( 5 ) ( SS P3112 光

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谱仪的稳流电源 ) 给 LED提供恒定直流。另一只万用表 ( 6 )( VC 9802 A ) 用来测量LED 的正向电压。 LED 发出的光通过透镜 ( 7 ) 汇聚后,透过恒温箱的玻璃窗口 ( 8 ) ,进入光谱仪 ( 9 ) ( SSP 3112 光谱仪 )的积分球。

在恒定电流 ( 20 mA ) 改变环境温度 ( 35 ～ 100 ℃ ) 测量的情况下,可以

图5.3 测量结温的装置

测得初始电压与初始结温符合很强的线性关系。

所以可以通过测量正向电压确定结温:

Tj = T0 +（Vt - V0）/K其中T0 是作为参考的环境温度, V0 是在T0 下的初始电压; Tj 和Vt 分别是稳定时的电压。整个测量过程中,电流要保持恒定。系数K可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到K = (V1 - V0 ) / ( T1 - T0 ) ,也可以通过测量多组参考温度和电压作线性拟合得到。选择靠近拟合直线的测量点(95. 0 ℃, 3. 805 V)作为参考点,实验中LED通电后稳定时的结温可以由下面的公式来确定: Tj = [95.0 - 202.1 ×(Vj - 3.805) ] ℃[12]。

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5.5 影响实验的几个因素

5.5.1温度因素

在 100 - 1 000 h 的时间间隔内对每个样品的光通量进行了测量, 直至其光通量衰减为初始值的 50 % 时结束测量。5 个样品的平均结温分别为 180 ℃( No. 1 – 5 )、210 ℃( No. 6 – 10 )、 225 ℃( No. 11 – 15 )、240 ℃( No. 16 – 20 ) 和250℃( No. 21 –25 ) 。工作温度越低, 样品寿命越长。当实验结束时, 该样品的光通量为初始值的 60 % 。此时其工作时间已超过 15000 h。

老化情况明确地显示了光输出对结温的依赖程度,这种结温依赖关系符合指数函数

5.5.2 电流和光子因素

在固定结温为 200 ℃、不同的正向直流电流条件下测得的结果可知。当工作电流低于 5 mA 时, 样品的老化率几乎不变。当电流大于饱和电流(约为 5 mA )

图5.4 LED的ViIf特性

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时, 即使正向电流发生改变, 芯片内的电场也不会有什么变化, 如图 5.2 所示。这可以说明扩散的饱和现象的出现取决于电场情况。既然老化情况显示注入电流对光输出仅有微弱的影响, 那么在我们的分析中电流因素可以忽略不计。光强( 光通量) 与注入电流是成比例的。因此在当前实验中, 电流和光子辐照产生的影响无法被区分。 5.5.3 峰值波长的改变

峰值波长的变化量为 1 – 5 nm 。因为 LED 的发射峰值偏离了荧光粉的激发峰值, 所以峰值波长的改变会导致白光 LED 模块的光输出量减小。但是这个影响并不显著,可以认为白光输出量最多只减少百分之几。

5.6实验结果讨论

5.6.1 光通量的衰减

早期有关设备寿命是否取决于工作电流和温度方面的研究中曾涉及过 GaAs 和 GaAlAs 基底 LED。作者们的报告指出在加速寿命实验中发射强度的减少量与设备运行时间的平方根成比例。但是实验所测得的 GaN 基底 LED 相关数据并不十分符合平方根类型函数。

许多研究均基于 AlInGaP 系统。该系统在黄光至橙光的波长范围内可以提供很高的光通量, 并且其在指示灯等许多领域中都有应用。在有关 AlInGaP 系统的一些早期研究中曾提及光输出量的衰减过程的特点可以被描绘为指数式衰减。

基于 GaN 外延附生的蓝光和绿光 LED 的结构与基于 GaAs 或 AlInGaP 常规材料的 LED 的结构有很大的差异。一种具有 InGaN AlGaN 双电子异质结构且其亮度大于 1 cd 的早期蓝光 LED 样品的衰减过程早已被研究过了。该早期蓝光 LED 的衰减数据报告显示其变化符合指数函数。早期的白光 LED 的衰减也符合指数曲线。

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5.6.2 Arrhenius 模型[14]

针对 GaAs 的研究表明发光强度的衰减与工作电流之间的关系可用Eyring 模型表示。另一方面, 在研究中人们发现光强的衰减与温度之间的关系不符合 Arrhenius 模型。作者们把导致衰减的原因不仅仅归咎于温度, 除此之外还有电流密度、压缩程度等其他因素。另外, 在其样品内可观察到有暗线, 由此暗示出实验设备不同程度的出现了衰减现象。这使得很难获得精确的衰减实验数据。

此外, 其他的一些早期研究也提出了光输出衰减的特点是呈指数式衰减并且衰减率可以表示为温度的倒数函数。从适合的 Arrhenius 图中, 我们可以得知其激发能为0.8 eV 。

图5.5 Arrhenius 模型图

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在 InGaN 方面的其他研究中,实验还发现光输出衰减呈指数函数式并且就 Arrhenius 模型来看其激发能为 0.5 eV 。在这项实验中,没有观察到暗线并且其衰减是同质的。但是, 8 400 h 的使用寿命还是相当短的。

根据实验数据制成了 Arrhenius 图并且从中发现低性能和高性能LED 的激发能分别为 0.18 eV 和 0.92 eV 。对于低性能 LED 而言, 其受温度影响较弱,但是其使用寿命短( Tj 为 56 ℃ 时, 光输出量减少为初始值的 50 % 所用时间为 6 000 h ) 。另一方面, 高性能 LED 受温度影响较大但其使用寿命会更长( 在相同条件下寿命为 90 000 h ) 。

研究中受验设备的使用寿命( 光输出降至 50 % 时) 是结温倒数的函数。水平误差横线反映了 5 个样品的标准偏差。各点均在最小二乘法曲线上。R 2 是相关系数。我们所设计的照明器具的结温低于 130 ℃ 。在这种温度下, 其预期寿命会长于我们 40 000 h 的目标值。从 Arrhenius 图中可知其激发能为 1.55 eV 。这说明与上述研究中的设备相比它还具有较强的温度依赖性和较长的使用寿命。

5.6.3 衰减机制和维持问题

许多因素可以促使照明设备模块的光输出衰减。在完成加速寿命实验后, 对荧光板进行了检查。将使用过的荧光板从测试模块中移走并放入新的外壳中。当置入使用过的(测试过的) 荧光板后, 新外壳的光发射没有发生变化。这表明荧光板不是衰减的主要起因。

将一个硅树脂样品在烤箱中加热至 250 ℃ 且测量其光谱吸收量。在加热100 h 后,硅树脂对波长为 460 nm 的光线的吸收率大约为 85 % 。高温下硅树脂透明度的下降也许是引起照明设备光输出衰减的一个主要因素。在未来将要进行的深入研究中会确定硅树脂老化过程中的激发能的多少, 以及无硅树脂样品的测量方法。

其他的失效机理还包括来自于电极的金属原子和 或进入到活动层的掺杂原子的扩散, 其中有原子大量扩散或者是沿着断层扩散。

日光灯等一般照明设备的使用寿命定义为其亮度降至初始亮度的 70 % 时所经的时间。但是至今 LED 照明设备的使用寿命也没有被定义。尽管我们在评

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估 LED 使用寿命时,将其定义为 LED 亮度降至初始亮度的 50 % 时所经的时间, 但是我们当然也可以将其定义为亮度降至初始亮度的 70 % 时所经的时间。

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结 论

传统的LED寿命测试时直接测量其光强来获取LED寿命，这种方法不仅实验长，而且通常受到外界干扰影响实验准确性。

本实验首先通过将LED放在热电阻下加温，改变了其所处的环境，加速了LED 的老化，缩短了实验周期。减小了实验的偶然性误差。

其次，将LED放在干燥箱内，减少了外界湿度对实验的影响,同时在干燥箱内。

最后，由于LED 结温高低直接影响到LED 出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等，因此对结温、热阻等热学参数进行快速准确的测试是非常必要的目前主要的测试方法有红外热像仪法、电学参数法、光谱法等[15]。通过改变正向电压测得LED的结温，实验操作简单，降低了成本。

本论文通过文献调研，已经分析出发光寿命与LED结温、热阻的关系，光衰与温度、湿度等环境因素之间的关系。可以通过本实验测得LED发光寿命。

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谢 辞

感谢仇怀利教授的细心指导，和对论文内容提出的宝贵意见 感谢同学刘海生关于英文翻译对我提出的宝贵意见 感谢同学王辉关于文献检索对我提出的宝贵意见 感谢同学鲁兴泉提供的电脑

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