溫度對大功率LED可靠性的影響
作者：
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編輯：
瑞凱儀器
來源：
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發布日期： 2020.06.19
電子產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,器件的壽命呈指數規律下降。大功率LED的結溫常常比較高，這是因為(1)芯片的內量子效率不可能達到100%。注入的電荷(空穴)只有一部分發生輻射復合，產生光子，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的不一致,致使芯片內部產生的一部分光子無法順利地從芯片中溢出，而是在界面處產生全反射，返回到芯片內部。熒光粉激發出的光也有一部分進入芯片內部。這些光在LED芯片內部經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，使芯片產生的熱量散發不出去，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在使內量子效率降低。內量子效率是溫度的函數，溫度越高內量子效率越低。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，使芯片的發射波長和熒光粉的激發波長不匹配，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不匹配，過高的溫度也會使熒光粉層的光轉換效率下降。
溫度對LED光源可靠性的影響主要表現在使LED出現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，結溫和外界環境溫度之間的溫度差會造成LED內部較高的溫度梯度，由于材料之間的CTE失配，使LED發生分層、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，找出高溫下會引發的缺陷或者設計的薄弱環節，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潛在的缺陷或者設計的薄弱環節在較短的時間內發展為實際的失效，確認溫度可能導致的失效的形式和機制。
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