大功率白光LED的应用及其可靠性研究

1 简介

　　半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，上世纪九十年代以来，随着以GaN和SiC为代表的第三代半导体的兴起，蓝色和白色发光二极管相继研究成功，使实现半导体白光LED照明成为可能。大功率白光LED作为半导体光源，相比传统照明光源，有节能、寿命长、绿色环保、使用电压低、开光时间短等特点。大功率白光LED技术迅速发展，有着极为广阔的应用前景，而器件的可靠性是实现其广泛应用的保证。

　　2 大功率白光LED的应用

　　大功率白光LED主要用在照明市场，需根据不同的要求专门设计产品。主要可以归纳为在以下几个方面的应用：

　　（1）景观照明市场：包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。

　　（2）汽车市场：车用市场是LED运用发展最快的市场，主要用于车内仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。

　　（3）背光源市场：LED作为背光源已经普遍运用于手机、电脑、便携式电子产品等。

　　（4）户外大屏幕显示和交通信号灯。由于LED具有亮度高、寿命长、省电等优点，在金融、证券、交通、机场等领域备受青睐。尤其是在全球各大型体育馆几乎已经成为标准设备。

　　（5）特殊照明和军事运用：由于LED光源具有抗震性、耐潮性、密封性等特点，以及热辐射低、体积小、重量轻等优点，可以广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣的工作环境中。

　　（6）其他应用：还可应用在玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工业产品之中。作为全球轻工业产品的重要生产基地，我国对LED有着巨大的市场需求。

　　3 大功率白光LED的可靠性研究

　　由于大功率LED应用已经广泛开展，半导体照明材料的突出优点：节能，绿色环保，高效，寿命长，后期维护成本低廉，相比较传统的光源有着十分诱人的特点，但在实际的应用过程中，LED的性能并没有像人们预期的那样表现出来，而是出现了各种各样的问题。比如说，寿命长这一突出特点，理论估计为十万小时，但在实际的使用条件下，才有几千小时。因此，大功率白光LED要想得到长远的发展，并且最终能够替代传统光源，其可靠性的研究是必须且紧迫的。

　　通常LED可靠性研究大致可以分为两个方向：

　　3.1 基于半导体物理学的失效机理分析

　　半导体器件的可靠性分析大都是围绕其寿命来表征的，因此大都是寿命试验与失效机理分析相结合来进行的。由于LED的理论寿命长达十万小时，通常一般的寿命试验需要很长的时间，当试验结束了，所选用的产品也该荒废了。对于寿命较长的LED器件，要根据条件选用加速寿命实验。加速寿命试验按方法分为：恒定应力加速寿命试验，步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验。恒定应力加速试验操作和控制相对简单，技术已比较成熟，外推数据准确，由此得到的寿命可靠，缺点是仍然比较费时。步进应力加速试验现在是研究的热点，能够减短试验时间，降低对试样数量的要求，具有比恒定应力试验更高的加速效率，但目前多用在前期应力范围的确定中，如金玲在GaAs红外发光二极管加速寿命试验，到电流步进摸底试验来摸清试验器件所能承受的最高电流应力。序进应力试验中应力随时间不断上升，可以更快地激发器件失效，从而进一步提高了加速寿命试验的效率。但由于外加应力难以精确控制，在试验过程中容易引起失效机理的改变，因此并不常用。LED器件多是电流驱动，并且受温度影响显着，因此常选用电流和温度作为应力。加速试验是进行可靠性分析的有效手段，但是必须保证器件的失效机理在整个试验过程中不发生改变。