一直以來(lái)，可靠性與熱管理技術(shù)是制約LED照明高品質(zhì)的重要因素，蔓延在產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)。雖然如今對(duì)于可靠性的關(guān)注點(diǎn)，已從LED單個(gè)產(chǎn)品向整個(gè)系統(tǒng)可靠性的方向發(fā)展，但在這一過(guò)程中，新型散熱材料、熱管理技術(shù)、LED照明系統(tǒng)可靠性研究及設(shè)計(jì)、故障數(shù)據(jù)與失效分析、壽命加速老化測(cè)試方法、失效模式與仿真模擬等技術(shù)的進(jìn)步仍影響著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

 

　　為進(jìn)一步降低器件、電源的溫度，提高產(chǎn)品可靠性，各科研院所、研發(fā)機(jī)構(gòu)、企業(yè)等通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)新型散熱材料、熱管理技術(shù)，完善LED照明系統(tǒng)可靠性研究及設(shè)計(jì)，采用分析故障與失效數(shù)據(jù)，加速壽命老化測(cè)試及失效模式與仿真模擬等方法，從外延、芯片、封裝器件、熒光粉等不同環(huán)節(jié)積極探索。

 

　　2015年11月4日上午，在第十二屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇(SSLCHINA 2015)隆重召開(kāi)之際，“可靠性與熱管理”技術(shù)分會(huì)如期舉行，行業(yè)大咖如約而至，與參會(huì)代表共同交流、分享各自領(lǐng)域的最新研究成果。

 

　　中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博導(dǎo)趙麗霞女士和易美芯光( 北京) 科技有限公司CTO 及執(zhí)行副總裁劉國(guó)旭先生共同主持此次分會(huì)。

 

　　來(lái)自RTI國(guó)際建筑設(shè)計(jì)與防護(hù)系統(tǒng)的Lynn Davis主任分享了他在SSL器件加速老化測(cè)試案例的研究進(jìn)展，

 

　　他指出，SSL器件是由發(fā)光二極管（LED）、光學(xué)元件、反光片、電子驅(qū)動(dòng)及連接器等多個(gè)元件構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。為此類器件設(shè)計(jì)加速壓力測(cè)試（AST）是試圖在大幅度縮減時(shí)間框架下，為照明系統(tǒng)元件創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)失效模式的復(fù)雜項(xiàng)目。

 

　　“溫度、濕度及電應(yīng)力等一些環(huán)境壓力因素會(huì)加速老化和降解過(guò)程。” Lynn Davis表示，但因每項(xiàng)壓力因素對(duì)系統(tǒng)元件所產(chǎn)生的影響都不同，應(yīng)對(duì)此加以了解并得出產(chǎn)品的可靠性和壽命信息。通過(guò)對(duì)環(huán)境壓力條件和SSL器件進(jìn)行綜合研究，能夠更深入理解SSL系統(tǒng)加速測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)與局限。

 

　　Lynn Davis還與參會(huì)代表討論了SSL系統(tǒng)AST實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果，包括失效模式識(shí)別及與現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)，并介紹了SSL器件強(qiáng)加速應(yīng)力測(cè)試（HAST）的結(jié)果以及該方法中潛在失效模式的啟示和局限。

 

　　除此之外，他還為大家介紹了高溫運(yùn)行壽命法（HTOL）及濕高溫運(yùn)行壽命法（WHTOL）等其他AST方法。“有關(guān)上述測(cè)試方法對(duì)系統(tǒng)元件的影響，將重點(diǎn)關(guān)注LED、透鏡及電子驅(qū)動(dòng)等。為突出AST的優(yōu)勢(shì)，研究將等同的暖白光和冷白光產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，其中還包括檢驗(yàn)LED封裝方式（即中功率與高功率LED）以及其他LED屬性所產(chǎn)生的影響，如相關(guān)色溫（CCT）對(duì)流明維持率和色點(diǎn)穩(wěn)定性的影響。”Lynn Davis進(jìn)一步表示。

 

　　工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元件可靠性物理及應(yīng)用科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的路國(guó)光博士，在“高功率倒裝芯片LED熱學(xué)分析與可靠性鑒定”主題報(bào)告中表示，建立高功率倒裝芯片LED耐熱性理論模型很重要，基于該模型，可以讓結(jié)溫與襯底材料和鍵球材料熱導(dǎo)率變化率之間的關(guān)系得以有效確認(rèn)。

 

　　路國(guó)光還與參會(huì)代表分享了最新的實(shí)驗(yàn)成果。他表示，在三組倒裝芯片LED老化測(cè)試中，老化條件分別為160℃、170℃和180℃。根據(jù)線性回歸分析、最小二乘法、擬合優(yōu)度測(cè)試及其他統(tǒng)計(jì)方法，高功率倒裝芯片LED壽命預(yù)測(cè)值為在25℃條件下時(shí)長(zhǎng)37718小時(shí)。

 

　　隨后，飛利浦（中國(guó)）投資有限公司質(zhì)量首席工程師陶國(guó)橋發(fā)表了主題為“可靠性卓越的SSL制造”的精彩報(bào)告。他指出，產(chǎn)品的高可靠性是指故障率低，而低故障率的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)卓越的產(chǎn)品制造。

 

　　通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)案例，陶國(guó)橋進(jìn)一步闡明：可靠性卓越SSL的制造是必要的，而且也是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

 

　　河海大學(xué)、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（北京中心）、半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（常州基地）樊嘉杰博士做了題為“熒光轉(zhuǎn)換型白光LED的熒光材料光致發(fā)光機(jī)理及其熱效應(yīng)研究”的精彩報(bào)告。

 

　　樊嘉杰表示，熒光轉(zhuǎn)換型白光發(fā)光二級(jí)管（LED）通常是由藍(lán)光（或近紫外光）與受藍(lán)光（或近紫外光）激發(fā)熒光材料所發(fā)出的光混色成白光的一種光源，具有光效高、污染小、色彩豐富、成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是新一代綠色照明的必然選擇。

 

　　作為一種照明光源，白光LED光源的“質(zhì)”（光/色品質(zhì)或顏色）和“量”（發(fā)光效率）共同決定了人們對(duì)所見(jiàn)物體的主觀感受。

 

　　目前，當(dāng)發(fā)光效率超100lm/W（實(shí)驗(yàn)室水平超過(guò)200lm/W），白光LED光源已經(jīng)具備了應(yīng)用于普通照明的條件，基本解決了照明光源的“量”問(wèn)題。此后，人們對(duì)照明光源的要求開(kāi)始由“發(fā)光效率”向“光/色品質(zhì)或顏色”轉(zhuǎn)變（例如，顯示器用照明光源，醫(yī)用照明光源以及藝術(shù)裝飾照明等應(yīng)用領(lǐng)域）。

 

　　“其中，由熒光粉和硅膠組成的熒光材料對(duì)白光LED 的發(fā)光效率、顏色穩(wěn)定性以及顯色指數(shù)等都有很大的影響。”樊嘉杰表示，由于熒光材料常常靠近LED藍(lán)光芯片，需要在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間工作，所以對(duì)熒光材料的光致發(fā)光機(jī)理和其熱效應(yīng)的研究顯得至關(guān)重要。

 

　　樊嘉杰還通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：通過(guò)設(shè)置材料參數(shù)與光源的光譜對(duì)熒光材料進(jìn)行仿真可以取代實(shí)驗(yàn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的表征和材料組成的設(shè)計(jì)；其次，光譜圖的仿真將用于后續(xù)對(duì)混合熒光粉光致發(fā)光機(jī)理的研究。

 

　　據(jù)樊嘉杰介紹，該項(xiàng)研究工作已經(jīng)得到歐洲EMRP項(xiàng)目，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”No. 2015AA03A101，江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目No. BK20150249資助。

 

　　意大利帕多瓦大學(xué)Matteo Meneghini在主題為“向高可靠性氮化鎵發(fā)光二極管：理解漸進(jìn)的和災(zāi)難性故障的物理起源”報(bào)告中，首先回顧了造成GaN基高效率LED退化的物理機(jī)制，以及他們的最新研究成果，并就在降解器件的有源層時(shí)，是由于非輻射缺陷的產(chǎn)生以及通過(guò)連接處建立的分流路徑；降解熒光體包裝體系，具有隨之而來(lái)的惡化的LED的色屬性；突發(fā)故障，是由于靜電放電和電過(guò)載等三大方面的問(wèn)題與現(xiàn)場(chǎng)參會(huì)代表進(jìn)行的深入討論。

 

　　Matteo Meneghini指出，在過(guò)去的十年GaN基LED已經(jīng)證明是對(duì)于高功率光源制造的優(yōu)良設(shè)備，這要感謝高發(fā)光效率、高固有的魯棒性和小芯片尺寸。

 

　　“由于這個(gè)原因，這些設(shè)備在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)均得以廣泛應(yīng)用，包括一般和工業(yè)照明、汽車及生物醫(yī)學(xué)照明應(yīng)用。這些應(yīng)用需要高可靠性（壽命> 50000 H）以及光輸出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。”Matteo Meneghini進(jìn)一步表示，還一些報(bào)告也指出，高功率LED可能出現(xiàn)過(guò)早退化，原因是逐漸或突然出現(xiàn)故障的機(jī)制。

 

　　達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)照明技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Max Wagner & Alexander Herzog與大家分享了有關(guān)LED老化加速的最新研究成果——14000小時(shí)LED降解測(cè)試與老化數(shù)據(jù)分析。

 

　　在LM 80測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法的流明維持率光源一生中進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)然，客戶的第一興趣是光通量。只要光譜行為不隨時(shí)間變化，存在這樣的方法是毫無(wú)疑問(wèn)的。不過(guò)，不幸的是一些LED燈（尤其是白色的）頻譜會(huì)在老化過(guò)程中發(fā)生改變。

 

　　Max Wagner & Alexander Herzog分析認(rèn)為，由于光通量的積分值用V（函數(shù)）被加權(quán)，光譜紅色和藍(lán)色部分的降解要小于綠色和黃色光譜范圍的變化。這就是對(duì)于光功率老化曲線相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)方法生成的曲線會(huì)有不同的結(jié)果的原因。

 

　　Max Wagner & Alexander Herzog還強(qiáng)調(diào)，光譜帶及其比例在整個(gè)壽命期間都必須進(jìn)行分析和比較。這些方法被用來(lái)檢測(cè)是基于物理或化學(xué)過(guò)程降解的機(jī)制。光通量UND光功率老化曲線進(jìn)行比較并由所述方法進(jìn)行分析，外推法和加速壽命測(cè)試則被用來(lái)預(yù)測(cè)光譜變化及其特點(diǎn)。

 

　　除了燈具層面的熱管理創(chuàng)新外，深入到更為微觀的層面，如外延、芯片及封裝領(lǐng)域，也是眾多業(yè)內(nèi)專家努力的方向。

 

　　來(lái)自易美芯光(北京)科技有限公司的孫國(guó)喜就為大家介紹了“支架型LED封裝硫化光衰的失效機(jī)制和測(cè)試方法”。

 

　　孫國(guó)喜指出，中功率支架型LED是當(dāng)前液晶背光和照明替換光源的最常用的封裝形式。其支架由鍍銀的銅基板和白色塑料外殼組成，兩個(gè)材料都是高反射率用以提高LED的出光。而鍍銀層會(huì)受到一些有機(jī)氣體或化學(xué)物的侵蝕而逐漸變暗、變黑，從而使LED產(chǎn)品出現(xiàn)光衰，特別是在高溫和光照下，硫及其化合物是空氣中常見(jiàn)的氣體污染，極易與銀反應(yīng)形成硫化銀。

 

　　硫化實(shí)驗(yàn)被廣泛用來(lái)評(píng)估LED封裝材料和產(chǎn)品的氣密性，其測(cè)試方法最初來(lái)源于印刷電路產(chǎn)品的硫化測(cè)試，并進(jìn)行了不同的調(diào)整。這些不同的測(cè)試方法各有利弊，不易對(duì)封裝材料和產(chǎn)品進(jìn)行客觀的一致的評(píng)估和對(duì)比。

 

　　通過(guò)LED硫化測(cè)試中各參數(shù)（包括容器、待測(cè)品排布、污染源、溫度、時(shí)間等）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響提出了一個(gè)簡(jiǎn)單可行、重復(fù)性和分辨率佳的測(cè)試方法和設(shè)置及參數(shù)。“采用這個(gè)測(cè)試評(píng)估方法可以有效指導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝材料選擇和封裝工藝優(yōu)化，從而系統(tǒng)性的提高產(chǎn)品對(duì)有害氣體的抵抗能力。”孫國(guó)喜分析認(rèn)為。

 

　　此外，針對(duì)硫化導(dǎo)致的光衰與溫度和時(shí)間的關(guān)系，以擴(kuò)散理論為模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，還提出了硫化光衰遵循的經(jīng)驗(yàn)公式。

 

　　中科院半導(dǎo)體研究所符佳佳博士在主題為“對(duì)于鎵氮基LED的老化行為和失效分析的相關(guān)研究”報(bào)告中，著重介紹了正裝、垂直和倒裝LED的失效行為以及相關(guān)失效分析。

 

　　他通過(guò)研究不同結(jié)構(gòu)LED的老化行為，了解到相對(duì)于正裝LED，垂直倒裝LED在高溫老化下具備高可靠性，但也在初始老化時(shí)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。同時(shí)，他驗(yàn)證了LM-80對(duì)于計(jì)算不同結(jié)構(gòu)LED的壽命的可行性和準(zhǔn)確性，以及嘗試驗(yàn)證是否可以縮短老化時(shí)間，以準(zhǔn)確計(jì)算LED壽命。

 

　　之后，在失效分析過(guò)程，采用了反射率測(cè)定、SIMS測(cè)試、芯片的表面和截面觀察與測(cè)試等技術(shù)手段，分別從封裝材料，連接處和芯片三個(gè)角度進(jìn)行失效分析，獲得了一些不同以往的失效分析結(jié)果，對(duì)改善LED的可靠性提供了一些新的研究方向。