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瑞凯仪器 | LED加速寿命试验及老化机理分析

作者: 编辑: 来源: 发布日期: 2019.04.28

如今,LED照明已成为照明行业的主流,瑞凯仪器认为,对其可靠性进行研究尤为重要。对白光LED采取高温高湿加速老化的方法进行时长504h的老化试验,每隔168h进行1次光电色参数测量;计算出样品光退化幅度为0.6% ~2.1%;分析出现光衰的主要因素。此外,对LED进行了ESD冲击试验,绘出其I-V特性曲线,并分析ESD影响LED特性的原因。

瑞凯仪器 | LED加速寿命试验及老化机理分析

LED具有低电压、低能耗、长寿命、高可靠 性、易维护等优点,符合绿色照明与显示工程的节 能环保要求,已经广泛应用于图像显示、信号指示 和照明领域。虽然LED光源已逐步取代其他光源 成为照明行业的主流,但其寿命及其可靠性仍有待 提高,这已成为现阶段的研究重点。LED光源的可 靠性研究通常采取:电流加速老化、温度加速老化、氙灯老化和抗紫外线老化等方法。然而,在 LED芯片中注入高电流密度会导致热化和强电场现 象,持续性高温和强电场可能会增强原子的扩散, 造成电极的意外熔合,增加断层密度和点缺陷[2]。 故利用氙灯模拟阳光照射的效果、利用冷凝湿气模 拟雨水和露水,形成一定温度下的光照和潮气交替 循环环境,将样品放置其中,对其进行人工加速老化。

1、试验方法

本实验采用的样品为白光LED,外形尺寸为 3.0mm×1.4mm×0.8mm。使用瑞凯可程式恒温恒湿试验箱(亦称:双85试验箱)对LED进行老化,温度:85℃,湿度:85%。分别选取老化0h、168h、336h和 504h的白光LED贴片样品4个,对其进行光电色参数测量,测试设备为远方LED光色电分析测试系统V2.00。

根据所得数据应用软件绘出光通量、峰值波长、显色性等参数随老化时间变化的趋势图。ESD有多种模式,其中HBM、MM为常用的两 种模式,此实验选取其中1种样品在HBM模式下施加3000V的电压进行ESD冲击试验,实验设备为EMC多模块测试系统,并利用积分球测出ESD前后LED的光电色参数进行分析。

2、结果与讨论

2.1 光衰表1、表2分别为老化前后光效值及光通量的变化,显示出老化后样品的光通量及光效均有明显的下降趋势。图1为白光LED在30mA电流下的老化曲线,根据光通量的变化趋势图发现老化分为3个过程:决定白光LED寿命的正常工作时的缓慢老化过 程;严重降低LED发光性能的失效前的迅速老化过程;以及失效后的老化过程。老化开始的阶段相 当于退火的过程,高温使P型受主进一步被激活, 提高了空穴浓度,所以电子空穴辐射复合机率增大,增大了光输出,产生了光通量先上升后下降的现象。

根据光衰计算方法:N小时光衰=1-(N小时光 通量/0小时光通量)计算得出,恒温恒湿老化后 LED样品光退化幅度为0.6%~2.1%。产生光衰减的 因素有荧光粉、硅胶以及芯片的衰减。其中随着老 化时间的增长,芯片中的晶格失配等缺陷进一步增 加,它们起着非辐射复合中心和载流子遂穿通道的 作用,是LED产生光衰减的主要因素。

2.2 色坐标 色坐标测量的基本原理:根据光源的光谱分布,按照色坐标的基本规定进行计算,色坐标可以在色度图上确定1个点,该点精确地表示了发光颜色。选取其中1种样品分别画出老化0h及老化504h后 的色坐标分布图。如图2、图3所示,老化0h的白光光源色坐标均在黑体辐射线上或黑体辐射线上方,主要分布在(0.314,0.332)~(0.316,0.336)和(0.303,0.313)左右,而老化504h后的白光光源的 色坐标部分位于黑体辐射线的下方,其余点主要分布在(0.311,0.330)和(0.317,0.335)左右。随 着老化时间的不断增加,LED光源的色坐标有明显的下降趋势,且其色温随着色坐标的下降而升高。

根据实验数据得到表3,由不同 LED样品的光 通量与色坐标之间的关系得出,光通量随着色坐标的变化而变化,与文献[11]中白光LED光通量随色坐标的增加有增大的趋势的结论相符。

2.3 受 ESD 冲击性能分析在进行ESD冲击试验前,样品的I-V特性曲线能体现出二极管的良好特性。进行冲击试验后,部分LED的I-V特性曲线发生了明显变化。选取其中1种 样品进行HBM型ESD冲击试验,先对未老化的LED 样品施加3 000V电压进行ESD试验,将试验后的样 品放在恒温恒湿老化箱内老化168h后,再次施加3 000V电压进行相同的ESD试验,分别测得ESD前后 的光电色参数,绘出其I-V曲线,并分析其影响。 LED 的正常工作区域是3V左右,图4为样品老化不 同时间ESD试验前后的I-V特性曲线。由图知老化0h ESD前后I-V特性曲线一致,其阈值电压为2.6V,老 化168h后LED的阈值电压没有明显变化,导通后, I-V曲线的斜率增加,而老化168h且进行ESD冲击试 验后的I-V曲线有明显的扭曲现象,阈值电压增大到 2.8V左右。通过光电色测试系统测试出光通量,数 据显示ESD后的光通量有下降的趋势。推测当ESD 冲击将LED的电极与芯片的电气连接打断时,将会 使LED死灯,更为普遍的情况是ESD冲击在LED芯 片内部造成一定的缺陷,使LED的I-V特性曲线出现 明显的变化,并根据缺陷在整个芯片中所占的比例 大小对LED的光电特性产生一定影响。当缺陷所占 比例大时,LED发光会变暗,发光效率会降低。

3、试验结论

白光LED在瑞凯可程式恒温恒湿试验箱内温度85℃、湿度85%的条件下加速老化,并对其进行ESD冲击试验,针对光通量的变化趋势、色坐标分布图以及ESD冲击试验前后I-V特 性曲线进行了分析。生产过程中,生产工艺存在的缺陷致使LED芯片热量不能良好地从支架底部铜片上导出,芯片温度过高使得芯片衰减加剧,影响了LED的光通量。荧光粉比例改变以及硅胶黄化和硅 胶透明度降低等均可使LED产生光衰减现象。经过温度85℃、湿度85%的恒温恒湿条件加速老化504h后,LED样品光退化幅度为0.6%~2.1%。经过试验 分析得到,影响LED光通量下降的主要原因是芯片中的晶格失配及荧光比例增加。此外,ESD冲击对 LED造成的缺陷在芯片中所占比重大小也会对LED 的性能产生一定的影响。

瑞凯仪器生产的产品主要应用在大学院校、科研机构、航空航天、军工、电子、电工、玩具、家具、五金、纸品、电池、光电、通信、汽车、农业等企业单位。并为各行业提供符合世界各国、地区测试标准的试验设备。恒温恒湿试验箱、高低温试验箱、步入式环境试验室、冷热冲击试验箱、高压加速老化试验箱、温湿度振动综合试验箱等试验设备,就选瑞凯仪器。

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