李治强 唐德良

【摘要】白光LED在LCD背光显示领域应用逐步广泛。与传统CCFL背光相比，其环保和节能的优势十分明显。随着LED价格成本逐渐降低，白光LED将进一步占领LCD背光市场份额，如何提升白光LED壽命及降低白光LED光衰减成为LED业者攻克的最大难题，本文就影响白光LED衰减针对材料、封装、PN结温度因素进行分析探讨。

【关键词】白光LED;光衰;晶片;固晶胶;荧光粉;荧光胶水;支架;封装工艺;PN结

引言

最近几年白光LED广受全球瞩目，目前市场上最广泛的白光LED封装方式为蓝光LED晶片激发黄色荧光粉产生白光，其成本低廉、性能稳定深受广大LED封装厂欢迎。目前白光LED已广泛应用在一般家用照明和液晶电视（显示器）中。但是目前在产品实际使用过程中遇到最大的问题是LED寿命和光衰还远达不到其理论标称10万小时以上寿命，为了让白光LED能够健康、快速的发展，我们就需要正视白光LED存在的问题，本文通过分析对LED寿命造成影响的材料、封装技术、工作结温等因素的研究，找到影响LED寿命的关键因素，与LED业者同仁共同交流、探讨，为LED行业的发展略尽绵力。

一、材料对LED光衰的影响

1.晶片对LED光衰的影响

影响晶片可靠性的主要因素有：良好的导热性、抗静电性能和抗浪涌电压和电流等。

从目前实验的结果来看，晶片对光衰的影响分为两大类：第一是晶片的材质不同导致衰减不同。目前常用的蓝光晶片衬底材质为碳化硅和蓝宝石，碳化硅一般结构设计为单电极，其导热效果比较好，蓝宝石一般设计为双电极，热量较难导出，导热效果较差;第二是晶片的尺寸大小，在晶片材质相同时，尺寸大小不同衰减差距也不同。就芯片相比较而言，蓝光和绿光LED芯片，主要是外延材料掺杂不同，衬底一般都是蓝宝石，衬底的导热能力相同的。所以，外延部分的材料结构决定了他们的耐受温度的能力，这应该也是芯片改进的重点，在芯片的外延材料结构没有那么快改善的情况下，只有像现在这样，通过置换衬底材料来改进导热能力。蓝光LED的寿命是最差的，先天的不足导致由它构成的白光LED的寿命更差。

2.荧光粉对LED光衰的影响

实现白光LED的途径有多种，目前使用最为普遍最成熟的一种是通过在蓝光晶片上涂抹一层黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光，所以荧光粉的材质对白光LED的衰减影响很大。市场最主流的荧光粉是YAG钇铝石榴石荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉，与蓝光LED芯片相比荧光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同厂商的荧光粉对光衰的影响程度也不相同，这与荧光粉的原材料成分关系密切。图1为用两种不同荧光粉封装的白光LED与蓝光LED对比的光衰曲线。

LED用的荧光粉受光激发效率随温度的变化关系，似乎还没有相关资料，已有充分的事实可以证明，温度升高，即影响到荧光粉的性能和寿命。荧光粉厂家做了测试，在温度为80度时，荧光粉的激发效率降低了2%，冷却后又恢复，而这仅仅是做很短时间的一个测试而已，已说明温度升高，荧光粉的性能下降，至于不可恢复的性能衰退，则是一个累计的过程，需要一定的时间。我们使用某厂家的4个样本3020LED封装做整机的高温5000小时老化试验中发现LED背光亮度有一个先升高再下降的过程，如图2所示。这种状况可能由下列情况产生：

A.荧光粉和混合胶作用，使荧光粉的性能降低，在温度的初期作用下，使荧光粉的性能恢复。

B.荧光粉和混合胶作用，使荧光粉的性能提高。

C.蓝光芯片的初始一段时间性能有增强。

我们使用不同厂家的5630封装LED做高温5000小时老化试验发现，在初始一段时间内，白光LED的光通能量既有一开始就上升的，也有一开始就下降的（如图3所示），这种状况在相同的红光芯片在不同厂家封装时也有发生，所以，仅以短时间的试验是很难断定是荧光粉的问题，还是封装材料或封装工艺的问题。有几个现象还可以证明，白光LED的寿命主要是由于荧光粉的性能衰退而缩短的。首先，有试验表明，在对LED进行老化试验后，LED已不是白光，而是严重偏蓝色的光，说明荧光粉的作用丧失。其次，有人做了这样的试验，将已衰减30%多的白光LED取出芯片测试，发现芯片只衰减了百分之几。这也说明荧光粉的作用失去。总体来讲，在温度的作用下，荧光粉是会衰减的。温度越高，荧光粉性能衰退越严重。所以，白光LED的光衰减，主要原因就是热作用下荧光粉性能的首先、快速衰减。究竟是荧光粉自身在LED正常工作的温度下就有衰减，还是由于有混合胶的影响造成衰减，还需做更充分的实验验证。方法如下：取相同的荧光粉分为几份，其中一份不做何处理以做对比，另外几份分别以不同的温度、和时间来加热处理。总之，无论是荧光粉自身还是荧光粉与胶体混合，它们都在一定温度下就会是荧光粉性能快速衰退。所以说，荧光粉是白光LED光衰的第一位原因。

3.支架对LED光衰的影响

LED支架主要有铜支架和铁支架。铜支架导热、导电性能好，价格高。而铁支架的导热、导电性能相对较差，更容易生锈，但价格便宜。市场上的LED大部分使用铁支架。不同材料的支架对LED的性能影响也不同，特别是对光衰的影响尤为突出，如图4，这主要是由于铜的导热性能比铁的好很多，铜的导热系数398W/（m.k），而铁的导热系数只有50W/（m.k）左右，仅为前者的1/8，还有支架的电镀层厚度也密切相关。在选用支架时，还要注意支架的碗杯大小是否与发光芯片以及模粒匹配，其匹配质量的优劣，直接影响白光LED的光学效果，否则容易造成光斑形状不对称、有黄圈，以及黑斑等，直接影响到产品的质量。

4.固晶底胶对LED光衰的影响

在白光LED封装行业中通常用到的固晶胶有环氧树脂绝缘胶、硅树脂绝缘胶、银胶。三者各有利弊，在选用时要综合考虑。环氧树脂绝缘胶导热性差，但亮度高;硅树脂绝缘胶导热效果比环氧树脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片时旁边残留的硅树脂与荧光胶里的环氧树脂相结合时会产生隔层现象，经过冷热冲击后将产生剥离导致死灯;银胶的导热性比前两者都好，可以延长LED芯片的寿命，但银胶对光的吸收比较大，导致亮度低。对于双电极蓝光晶片在用银胶固晶时，对胶量的控制也很严格，否则容易产生短路，直接影响到产品的良品率。图5所示为分别采用银胶和绝缘胶固晶封装的白光LED的光衰实验结果。可以看出，用银胶的寿命明比用绝缘胶高出很多。

5.荧光胶水对LED光衰的影响

传统封装的白光LED，荧光胶一般采用环氧树脂或硅膠，经过光衰实验的结果得出，用硅胶配粉的白光LED寿命明显比环氧树脂的长。如图6所示，分别用环氧树脂和硅胶配粉进行光衰实验的结果。原因之一是用硅胶和环氧树脂配粉的封装工艺不一样，硅胶烘烤温度较低，时间较短，对芯片的损伤也小;另外，硅胶比环氧树脂更具有弹性，更能对芯片起到保护作用。但在相同条件下，用硅胶配粉的初始亮度要比环氧树脂配粉的要低，最主要是由于硅胶的折射率（1.3～1.4）比环氧树脂（1.5以上）低，所以初始光效不及环氧树脂高。

二、封装工艺对LED光衰的影响

有了好的LED芯片，还要有科学的封装方法，这样才能得到寿命较长的白光LED光源。

首先对白光LED封装所用的材料进行分析。固定LED芯片所用的固晶胶，有导电胶和绝缘胶之分，如果LED芯片为L型电极，就必须使用导电胶，这种固晶胶既能导电又能导热。如果LED芯片是V型电极，就要使用导热性能好的绝缘胶作为固晶胶。

其次是选用引脚式封装的支架，目前支架由两种材料做成：一种是铁支架，外表镀银;另一种是铜支架，外表也是镀银。这两种材料的导热系数不一样，相差比较大。

封装过程中每道工艺的条件都可能对LED的性能和可靠性造成影响，在生产工艺方面，问题最多的是在粘片盒焊接工艺上，因为虚焊会增加热阻和阻抗，而增加的阻抗又产生额外的热量。粘片的胶太厚、胶体中含水汽、气泡、杂质、虚粘等，都会增加热阻及电阻。

三、PN结温度对LED光衰的影响

理论和实践都已经证明，LED的寿命是与LED的PN结工作温度紧密相关的。PN结的工作温度一般在110～120℃之间，但在设计中，应当考虑长期工作的情况下，PN结尽量保持在100℃左右。当LED芯片内结温升高10℃时，光通量就会衰减1%，LED芯片发光的主波长就会漂移1～2nm。美国CREE公司的光衰曲线如图7所示。

对于白光LED来说，温度对白光LED的寿命影响很大。一方面PN结温升，促使光衰增大;另一方面促使发光主波长漂移，同时也影响了光对荧光粉的有效激发，不但光衰增大，色温也产生变化。因为主波长改变了，激发的黄光也发生变化，结果混合光就和原有光的色温不一样。所以要延长LED寿命的关键是要降低其结温。

图7 CREE公司LED光衰曲线

四、结论

本文通过对LED相关的材料、封装、工作结温等因素的研究，分析了各种因素可能对LED寿命产生的影响。对于在LED产品应用过程中LED光衰不仅与LED本身质量有关，而且与其工作的环境温度也密切相关。如果长期工作的较高的温度下，其寿命会随着温度升高大大的降低。因此，温度是影响LED光衰的主要因素之一。而不同的封装厂由于材料和封装工艺的不同其寿命差异也很大，所以背光厂家在引入LED封装时需要先测试LED的温升和大于1000小时的高温老化试验来预估LED的寿命。

参考文献

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