一直以來，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)。雖然如今對于可靠性的關(guān)注點(diǎn)，已從LED單個產(chǎn)品向整個系統(tǒng)可靠性的方向發(fā)展，但在這一過程中，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、故障數(shù)據(jù)與失效分析、壽命加速老化測試方法、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，采用分析故障與失效數(shù)據(jù)，加速壽命老化測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，在第十二屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇(SSLCHINA 2015)隆重召開之際，“可靠性與熱管理”技術(shù)分會如期舉行，行業(yè)大咖如約而至，與參會代表共同交流、分享各自領(lǐng)域的最新研究成果。
中國科學(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)行副總裁劉國旭先生共同主持此次分會。
來自RTI國際建筑設(shè)計與防護(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)動及連接器等多個元件構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。為此類器件設(shè)計加速壓力測試（AST）是試圖在大幅度縮減時間框架下，為照明系統(tǒng)元件創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)失效模式的復(fù)雜項目。
“溫度、濕度及電應(yīng)力等一些環(huán)境壓力因素會加速老化和降解過程。” Lynn Davis表示，但因每項壓力因素對系統(tǒng)元件所產(chǎn)生的影響都不同，應(yīng)對此加以了解并得出產(chǎn)品的可靠性和壽命信息。通過對環(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)加速測試的優(yōu)點(diǎn)與局限。
Lynn Davis還與參會代表討論了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)上述測試方法對系統(tǒng)元件的影響，將重點(diǎn)關(guān)注LED、透鏡及電子驅(qū)動等。為突出AST的優(yōu)勢，研究將等同的暖白光和冷白光產(chǎn)品進(jìn)行對比，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)。
路國光還與參會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)度測試及其他統(tǒng)計方法，高功率倒裝芯片LED壽命預(yù)測值為在25℃條件下時長37718小時。
隨后，飛利浦（中國）投資有限公司質(zhì)量首席工程師陶國橋發(fā)表了主題為“可靠性卓越的SSL制造”的精彩報告。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)離不開卓越的產(chǎn)品制造。
通過具體實(shí)驗(yàn)案例，陶國橋進(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”的精彩報告。
樊嘉杰表示，熒光轉(zhuǎn)換型白光發(fā)光二級管（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）共同決定了人們對所見物體的主觀感受。
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”問題。此后，人們對照明光源的要求開始由“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時間工作，所以對熒光材料的光致發(fā)光機(jī)理和其熱效應(yīng)的研究顯得至關(guān)重要。
樊嘉杰還通過具體的實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：通過設(shè)置材料參數(shù)與光源的光譜對熒光材料進(jìn)行仿真可以取代實(shí)驗(yàn)測量，實(shí)現(xiàn)對材料性能的表征和材料組成的設(shè)計；其次，光譜圖的仿真將用于后續(xù)對混合熒光粉光致發(fā)光機(jī)理的研究。
據(jù)樊嘉杰介紹，該項研究工作已經(jīng)得到歐洲EMRP項目，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”No. 2015AA03A101，江蘇省自然科學(xué)基金青年項目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，是由于非輻射缺陷的產(chǎn)生以及通過連接處建立的分流路徑；降解熒光體包裝體系，具有隨之而來的惡化的LED的色屬性；突發(fā)故障，是由于靜電放電和電過載等三大方面的問題與現(xiàn)場參會代表進(jìn)行的深入討論。
Matteo Meneghini指出，在過去的十年GaN基LED已經(jīng)證明是對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。
“由于這個原因，這些設(shè)備在多個領(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）以及光輸出的長期穩(wěn)定性。”Matteo Meneghini進(jìn)一步表示，還一些報告也指出，高功率LED可能出現(xiàn)過早退化，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LED降解測試與老化數(shù)據(jù)分析。
在LM 80測試標(biāo)準(zhǔn)方法的流明維持率光源一生中進(jìn)行測量。當(dāng)然，客戶的第一興趣是光通量。只要光譜行為不隨時間變化，存在這樣的方法是毫無疑問的。不過，不幸的是一些LED燈（尤其是白色的）頻譜會在老化過程中發(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。這就是對于光功率老化曲線相對于標(biāo)準(zhǔn)方法生成的曲線會有不同的結(jié)果的原因。
Max Wagner & Alexander Herzog還強(qiáng)調(diào)，光譜帶及其比例在整個壽命期間都必須進(jìn)行分析和比較。這些方法被用來檢測是基于物理或化學(xué)過程降解的機(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試則被用來預(yù)測光譜變化及其特點(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。
來自易美芯光(北京)科技有限公司的孫國喜就為大家介紹了“支架型LED封裝硫化光衰的失效機(jī)制和測試方法”。
孫國喜指出，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，兩個材料都是高反射率用以提高LED的出光。而鍍銀層會受到一些有機(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)被廣泛用來評估LED封裝材料和產(chǎn)品的氣密性，其測試方法最初來源于印刷電路產(chǎn)品的硫化測試，并進(jìn)行了不同的調(diào)整。這些不同的測試方法各有利弊，不易對封裝材料和產(chǎn)品進(jìn)行客觀的一致的評估和對比。
通過LED硫化測試中各參數(shù)（包括容器、待測品排布、污染源、溫度、時間等）對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響提出了一個簡單可行、重復(fù)性和分辨率佳的測試方法和設(shè)置及參數(shù)。“采用這個測試評估方法可以有效指導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、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)品對有害氣體的抵抗能力。”孫國喜分析認(rèn)為。
此外，針對硫化導(dǎo)致的光衰與溫度和時間的關(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“對于鎵氮基LED的老化行為和失效分析的相關(guān)研究”報告中，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。
他通過研究不同結(jié)構(gòu)LED的老化行為，了解到相對于正裝LED，垂直倒裝LED在高溫老化下具備高可靠性，但也在初始老化時表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。同時，他驗(yàn)證了LM-80對于計算不同結(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間，以準(zhǔn)確計算LED壽命。
之后，在失效分析過程，采用了反射率測定、SIMS測試、芯片的表面和截面觀察與測試等技術(shù)手段，分別從封裝材料，連接處和芯片三個角度進(jìn)行失效分析，獲得了一些不同以往的失效分析結(jié)果，對改善LED的可靠性提供了一些新的研究方向。
