Влияние температуры и влажности на деградацию светодиодов



В статье приведены результаты исследований сложных условий эксплуатации, как повышенная влажность и температура, на деградацию светового потока светодиодов. Повышенная влажность и температура могут влиять не только на количество, но и качество света.

Ключевые слова: светодиоды, влажность, температура, деградация.

Введение

Светодиоды средней мощности, светодиоды, работающие в диапазоне 0,2…1 Вт. Они широко используются в системах освещения в последние несколько лет. По сравнению с мощными светодиодами, светодиоды средней мощности обладают такими преимуществами, как низкая стоимость, простота конструкции вторичной оптики, а также сопоставимая эффективность свечения. Поэтому светодиоды средней мощности достигли больших успехов в освещении помещений. Несмотря на большой успех, достигнутый за последние годы, главной проблемой в приборах со светодиодами средней мощности по-прежнему остается компромисс между стоимостью и надежностью. Эксплуатация светодиодов в среде с высокой влажностью и температурой может привести к серьезной деградации с различными режимами отказа по сравнению с работой в нормальной среде.

Предполагая, что температура является основным фактором, вызывающим проблемы с надежностью светодиодов при освещении, исследователи обнаружили, что оптическая деградация была в основном обусловлена генерацией и миграцией дефектов в активном слое матрицы [1,2], ухудшением омического контакта [3,4], пожелтением герметика упаковки [5,6], карбонизации силиконового слоя [7,8], а иногда и термического тушения люминофоров [9]. Для того чтобы понять влияние влажности на светодиодные изделия, несколько исследователей провели ряд экспериментов, таких как влажно-высокотемпературный эксплуатационный испытание на долговечность [10,11], высокоускоренное температурное и влажности стресс-тест [12,13]. Результаты показали, что оптическая деградация корпусов светодиодов в основном обусловлена расслоением упаковки [14], светорассеянием частиц воды внутри силиконового объема [15], образованием пузырьков в инкапсулянте [12] и растворением люминофоров [16]. Таким образом, при эксплуатации в условиях повышенной влажности и высокой температуры окружающей среды светодиоды могут испытывать серьезные проблемы с надежностью. Несмотря на то, что многие исследователи сосредоточили свои интересы на надежности мощных светодиодов, существует ограниченное количество сообщений о механизмах оптической деградации корпусов светодиодов средней мощности, состаренных под воздействием влаги.

Материалы и методы

После проведения первичных оптических измерений образцы помещались в климатическую камеру. Во время испытания на старение температура окружающей среды и относительная влажность воздуха в камерах поддерживались на уровне 85℃/90 %, 95℃/45 % и 95℃/95 %. Корпуса светодиодов подвергались нагрузке постоянным током (160 мА на единицу) при температуре 85 ◦C (температура окружающей среды). Кроме того, максимальная гарантированная температура спая ограничена 125 ◦C в спецификации. Чтобы проанализировать различия в механизмах деградации с влажностью и без нее, другая группа образцов была состарена с помощью высокотемпературного эксплуатационного ресурсного испытания. В этом испытании на старение ток под напряжением был таким же, как и в ток был таким же, как и в первом тесте, а температура спая контролировалась на уровне 105 ◦C до конца испытания.

После завершения всех испытаний на старение данные были обработаны по методу наименьших квадратов, исходя из гипотезы, что оптический выходной сигнал экспоненциально деградирует при старении. В соответствии со стандартом IES TM-21–11 [17], собранные данные были нормализованы по значению 100 % в 0 часов для каждого отдельного тестируемого образца. Затем была проведена экспоненциальная подгонка кривой по методу наименьших квадратов для индивидуальных значений для следующего уравнения:

(1)

где Φ(t) — нормированный оптический выход в момент времени t, Φ ₀ — прогнозируемая начальная константа, полученная в результате подгонки кривой по методу наименьших квадратов и α — константа скорости распада, которая связана с уровнем старения.

Результаты и обсуждение

Деградация светотдачи. Согласно стандарту IES TM-21–11, индивидуальные значения освещенности всех образцов в разных точках измерения были нормализованы к их начальным значениям, а затем усреднены. Средние нормализованные данные представлены на рис. 1. В результате деградация светоотдачи показала очень хорошую экспоненциальную кинетику деградации во всех испытаниях условиях, независимо от условий с влажностью или без нее. Скорость деградации увеличивалась по мере повышения относительной влажности воздуха. Как видно из рис. 1, когда относительная влажность воздуха увеличивалась от 0 % (предполагается отсутствие влажности при 105 ◦C) до 45 % (95◦C/45 %) и до 95 % (95◦C/95 %), светоотдача уменьшилось соответственно после 1000 часов. Поскольку и ток, и температура пайки были одинаковыми друг другу во всех условиях испытаний, разница в скорости деградации, по-видимому, были вызваны различной относительной влажностью в климатических камерах.

По результатам статистического анализа для описания влияния температуры и влажности на срок службы светодиодов была использована модель Холлберга-Пека, которая выглядит следующим образом:

(2)

где RHa — влажность в условиях испытаний, RHu — влажность в условиях эксплуатации, n — коэффициент влажности, Ea — энергия активации, k — постоянная Больцмана.

Рис. 1. Деградация светодиодных корпусов при различной влажности

Энергия активации была получена равной 0,47 эВ, что очень похожа на энергию активации, полученную в [18]. Также был получен коэффициент влажности n, и его значение было рассчитано как 1,21. Фактор влажности был меньше, чем результаты, полученные ранее другими исследователями. Так, например, n был рассчитан как 1,6 в [19], 2,02 в [10] и 2,29 в [13], соответственно. Возможно, причина заключается в том, что светодиоды питались гораздо большим током, чем в [10], [13]. Больший ток подразумевает более высокую температуру внутри корпусов, чем снаружи. Наконец, относительная влажность внутри корпуса уменьшается из-за более высокого давления насыщенных паров внутри корпусов светодиодов. Кроме того, более высокая температура может вытеснить часть влаги за пределами упаковки из-за эффекта расширения влаги. Все эти причины могут уменьшить влияние влаги и, уменьшить коэффициент влажности. Другая причина заключается в том, что влагостойкость может отличаться у различных типов светодиодных корпусов.

Изменение спектра. Изменение цвета было проанализировано с точки зрения деградации мощности светового спектра. Анализировались только образцы, выдержанные при 105◦C и 95◦C/95 % из-за схожей кинетики изменения цвета в других стрессовых условиях. Как показано на рис. 2, для светодиодов, выдержанных при 105◦C, нормализованная спектральная мощность синего света стабильна в начале, а затем после 500 часов постепенно уменьшалась. Спектр мощность спектра как синего, так и красного света пропорционально уменьшилась после 1500 часов. Одинаковый процент деградации указывает на то, что при 105◦C (нулевой влажности) преобладало разрушение, связанное с микросхемами. С другой стороны, для светодиодов, выдержанных при 95◦C/95 %, как показано на рис. 3, мощность спектра синего и красного света показали различную кинетику деградации. Мощность спектра мощность спектра синего света быстро уменьшалась после 400 часов. Деградация спектральной мощности превысила деградацию красного света после 600 часов, что указывает на то, что синий свет значительно поглощался во время испытания на старение, вероятно, из-за уменьшения отражающей способности капсулы упаковки. Быстрая деградация синего света объясняет резкое увеличение цветового сдвига при 95◦C/95 %.

Рис. 2. Деградация светодиодных корпусов различного спектра при 105℃ (при нулевой влажности)

Рис. 3. Деградация светодиодных корпусов различного спектра при 95℃

Механизмы деградации светодиодов очень сложны. Основными механизмами, которые приводят к оптической деградации в процессе эксплуатации являются генерация кристаллических дефектов в многоквантовых ямах [20], диффузия допанта из p-GaN в активный слой [21], электромиграция, вызывающая теплотой [22], а также металлическая интердиффузия электрических контактов [23]. В целом, деградация микросхем может быть охарактеризована с точки зрения тока утечки, паразитного сопротивления и коэффициента идеальности.

Для того чтобы понять кинетику деградации, один светодиодный пакет был подвергнут воздействию серии температур от 70 ◦C до 100 ◦C, чтобы имитировать деградацию эффективности чипа во время старения тест. Это связано с тем, что эффективность светодиодного чипа снижается по мере увеличении температуры спая. Спектральная мощность синего и красного света была нормализована до значения, измеренного при комнатной температуре. В результате мощность спектра красного света уменьшилась пропорционально, как и мощность спектра синего света, как как показано на рис.4. Другими словами, ухудшение состояния чипа приводит к одинаковой тенденции деградации для синего и красного света. Поскольку значительного тока утечки обнаружено не было, ухудшение состояния чипа ухудшение состояния чипа объясняется только ухудшением p-контакта, что привело к увеличению последовательного сопротивления светодиодов. Увеличение последовательного сопротивления привело к увеличению температуры спая при работе светодиодов на постоянном токе. Наконец, повышение температуры спая приводило к оптической деградации корпусов светодиодов белого света из-за эффекта «падения эффективности» светодиодов.

Рис. 4. Деградация светодиодных корпусов при изменении температуры нагрева

Выводы

Использование светодиодов в сложных климатических условиях, как повышенная температура и влажность ведут к ускоренной деградации светоотдачи. Влажность играет большую роль, чем температура. Поэтому для светодиодных светильников, применяемых для наружного освещения или в системах освещения в сельском хозяйстве, необходимо соблюдения мер в конструкции светильников по влагозащите.

Литература:

1. S.-C. Yang et al., “Failure and degradation mechanisms of high-power white light emitting diodes,” Microelectron. Reliab., vol. 50, no. 7, pp. 959–964, Jul. 2010.
2. L. Liu et al., “An explanation for invalidity of working currents’ derating on improving light-emitting diode devices’ reliability,” J. Appl. Phys., vol. 114, no. 2, Jul. 2013.
3. L. Liu et al., “Efficiency degradation behaviors of current/thermal costressed GaN-based blue light emitting diodes with vertical-structure,” J. Appl. Phys., vol. 111, no. 9, May 2012.
4. J. Hu, L. Yang, and M. W. Shin, “Electrical, optical and thermal degradation of high power GaN/InGaN light-emitting diodes,” J. Phys. D Appl. Phys., vol. 41, no. 3, 2008.
5. M. Y. Mehr et al., “Photodegradation of bisphenol A polycarbonate under blue light radiation and its effect on optical properties,” Opt. Mater., vol. 35, no. 3, pp. 504–508, Jan. 2013.
6. M. Y. Mehr et al., “Surface aspects of discolouration in Bisphenol A Polycarbonate (BPA-PC), used as lens in LED-based products,” Opt. Mater., vol. 37, pp. 155–159, Nov. 2014.
7. M. Meneghini et al., “A review on the reliability of GaN-based LEDs,” IEEE Trans. Device Mater. Rel., vol. 8, no. 2, pp. 323–331, Jun. 2008.
8. M. Y. Mehr, W. van Driel, and G. Zhang, “Accelerated life time testing and optical degradation of remote phosphor plates,” Microelectron. Rel., vol. 54, no. 8, pp. 1544–1548, Aug. 2014.
9. M. Meneghini et al., “Thermally activated degradation of remote phosphors for application in LED lighting,” IEEE Trans. Device Mater. Rel., vol. 13, no. 1, pp. 316–318, Mar. 2013.
10. E. Nogueira, M. Vázquez, and N. Núñez, “Evaluation of AlGaInP LEDs reliability based on accelerated tests,” Microelectron. Reliab., vol. 49, no. 9, pp. 1240–1243, Sep.–Nov. 2009.
11. S. Zhou et al., “Evaluation of GaN-based blue light emitting diodes based on temperature/humidity accelerated tests,” in Proc. ICEPT-HDP, Xi’an, China, 2010, pp. 930–934.
12. S. Chan et al., “Accelerated life test of high power white light emitting diodes based on package failure mechanisms,” Microelectron. Reliab., vol. 51, no. 9, pp. 1806–1809, Sep./Nov. 2011.
13. E. Nogueira, M. Vázquez, and C. Algora, “Accelerated life testing in epoxy packaged high luminosity light emitting diodes,” J. Electron. Packag., vol. 133, no. 3, pp. 0345011–0345015, Sep. 2011.
14. J. Hu, L. Yang, and M. Whan Shin, “Mechanism and thermal effect of delamination in light-emitting diode packages,” Microelectron. J., vol. 38, no. 2, pp. 157–163, Feb. 2007.
15. C. M. Tan et al., “Rapid light output degradation of GaN-based packaged LED in the early stage of humidity test,” IEEE Trans. Device Mater. Rel., vol. 12, no. 1, pp. 44–48, Mar. 2012.
16. C. M. Tan et al., “Analysis of humidity effects on the degradation of highpower white LEDs,” Microelectron. Reliab., vol. 49, no. 9, pp. 1226–1230, Sep.–Nov. 2009.
17. “Projection long term lumen maintenance of LED light sources,” Illuminating Eng. Soc. (IES), New York, USA, IES TM-21–11, 2011.
18. H. Fan et al., “An effective prediction method for LED lumen maintenance,” in Proc. ICEPT-HDP, Guilin, China, 2012, pp. 1560–1563.
19. Yanagisawa and T. Kojima, “Degradation of InGaN blue light-emitting diodes under continuous and low-speed pulse operations,” Microelectron. Rel., vol. 43, no. 6, pp. 977–980, Jun. 2003.
20. M. Pavesi, F. Rossi, and E. Zanoni, “Effects of extreme dc-ageing and electron-beam irradiation in InGaN/AlGaN/GaN light-emitting diodes,” Semicond. Sci. Tech., vol. 21, no. 2, p. 138, Feb. 2006/
21. O. Ueda, “Reliability issues in III-V compound semiconductor devices: Optical devices and GaAs-based HBTs,” Microelectron. Reliab., vol. 39, no. 12, pp. 1839–1855, Dec. 1999.
22. S.-L. Chuang et al., “Kinetic model for degradation of light-emitting diodes,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 33, no. 6, pp. 970–979, Jun. 1997.
23. L. Trevisanello et al., “Accelerated life test of high brightness light emitting diodes,” IEEE Trans. Device Mater. Rel., vol. 8, no. 2, pp. 304–311, Jun. 2008