Надежность белых светодиодов. Деградация параметров.

Статья посвящена анализу надежности люминофорных светодиодов белого цвета свечения различных производителей и может быть полезна разработчикам устройств на базе твердотельных источников света. В статье использованы публикации результатов испытаний и характеристики образцов светодиодов и их сравнение с параметрами, заявленными производителем.

См. также:                                                      Температурный режим белых светодиодов
Неисправности светодиодов. Механизмы возникновения и методы анализа
Светодиоды с высокой эффективностью при больших значениях тока
Современный подход к разработке светодиодного освещения

Применение белых светодиодов

Значительный прогресс в технологии изготовления светодиодов в 2005-2009 годах дал толчок к широкому применению светодиодных технологий в различных отраслях человеческой деятельности и в быту. Совершенствование технологии изготовления, как самих светодиодов, так и схем управления и источников питания позволило создать достаточно эффективный светодиодный источник света для целей освещения. И такое уникальное качество, как отсутствие хрупких элементов, взрывобезопасность, сделали светодиод незаменимым в некоторых областях применения. Кроме того, в условиях глобальных усилий по снижению энергозатрат, вслед за экспансией люминесцентных источников света, на рынок активно продвигаются светодиодные устройства. Повышенный спрос на твердотельные источники света приводит к снижению их стоимости за счет массового производства и значительной конкуренции.

Наиболее широко источники светодиодного освещения предлагаются для бытового и промышленного освещения в качестве замены ламп накаливания и люминесцентных ламп. Судя по заявлениям производителей, светильники на основе белых светодиодов позволяют достичь большей на 20-50% эффективности и значительно, в разы большей долговечности, по сравнению с люминесцентными лампами сравнимой мощности. Таким образом, стоимость владения таким источником света становится сравнимой или даже меньше, чем аналогичные по светосиле люминесцентные светильники.

Кроме светильников, за счет малых размеров и низкого тепловыделения, светодиодная подсветка используется в различных приборах, в автомобилестроении, в качестве декоративной подсветки, в рекламе, для изготовления электронных табло.

Технология изготовления белых светодиодов

Физика получения белого цвета свечения базируется на преобразовании спектра исходного излучения при помощи люминофора. В качестве исходного, в нашем случае, используется излучение кристалла на основе AlInGaN синего цвета, чаще всего излучающего в диапазоне длин волн 450–465 нм. После преобразования происходит сильное увеличение ширины спектра за счет добавления в спектр переизлученной люминофором мощности в желтой и красной областях спектра (рис. 1). Спектр такого сочетания синего кристалла и люминофора получается гораздо шире и более заполненным, чем спектр люминесцентной лампы или вольтовой дуги.

Рис. 1. Спектры свечения синего и белого люминофорного светодиода на его базе, линия видности по МКО.

Таким образом, зависимости многих параметров белых светодиодов будут определяться соответствующими параметрами базового синего кристалла, поэтому рассмотрим его параметры. На рис. 2 показаны зависимости отношения люмена к потребляемым ваттам (далее — лм/Вт) от плотности тока для кристаллов производства Cree.

Рис. 2. Зависимости светового выхода лм/Вт и КПД для различных чипов на основе AlInGaN производства компании Cree от плотности тока через кристалл.

Для оценки эффективности выбраны зависимости от плотности тока, а не от его полного значения. Это дает возможность оценить характеристики, не связанные с геометрическими параметрами излучающих чипов, понять их абсолютную эффективность.

Из графиков на рис. 2 видно, что снижение эффективности светового выхода с ростом плотности тока ярко выражено и не зависит от размера чипа. Видно, что светоотдача, или квантовая эффективность, максимальна при малых значениях плотности тока и снижается более чем в два раза при увеличении плотности тока до максимальных значений. Это снижение вероятнее всего определяется разогревающим эффектом при прохождении тока через кристалл. Наиболее эффективным становится конструкция излучателя с минимальным тепловым сопротивлением чип - подложка, позволяющим снизить температуру. Следовательно, повышение эффективности теплоотвода становится приоритетным направлением при разработке высокоэффективных излучателей.

Точно такие же зависимости можно увидеть и на графиках, показанных на рис. 3, которые получены для светодиодов белого цвета свечения. Следует отметить хорошо заметный на этих графиках максимум при малых значениях плотности тока. Возможно, это связано с резонансной особенностью работы системы параллельных структур кристалла. При больших плотностях тока, начинают действовать другие причины, снижающие эффективность излучения: последовательное сопротивление структуры и подложки, а значит и разогрев, безизлучательная рекомбинация, неравномерность плотности тока по площади чипа.

Рис. 3. Графики эффективности и КПД от прямого тока для различных белых светодиодов компании Cree.

Сопоставляя значения эффективности, показанные на рис. 3, можно определить коэффициент преобразования люминофора. Для различных значений плотности тока получается следующая картина: (табл. 1).

Таблица 1. Эффективность излучения и коэффициент преобразования люминофора

Если световой поток первичного синего кристалла света равен 11,5 лм, то при том же токе в 350 мA, световой поток светодиода с люминофором белого цвета свечения на основе этого же кристалла будет 34,5 лм, что в 3 раза больше. В различных вариантах исполнения белых люминофорных светодиодов, отношение светового потока к излучению исходного синего чипа может доходить до пяти, и как правило, для большинства светодиодов ведущих производителей имеет значение не менее четырех, что свидетельствует о высоком качестве используемого люминофора. Этот коэффициент, как показывают исследования, практически не зависит от плотности тока в диапазоне паспортных значений, как видно из таблицы 1, и указывает на то, что коэффициент преобразования определяется только свойствами люминофора. Максимальный коэффициент преобразования люминофора можно наблюдать в светодиодах компании Nichia с кристаллами на подложках из сапфира.

В общем случае, видно, что зависимость эффективности белых светодиодов от плотности тока хорошо повторяет такие зависимости для синих светодиодов, составляющих основу белых светодиодов. Можно сделать вывод о прямой зависимости светоотдачи от температуры p-n перехода.

Тенденции развития технологии

Совершенствование технологии производства всех компонентов светодиодов, излучающие кристаллы, метод их установки на эвтектический сплав, линзы из кварцевого стекла, корпуса из керамики, люминофорное покрытие кристалла, существенно повысило надежность и энергетический выход излучения. В современных светодиодах уменьшено тепловое сопротивление p-n-переход–кристаллодержатель, которое достигает у некоторых производителей уровня не более 8 °С/Вт. Это стало возможным с началом применения SiC в качестве подложки светодиодных чипов, что позволило монтировать чип на теплоотвод с применением эвтектического сплава. Кроме того, толщина подложки снижена до 2–3 мкм. Применение этой технологии при изготовлении чипов большого размера позволило достичь большого светового выхода - более 100 лм/Вт за счет уменьшения прямого напряжения при плотностях тока в 50 и более A/cм^{2. Усовершенствование коснулось и процесса выращивания самих полупроводниковых структур, сто способствовало повышению} равномерности растекания тока по объему материала кристалла. Кроме того, проводимость эвтектического сплава выше проводимости токопроводящего эпоксидного клея, что особенно сказывается на больших плотностях тока. Увеличение светоотдачи достигается и в результате оптимизации формы самого излучающего кристалла, позволяющей более эффективно выводить излучение за его пределы.

В поиске пути снижения теплового сопротивления p-n-переход — кристаллодержатель, некоторые производители светодиодов пробуют переворачивать чип p-n-переходом к теплоотводу, метод "Flip-Chip". Это существенно снижает температуру p-n-перехода одновременно с улучшением условий выхода излучения из кристалла. Эта технология позволяет увеличить плотность тока через кристалл. Развивается и методика производства кристаллов с применением эффекта Пельтье (полупроводниковый охладитель) непосредственно под излучающим кристаллом.

Деградация параметров белых светодиодов

Задача достоверной оценки стабильности параметров светодиодных излучателей для проектирования на их базе разнообразных изделий значительно усложняется из-за возникающей в процессе работы светодиодов деградации параметров излучения. Разработчика ответственных устройств с применением светодиодов уже не может устроить стандартный параметр надежности, который указывает большинство производителей светодиодов, например, гарантированная наработка 100 000 часов с потерей до 30% светового потока, поскольку этот параметр не подтверждается расчетами и фактами. Совершенно очевидно, что опытным путем никто не проверял, насколько эта величина соответствует реальному положению дел, хотя бы потому, что для этого требуется не меньше десяти лет, к тому же, изменение параметров зависит от различных факторов, в том числе, от режимов и условий эксплуатации. Оценка деградации параметров на базе методов ускоренного старения при работе в предельных режимах не может считаться корректной из-за воздействия в таких режимах других физических особенностей работы полупроводниковой структуры, которые не всегда работают в нормальных условиях эксплуатации.

Видимо в связи с наработкой экспериментов в последнее время некоторые производители светодиодов стали указывать в спецификациях зависимости некоторых параметров от наработки. Чаще всего такую информацию предоставляют крупные фирмы, заинтересованные в качестве своей продукции и имеющие возможности для проведения соответствующих затратных исследований. Публикует такие данные, основанные на экспериментах и фирма Cree. Однако, как показали параллельные независимые исследования, наблюдаются несоответствия между реальными параметрами и заявленными.

Несмотря на то, что основной физической характеристикой излучения светодиодов является световой поток, зависимости изменения светового потока удобнее рассматривать одновременно с анализом изменения связанных параметров, например, силы света (рис. 4).

Исследования проводились при указанном изготовителем токе 350 мA и теплоотводе площадью более 100 кв.см, что значительно больше требуемого. Сначала обратим внимание на световой поток, обозначенный на графиках как Ф(Т). Показанные зависимости светового потока от наработки дают различное изменение параметров при разных начальных его значениях. Как видно на графике, бóльшему значению светового потока (рис. 4б) (а значит и бóльшему отношению лм/Вт) соответствует бóльшее падение значения светового потока со временем по сравнению с приборами меньшей эффективности. Видно, что завершение периода стабилизации параметров и начало снижения светового потока ниже первоначального значения по информации компании Cree наблюдается в районе 5000 часов, тогда как у реальных образцов этот момент наблюдается при наработке от 800 до 2500 часов. Но самое существенное, что к указанному производителем моменту в 5000 часов, световой поток реальных образцов достигает уже совсем неприемлемого уровня. Это означает, что уже через полгода снижение светового потока может достигнуть 6–8%, хотя зависимость на рис. 4а говорит о другом. На первый взгляд, это не очень много, но если учесть дальнейшие рассуждения, то можно прийти к выводу, что это это достаточно существенно.

Конечно, максимально достоверные результаты деградации параметров могут быть получены лишь при реальной наработке в течение всего заявленного срока службы. Но такие продолжительные эксперименты (10–12 лет) реализовать достаточно затруднительно. Однако, опыт исследований, знание физических основ работы полупроводниковых структур, расчеты и моделирование с использованием данных по наработке в течение относительно небольшого периода работы, позволяет разработать методики оценки без проведения длительных исследований и операций искусственного старения. На рисунке 5 представлены данные таких расчетов на основе измерений значений светового потока светодиодов в течение 8000 часов наработки.

Рис. 5. Расчетные деградационные характеристики светодиодов Cree.

Как следует из рис. 5, 4б и 4в, для некоторых «ранков» светодиодов, уже при 10–12 тысяч часов наработки (1,5 года) световой поток падает на 10–12%. А при достижении значения предельной наработки, указанного изготовителем, снижение уже составляет от 55 до 75%.

Причины такого поведения характеристик детально рассмотрены в работе [1]. Не буду повторять рассуждения автора, остановлюсь на выводе. Большая площадь поверхности кристалла приводит к неравномерности распределения плотности тока по поверхности чипа и соответственно, светового потока, что усиливается при наработке. Для белых люминофорных  светодиодов достоверный ответ как на причины деградации, так и на правильную оценку параметров светодиодов для разработчиков, оказывается неоднозначной. Во первых, нанесенный на поверхность кристалла люминофор значительно сглаживает все неравномерности, во вторых, начинают проявляться другие механизмы, свойственные только излучению широкого спектра, близкого к белому. Можно увидеть, что характер изменения светового потока белых светодиодов с различными отношениями эффективности излучения полностью соответствует диаграмме исходного синего. Однако и здесь видно, что наиболее резкие и большие по амплитуде изменения свойственны светодиодам с наибольшими показателями эффективности.

Помимо рассмотренных выше особенностей белых светодиодов на основе люминофора, существует также проблема неравномерности цветовых параметров излучения светодиодов по диаграмме направленности. Это, прежде всего, связано с неравномерностью нанесения люминофора на кристалл при его изготовлении. Совершенно понятно, что чем больше площадь чипа, тем труднее нанести слой люминофора одинаковой толщины и качества. К тому же, с наработкой вступают вступают факторы, связанные с качеством изготовления самого чипа, как то локальный перегрев, что влияет на изменение цветовых параметров в процессе наработки.

Так же как и в случае со световым потоком, наибольшему разбросу цветности светодиодов различных «ранков» в зависимости от значения эффективности соответствуют приборы с высокими значениями эффективности. Очевидно, что это обусловлено именно неравномерностью плотности тока.

Выводы

Ни у кого не вызывают сомнения хорошие перспективы применения осветительных светодиодов. По мере совершенствования технологии изготовления, увеличивается срок службы таких изделий. Сегодня основная борьба в области развития технологий касается совершенствования внутренней структуры светодиода в целях снижения теплового сопротивления системы размещения полупроводникового чипа, характеристик и точности воспроизведения параметров самого чипа, состава и методов нанесения люминофора. Белые светодиоды "хороших" производителей становятся достаточно стабильными для большинства применений. Доля старения люминофора в деградации всего светодиодного устройства снижается, не за горами время, когда основной и подавляющей причиной изменения свойств светодиодов станет деградация полупроводниковой структуры, а общая надежность светодиодного источника позволит не учитывать её в большинстве разработок.

Литература

1. Никифоров С. Исследование параметров семейства светодиодов CREE XLamp. Компоненты и технологии. 2006 №11

2. Полищук А. Деградация полупроводниковых светодиодов на основе нитрида галлия и его твердых растворов. Компоненты и технологии. 2008 №2

3. Никифоров С. Самые современные источники света. ExpoElectronica & ElectronTechExpo 2008

4. Никифоров С. Исследование нового семейства мощных светодиодов CREE XLamp XP-E для устройств освещения. Полупроводниковая светотехника. №2 2009

5. Никифоров С. Новые возможности светодиодов Luxeon REBEL. Полупроводниковая светотехника. №2 2011

 

Назад к каталогу статей >>>