LED在高效運(yùn)行方面享有當(dāng)之無(wú)愧的聲譽(yù)，更不用說(shuō)高可靠性了。正確指定和實(shí)施，LED應(yīng)該并且?guī)缀鯘M足每個(gè)照明應(yīng)用。但是，有時(shí)實(shí)際設(shè)備的使用壽命會(huì)達(dá)不到規(guī)定的理想值。 LED是寬帶隙半導(dǎo)體器件。因此，它們具有比現(xiàn)有技術(shù)更復(fù)雜和多樣的故障模式。與白熾燈不同，白熾燈的故障非常簡(jiǎn)單（燈泡在燈絲斷裂之前產(chǎn)生光線），使用LED時(shí)，故障模式的范圍從機(jī)械和電氣到材料。

首先，快速回顧基礎(chǔ)知識(shí)

在芯片級(jí)，LED由摻雜半導(dǎo)體材料組成，形成p-n結(jié)。用正向電流偏置結(jié)將電子從n型導(dǎo)帶推到p型導(dǎo)帶。在很大比例的情況下，這種重組是一種輻射過(guò)程，產(chǎn)生一個(gè)光子，其波長(zhǎng)由材料的帶隙決定。

一旦LED晶圓被圖案化，就將其切割并將各個(gè)芯片連接并封裝。為了產(chǎn)生從LED發(fā)出光所需的正向電流，必須使用超薄線（通常為金）將其連接到引線（圖1）。模具可以用銀膏粘合到位，這提供電傳導(dǎo)和熱傳導(dǎo)。另一種選擇是應(yīng)用粘彈性阻尼材料進(jìn)行保護(hù)。然后將絕大多數(shù)LED封裝在環(huán)氧樹(shù)脂中，其提供機(jī)械穩(wěn)定性，光學(xué)擴(kuò)散和一定量的環(huán)境保護(hù)。

圖1：將LED芯片（藍(lán)色）連接到引線的引線鍵合（金）可能會(huì)受到熱膨脹應(yīng)力的破壞。環(huán)氧樹(shù)脂外殼吸收的水分或腐蝕性化學(xué)物質(zhì)會(huì)腐蝕引線（灰色）。

LED有兩種主要的失敗類型：漸進(jìn)式和災(zāi)難性的。除了極少數(shù)例外，LED故障往往源于逐漸退化而非災(zāi)難性變化。供應(yīng)商不將故障定義為二元條件，而是將其定義為連續(xù)體中的指定點(diǎn)。根據(jù)研究，在人眼可以檢測(cè)到變化之前，燈的輸出可以降低多達(dá)30％的光通量。因此，大多數(shù)制造商通過(guò)其輸出光通量下降到初始值的70％以下的時(shí)間來(lái)定義設(shè)備的生命周期。

這并不是說(shuō)災(zāi)難性的失敗從未發(fā)生過(guò)。事實(shí)上，運(yùn)行條件越極端，您的設(shè)備在某些時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)故障的可能性就越大。但是，有一些方法可以減輕許多原因，以確保應(yīng)用程序的成功。

材料失效模式

LED材料的質(zhì)量直接影響其性能和使用壽命。材料中缺陷的數(shù)量越大，電子 - 空穴復(fù)合引起非輻射衰變的可能性越大。形成大多數(shù)白光LED基礎(chǔ)的氮化鎵LED目前主要生長(zhǎng)在涂有GaN層的藍(lán)寶石襯底上。兩種材料之間的格子不匹配引入了引起一種稱為穿透位錯(cuò)的缺陷的應(yīng)變。這些是從GaN膜垂直傳播到有源區(qū)中的細(xì)裂紋，導(dǎo)致非輻射衰變。非輻射衰減的百分比越大，燈的輸出越低。這些缺陷可以傳播，特別是如果材料經(jīng)歷熱循環(huán)。

結(jié)構(gòu)缺陷通過(guò)創(chuàng)建漏電流路徑引入了不同類型的損耗，為反向偏置電流開(kāi)辟了道路。通過(guò)有源區(qū)域注入載流子可以產(chǎn)生新缺陷或?qū)е卢F(xiàn)有缺陷傳播。所得到的缺陷密度降低了擊穿電壓，這可能損害性能。

同樣，高電流會(huì)產(chǎn)生缺陷，尤其是在結(jié)的p側(cè)。實(shí)際上，在紫外LED的測(cè)試中，電應(yīng)力比熱應(yīng)力降低了性能。如果您有超高亮度應(yīng)用，請(qǐng)考慮使用首爾半導(dǎo)體的W724C0-D冷白光LED等產(chǎn)品。表面貼裝器件可以承受高達(dá)2.8 A的正向電流，輸出為900 lm（圖2）。

圖2：過(guò)度驅(qū)動(dòng)LED可能會(huì)導(dǎo)致最終影響輸出和壽命的缺陷。對(duì)于高亮度應(yīng)用，請(qǐng)確保指定可以完成工作的設(shè)備，例如這款冷白色LED，在2.8 A驅(qū)動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生高達(dá)900 lm的輸出。（由Seoul Semiconductor提供。）

活躍介質(zhì)不是LED中唯一潛在的故障源。環(huán)氧樹(shù)脂封裝旨在保護(hù)芯片，但它實(shí)際上可以產(chǎn)生自己的問(wèn)題。該材料具有固有的吸收性，這意味著在潮濕或甚至腐蝕性環(huán)境中，它可以將水分或腐蝕性化學(xué)品轉(zhuǎn)移到模具中。這可能導(dǎo)致觸點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致短路或電壓尖峰。盡管鈍化有助于減輕這種影響，但如果在炎熱，潮濕的環(huán)境中使用設(shè)備，則必須盡量保護(hù)設(shè)備。

電氣故障模式

在存在電場(chǎng)的情況下，用于將表面貼裝LED粘附到電路板上的銀中的金屬可能會(huì)自發(fā)形成細(xì)絲，這種現(xiàn)象稱為電遷移，這是一種自發(fā)過(guò)程濕度或潮濕條件加劇了這種情況。對(duì)于未封裝的LED，并且它們確實(shí)存在，這可能是一個(gè)應(yīng)該防范的問(wèn)題。

暴露在高壓靜電放電中的LED存在災(zāi)難性故障的風(fēng)險(xiǎn)。不幸的是，超高壓尖峰并不代表異常情況。根據(jù)濕度和鞋子的不同，您可以通過(guò)鋪有地毯的房間累積高達(dá)1.5 kV的靜電電荷。當(dāng)應(yīng)用于模具時(shí)，這種沖擊可以克服材料半導(dǎo)體材料的靜電電阻。放電采用極端局部加熱的形式，這會(huì)在有源介質(zhì)中產(chǎn)生穿孔，從而導(dǎo)致短路故障。

具有約50 V擊穿電壓的瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS），例如Littelfuse的5KP系列，可以幫助保護(hù)器件。二極管可以承受5，000 W的峰值脈沖，響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于1 ps。

連接到芯片的引線鍵合可能非常脆弱。環(huán)氧樹(shù)脂封裝通?？杀Ｗo(hù)設(shè)備免受沖擊和振動(dòng)。也就是說(shuō)，封裝的LED包含許多不同的材料 - 導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體，幾乎所有材料都具有不同的熱膨脹系數(shù)。結(jié)果，溫度波動(dòng)會(huì)引起材料膨脹的變化，導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，該機(jī)械應(yīng)力會(huì)使導(dǎo)線斷裂或以其他方式損害接觸，通常導(dǎo)致開(kāi)路形式的災(zāi)難性故障。使用良好的熱管理實(shí)踐將設(shè)備穩(wěn)定在極端溫度和快速熱循環(huán)中是至關(guān)重要的。考慮導(dǎo)電或甚至主動(dòng)冷卻來(lái)解決問(wèn)題。如果熱量有問(wèn)題，請(qǐng)注意尋找額定溫度極限的元件。

開(kāi)路可能是個(gè)問(wèn)題，特別是對(duì)于與其他組件串聯(lián)的LED。如果一個(gè)設(shè)備開(kāi)路，它可以用整個(gè)字符串。 Bourns的LSP0900BJR-S并聯(lián)保護(hù)器可以承受75 mA的擊穿電流Ibo和33 V的轉(zhuǎn)折電壓Vbo。符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的器件可以防止開(kāi)路失效的LED，允許電流繞過(guò)故障并繼續(xù)到字符串的其余部分。如果您正在使用高可靠性應(yīng)用程序，那么這是確保性能的好方法。