大功率led芯片抗過(guò)電應(yīng)力能力研究

1、大功率大功率LEDLED芯片抗過(guò)電應(yīng)力能力研究芯片抗過(guò)電應(yīng)力能力研究0推薦2013年中國(guó)照明論壇LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用與創(chuàng)新論壇于9月1516日在中山小欖盛大召開！《大功率LED芯片抗過(guò)電應(yīng)力能力研究》是此次論壇《論文集》精彩內(nèi)容，作者：萬(wàn)歡張志海曾平洪蕓蕓1、引言LED作為一種新型的照明技術(shù)，具有耗能低、壽命長(zhǎng)、體積小、可調(diào)光、控制靈活和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景舉世矚目。隨著LED價(jià)格的下降，市場(chǎng)逐漸打開，越來(lái)越多的照明產(chǎn)品使用LED

2、作為光源。特別是在道路照明領(lǐng)域，大功率LED產(chǎn)品成為市場(chǎng)的主角，LED在戶外照明領(lǐng)域大放異彩[2]。然而，隨著LED燈具應(yīng)用的增加，戶外LED燈具受雷擊浪涌影響失效的數(shù)量也在增加。據(jù)調(diào)查，在正常使用年限內(nèi)受損的LED戶外燈具大多是因?yàn)槔讚衾擞慨a(chǎn)生的過(guò)電應(yīng)力失效了燈具電源及LED光源。這不僅影響燈具的使用壽命，而且增加企業(yè)的維護(hù)成本。鑒于此，LED戶外燈具的抗雷擊浪涌能力應(yīng)引起足夠的重視。LED燈具的抗雷擊浪涌能力主要取決于兩方面：(1)

3、LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊浪涌能力及保護(hù)機(jī)制。(2)LED芯片的抗過(guò)電應(yīng)力能力。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電源，應(yīng)該以兩點(diǎn)判斷其抗雷擊浪涌能力的好壞：(1)自身元器件的抗雷擊浪涌能力，保證電源在雷擊浪涌后依舊正常工作。(2)電源對(duì)浪涌電流電壓波形的衰減能力，保證浪涌經(jīng)過(guò)電源后衰減的峰值電流電壓在LED芯片可承受的范圍內(nèi)。天津大學(xué)張金建[3]等對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊浪涌進(jìn)行研究，根據(jù)雷擊浪涌的特性，利用氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等浪涌器件設(shè)計(jì)

4、了一種適合LED電源的浪涌保護(hù)電路，并采用雷擊浪涌發(fā)生器進(jìn)行抗擾度實(shí)驗(yàn)以測(cè)試其抗雷擊性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能夠抗擊差模1kV和共模2kV的雷擊高壓，保證LED電源正常工作。然而，LED驅(qū)動(dòng)電源的抗雷擊浪涌要求是由LED芯片的抗過(guò)電應(yīng)力能力決定的。因此，對(duì)LED芯片的抗過(guò)電應(yīng)力能力的研究是十分必要的?；诖耍疚尼槍?duì)幾種類型不同的大功率LED芯片進(jìn)行雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)，以探討不同大功率LED芯片抗過(guò)電應(yīng)力能力，為L(zhǎng)ED戶外燈具的驅(qū)動(dòng)電源與LED芯

5、片的選擇，以及抗雷擊浪涌浪涌能力的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考，具有重要的實(shí)際意義。2、LED芯片抗過(guò)電應(yīng)力能力的影響因素首先，LED芯片可承受的電流密度決定其抗過(guò)電應(yīng)力能力，LED芯片能承受的單位橫截面積上的電流越大，其抗過(guò)電應(yīng)力能力越強(qiáng)。對(duì)于常規(guī)電導(dǎo)體電流密度必須足夠低，以防止導(dǎo)體熔化或熔斷，或者絕緣材料被擊穿[4]。在大電流密度下LED芯片內(nèi)部會(huì)發(fā)生電遷移現(xiàn)象。導(dǎo)電金屬材料在通過(guò)較高電流密度時(shí)，金屬原子會(huì)沿著電子運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行遷移擴(kuò)散。在LED

6、中電遷移使金屬原子從一個(gè)晶格自由擴(kuò)散到另一個(gè)晶格空位上。以倒裝結(jié)構(gòu)芯片為例，當(dāng)電子流從互連引線流入共晶合金凸點(diǎn)時(shí)，由于互連引線到凸點(diǎn)的幾何形狀產(chǎn)生了突變，因此會(huì)在界面上產(chǎn)生電流密度聚集和局部焦耳熱效應(yīng)[5]。電流密度聚集使得凸點(diǎn)和芯片及基板引線里的電流密度分布不均勻，導(dǎo)致電流密度聚集處局部產(chǎn)生了復(fù)雜的電遷移力，加速了電遷移的過(guò)程，同時(shí)加速了LED的失效。電流綜合波(如圖2所示)波前時(shí)間：T1=1.25T=8μs1.6μs，半峰值時(shí)間：T

7、2=20μs4μs。當(dāng)使用LED整燈(包含燈珠和驅(qū)動(dòng)電源)作為浪涌測(cè)試對(duì)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)浪涌波形經(jīng)過(guò)LED電源后其輸出浪涌電流是不確定的，由于不同生產(chǎn)廠家的驅(qū)動(dòng)電源抗雷擊設(shè)計(jì)不同，造成電源輸出端即燈珠輸入端浪涌波形的形態(tài)及峰值電流大小不可控，增加了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不確定因素。為解決以上問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)使用直流供應(yīng)器直接對(duì)單顆LED供電，將浪涌波形加在直流電路中。通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備輸出的脈沖電壓峰值大小和與單顆LED相串聯(lián)的電阻阻值，來(lái)改變燈珠輸入端電流

8、脈沖峰值的大小。這樣就做到了浪涌波形的確定及脈沖峰值電流大小的可控。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將燈珠在350mA工作電流下點(diǎn)亮，在串聯(lián)有電阻和LED燈珠的電路中施加以上脈沖波形。脈沖電壓由250V開始逐步增加，增加間隔為50V。每個(gè)電壓檔進(jìn)行浪涌沖擊5次，每個(gè)波形間隔10s。如果測(cè)試完成后燈珠正常工作，就進(jìn)入下一個(gè)電壓檔繼續(xù)測(cè)試。同時(shí)使用示波器觀察燈珠兩端的峰值電流波形，當(dāng)燈珠失效擊穿時(shí)記錄其脈沖波形，確定其失效時(shí)脈沖峰值電流(為排除燈珠保護(hù)電極對(duì)實(shí)驗(yàn)