1、导言
LED作为一种新式的照明技能，具有耗能低、寿命长、体积小、可调光、操控灵敏和环保等长处，其运用远景引人注目。跟着LED价格的下降，商场逐渐翻开，越来越多的照明产品运用LED作为光源。特别是在路途照明范畴，大功率LED产品成为商场的主角，LED在野外照明范畴大放异彩[2]。可是，跟着LED灯具运用的添加，野外LED灯具受雷击浪涌影响失效的数量也在添加。据调查，在正常运用年限内受损的LED野外灯具大多是因为雷击浪涌发生的过电应力失效了灯具电源及LED光源。这不只影响灯具的运用寿命，并且添加企业的维护本钱。鉴于此，LED野外灯具的抗雷击浪涌才干应引起满足的注重。
LED灯具的抗雷击浪涌才干首要取决于两方面：(1)LED驱动电源的抗雷击浪涌才干及维护机制。(2)LED芯片的抗过电应力才干。关于LED驱动电源，应该以两点判别其抗雷击浪涌才干的好坏：(1)本身元器材的抗雷击浪涌才干，确保电源在雷击浪涌后仍旧正常作业。(2)电源对浪涌电流电压波形的衰减才干，确保浪涌经过电源后衰减的峰值电流电压在LED芯片可接受的规模内。天津大学张金建[3]等对LED驱动电源的抗雷击浪涌进行研讨，依据雷击浪涌的特性，运用气体放电管、压敏电阻、瞬态按捺二极管等浪涌器材规划了一种合适LED电源的浪涌维护电路，并选用雷击浪涌发生器进行抗扰度试验以测验其抗雷击功能。试验成果标明，能够抗击差模1kV和共模2kV的雷击高压，确保LED电源正常作业。可是，LED驱动电源的抗雷击浪涌要求是由LED芯片的抗过电应力才干决议的。因而，对LED芯片的抗过电应力才干的研讨是十分必要的。
基于此，本文针对几种类型不同的大功率LED芯片进行雷击浪涌试验，以讨论不同大功率LED芯片抗过电应力才干，为LED野外灯具的驱动电源与LED芯片的挑选，以及抗雷击浪涌浪涌才干的规划研制供给参阅，具有重要的实践意义。
2、LED芯片抗过电应力才干的影响要素
首要，LED芯片可接受的电流密度决议其抗过电应力才干，LED芯片能接受的单位横截面积上的电流越大，其抗过电应力才干越强。关于惯例电导体电流密度有必要满足低，以防止导体熔化或熔断，或许绝缘材料被击穿[4]。在大电流密度下LED芯片内部会发生电搬迁现象。导电金属材料在经过较高电流密度时，金属原子会沿着电子运动方向进行搬迁分散。在LED中电搬迁使金属原子从一个晶格自在分散到另一个晶格空位上。以倒装结构芯片为例，当电子流从互连引线流入共晶合金凸点时，因为互连引线到凸点的几许形状发生了骤变，因而会在界面上发生电流密度集合和部分焦耳热效应[5]。电流密度集合使得凸点和芯片及基板引线里的电流密度散布不均匀，导致电流密度集合处部分发生了杂乱的电搬迁力，加快了电搬迁的进程，一起加快了LED的失效。
其次，电流集合效应影响芯片的抗过电应力才干。电流集合是电流密度在芯片上的不均匀散布，尤其在芯片触摸点邻近和P-N接点上方。LED芯片的电流集合现象在芯片上构成部分过热构成热门，加重电搬迁效应使电流密度部分散布不均匀，不均匀的电流密度使得芯片部分温度上升，而温度上升又引起电阻率下降，然后导致部分载流子的俄歇复合添加[6]，影响芯片的内量子功率。少量载流子经过异质结的电荷区时发生渗漏，会引起电流的注入功率下降，然后形成LED芯片部分发光不均、过热，影响芯片的发光功能和运用寿命，终究导致LED芯片短路或开路。当芯片尺度和注入电流较大时，这种现象尤为严峻。
最终，LED芯片键合线的载流才干是影响LED芯片抗过电应力才干的一个要素。尽管因为键合线的熔断导致LED失效在实践运用中不常见，可是键合线的直径、长度、键合类型、金属的物理原料性质、电阻性都对金线的载流才干有影响。当过电应力较大时，导体熔断使LED开路。
以上要素一起影响LED芯片的抗过电应力才干。经过不同的芯片技能工艺能够改进芯片的电搬迁及电流集合效应。例如，优化的插指电极能够改进电流拥堵现象;笔直结构芯片使电流在芯片内纵向活动能够改进电流集合现象。一起倒装芯片的电极和Bump的数目[5]、方位以及欧姆触摸的加工制作关于芯片的电流扩展有显着的影响，经过优化电极、Bump的几许及电学参数等能够较大程度的削弱电流拥堵效应，改进电流密度散布的不均匀性，促进电流扩展，下降芯片总的等效电阻。
可见不同结构不同工艺的LED芯片在相同的浪涌脉冲下，抗过电应力的体现不同。下面经过试验找到商场上常见大功率LED芯片的抗单次脉冲电流峰值的规模。
3、不同大功率LED芯片抗单次脉冲电流的试验
为了模仿实践雷击对LED灯具及芯片的影响，选用杭州远方EMS61000-5A[7]智能型雷击浪涌发生器，模仿雷击进程中电网中发生的浪涌波形。
EMS61000-5A的输出波形为：电压归纳波1.2/50μs和电流归纳波8/20μs的规范组合波[8]，其间电压归纳波(如图1所示)波前时刻：T1=1.67T=1.2μs±0.36μs，半峰值时刻：T2=50μs±10μs。
电流归纳波(如图2所示)波前时刻：T1=1.25T=8μs±1.6μs，半峰值时刻：T2=20μs±4μs。
当运用LED整灯(包括灯珠和驱动电源)作为浪涌测验目标时，发现规范浪涌波形经过LED电源后其输出浪涌电流是不确认的，因为不同生产厂家的驱动电源抗雷击规划不同，形成电源输出端即灯珠输入端浪涌波形的形状及峰值电流巨细不可控，添加了试验进程中的不确认要素。
为处理以上问题，本试验运用直流供应器直接对单颗LED供电，将浪涌波形加在直流电路中。经过调理设备输出的脉冲电压峰值巨细和与单颗LED相串联的电阻阻值，来改动灯珠输入端电流脉冲峰值的巨细。这样就做到了浪涌波形的确认及脉冲峰值电流巨细的可控。
试验时首要将灯珠在350mA作业电流下点亮，在串联有电阻和LED灯珠的电路中施加以上脉冲波形。脉冲电压由250V开端逐渐添加，添加距离为50V。每个电压档进行浪涌冲击5次，每个波形距离10s。假如测验完结后灯珠正常作业，就进入下一个电压档持续测验。一起运用示波器调查灯珠两头的峰值电流波形，当灯珠失效击穿时记载其脉冲波形，确认其失效时脉冲峰值电流(为扫除灯珠维护电极对试验影响，试验前将灯珠维护电极去除)。
3.1蓝宝石衬底水平结构芯片抗浪涌测验
对商场上一款尺度为45mil*45mil尺度的水平结构LED芯片进行浪涌测验。由250V浪涌开端，灯珠在300V第2次浪涌冲击时失效。记载到灯珠失效时其两头的电流浪涌波形如图3所示。
试验共测验5颗水平结构LED灯珠，其失效时脉冲电流峰值分别为：15.55A、15.88A、15.00A、15.62A、15.22A。
对浪涌后灯珠剖析发现，灯珠彻底短路，芯片电极处彻底击穿熔断，如图4所示：
图5、图6分别为蓝宝石衬底正装结构芯片在1mA和150mA下芯片外表亮度散布图。从图中能够调查到在1mA下芯片外表电流散布不均匀导致芯片外表亮度不均匀，一起跟着电流增大(150mA)，电流散布不均匀现象加重。
3.2 SiC倒装结构LED芯片抗浪涌测验
选用商场上一款尺度为40mil*40mil巨细的SiC衬底倒装结构芯片做抗过电应力测验。灯珠在650V浪涌电压下失效，其失效时接受的浪涌波形如图7所示。
试验共测验5颗SiC衬底倒装结构LED芯片，其失效时的脉冲峰值电流分别为：29.22A、29.68A、33.57A、35.68A、35.39A。经过比照发现，以上峰值电流比测验过的水平结构芯片抗浪涌峰值电流高出一倍。
对浪涌后灯珠剖析发现，灯珠彻底短路，如图8所示：
图9、图10分别为SiC衬底正装结构芯片在1mA和150mA下芯片外表亮度散布图。
调查测验SiC衬底的倒装芯片结构的灯珠在1mA与150mA下芯片外表亮度散布图，发现在小电流下芯片亮度散布较均匀，标明芯片电流散布均匀。一起跟着电流的增大(150mA)，芯片中没有呈现显着的电流散布不均匀现象。
关于GaN基蓝光LED，SiC与GaN之间的晶格失配率仅3.4%，远小于蓝石衬底与GaN之间17%的晶格失配，SiC衬底上外延成长的GaN薄膜具有更低的位错缺点密度，意味着SiC衬底的GaN LED具有更高的内量子功率，合适在大电流密度下作业。别的，SiC的热导率很高(420W/m.K)，是蓝宝石(23-25W/m.K)的十五倍以上[9]，有利于LED器材的散热，进步LED的可靠性。
3.3蓝宝石剥离衬底倒装LED芯片抗过电应力测验
选用商场上一款尺度为55mil*55mil以蓝宝石剥离衬底的倒装结构灯珠做过电应力测验。芯片在350V浪涌电压下失效，其失效浪涌波形如图11所示。
试验测验的5颗蓝宝石剥离衬底倒装结构灯珠失效时接受的脉冲电流峰值分别为：16.2A、16.59A、12.23A、14.49A、14.53A。
图12蓝宝石倒装LED光源浪涌失效后的芯片外表，芯片外表能够显着调查到因为电流拥堵发生的部分温度过高形成的击穿。
3.4 SiC衬底笔直结构LED芯片抗过电应力测验
选用商场上一款尺度为55mil*55mil，以SiC为衬底的笔直结构芯片做雷击浪涌测验，芯片在600V浪涌电压下失效。其失效的浪涌波形如图13所示。
试验测验5颗SiC衬底笔直结构灯珠失效时接受的脉冲电流峰值分别为：24.4A、28A、25.2A、24.6A、26.0A。
对失效灯珠进行剖析发现，其失效区域会集在电极邻近，如图14所示。
3.5 Si衬底搬运笔直结构LED芯片抗过电应力测验
选用商场上一款尺度为45mil*45mil，Si衬底搬运笔直结构芯片做过电应力测验，芯片在350V浪涌电压下失效。其失效时接受的浪涌波形如图15所示。
试验测验的5颗Si衬底笔直结构芯片失效时接受的脉冲电流峰值分别为：16.6A、16.6A、16.4A、16.2A、16.5A。
对失效芯片进行剖析，可显着调查到N电极邻近金属化电极击穿，如图16所示。
将以上测验成果记载如表1所示：
4、定论
经过对商场上常见的大功率LED芯片的抗过电应力才干测验，发现不同结构不同工艺LED芯片的抗过电应力才干不同很大。其失效时接受的单次脉冲电流峰值规模在12A到35A之间。关于LED驱动电源，其在遭受雷击浪涌时在确保本身正常作业的前提下，还需求确保其输出端的浪涌波形峰值电流小于12A，这样才干维护LED灯珠，防止其当即失效。当然，还需求考虑另一种状况，即LED灯珠在接受过电应力时，失效初期只是体现为灯珠漏电，需求老化一段时刻后才呈现光通量的显着下降或死灯现象。这种状况关于LED驱动电源的抗雷击才干有更高的要求，咱们在后期将添加浪涌冲击后灯珠漏电检测及加快老化的试验内容，完善这部分的研讨作业。
进步LED灯具抗雷击才干的另一个方面即进步灯具运用的LED光源的抗过电应力才干，在表1中能够看到倒装结构SiC衬底(图形化处理衬底，未彻底剥离衬底)能接受的脉冲电流峰值到达32A，在抗过电应力上有很好的体现，与抗雷击浪涌才干强的驱动电源结合运用能够提高灯具的全体抗雷击功能。当然，大功率LED芯片制作工艺(如芯片结构、外延制作等)对芯片抗过电应力才干起决议性效果的方面在表1中没有充分反映，这也是咱们下一阶段的课题方向。
