近年来,LED逐渐被市场和业界认可,很多领域都已经将利用LED照明取代传统光源照明列入例行计划之中。由于 LED自身的亮度高,使用寿命长,节能环保等优势,LED照明已经成功地应用于各个领域,尤其是特殊照明。在低温环境中,LED具有更均匀的照度及更高的发光效率,所以目前已经被视为下一代冷藏系统中的照明光源,同时在一些寒冷地区,由于昼长夜短的地域特点,其年平均照明时间远高于平均水平,这使得照明耗电量长期居高不下,因此对 LED照明的需求更为迫切。对于目前LED市场而言,是挑战与机遇并存的关键时期。LED的可靠性问题一直是影响应用领域的主要因素,研究其可靠性的关键问题在于如何将 LED在实际条件下表现拟合于试验和仿真当中。本文针对 LED在低温物理场下的可靠性,从封装器件的光电特性,到LED芯片的材料性能,直至LED完整器件的可靠性进行全面系统性分析,最终通过理论研究成果提出一种在低温物理场下有良好光电性能的新型 LED结构。开展的研究工作有:　　(1)设计并实施了LED低温特性探究实验。通过实验获得LED的各项光电参数与温度的关系。随着温度的降低,单芯片GaN基LED的正向电压升高,相对光强也会逐渐升高;对于峰值波长、峰值半宽及色温,都会随着温度的下降而下降。同时,通过比较蓝光LED及白光LED,可以确定荧光粉会受温度的影响使LED的光电性能产生变化。　　(2)针对芯片材料进行材料属性分析实验及裸芯片电学性能分析实验。采用原子力显微镜(AFM)及扫描电子显微镜(SEM)观察LED芯片的晶体结构、表面形貌、层间排布,发现在PPS衬底上的薄膜的生长质量会有所提高,并且GaN薄膜的位错密度会降低。衬底的表面特殊形貌会降低芯片全反射效果,但同时会带来界面间的接触热阻的增大,不连续的颗粒状结构是材料失效的易发区域,也是释放界面应力的区域。通过对裸芯片的电学性能测试,进一步确定了低温条件下 LED器件正向电压升高的结论,并确定此现象的发生是 LED芯片本身材料属性所致,其主要原因是在低温环境下,GaN晶格震动的能量较小,载流子活性及密度有所降低,电子和空穴的浓度同时降低,禁带宽度也会减小,使得电子迁移率变小,导致了结区扩散电压的下降。　　(3)根据有限元方法,运用ANSYS14.0有限元仿真分析软件,对实验用单芯片LED样品,进行了低温热-机械耦合场可靠性分析。获得了以下结论:第一,芯片的热流量传递方向主要是垂直向下传递,随着温度的下降,温度梯度会拓展水平方向的范围,而减少垂直方向的范围。第二,温度降低时,LED各组件的温度差也随之变小,就是说随着温度降低,器件的温度均匀性有所提高;同时整个器件的导热能力有所增强,表明导热能力与环境温度关系是非线性的。第三,最大应变与最大应力位置容易出现在MCPCB与LED器件的粘接层TIM的边缘、及芯片的粘接层与硅透镜交界处。第四,随着温度的降低器件所受的应力逐渐增大,应变先降低后升高,低温同样会对LED器件的可靠性问题带来很大。　　(4)根据前述基础理论研究结果,提出一种在低温条件下具有较高显色性及可靠性的LED结构原型即RGB-LED。以单芯片LED的有限元分析结果为参照依据,对比分析了RGB-LED在低温多物理耦合场中的温度分布规律,应力、应变分布规律,进而验证RGB-LED在低温耦合场中的可靠性。通过仿真结果发现RGB-LED的温度场结果与单芯片相似。在RGB LED的三种芯片中,蓝光芯片温度最高但是其温度分布比较均匀,温差较小,红光芯片温度最低但是其温差较大。在热机械耦合场中,两种LED在Die attach层与热沉接触面的边角处较易出现应力应变最大值,应力应变的最值区域不一定是同一个区域。应力应变与温度是非线性的关系,整个温度变化过程中,衬底及Die attach层的热应力变化梯度较大,是容易出现疲劳破坏的主要区域。在不同温度下的RGB-LED中,虽然红色芯片温度最低,但是红色芯片位置的最值应力、最值应变出现次数最多,表明其表面承受着较大的应力差及应变差,这都会对其可靠性造成一定影响。绿色芯片的应力、应变分布较为平稳,由此可推断,在低温耦合场中,红色芯片可靠性要差于蓝光芯片和绿光芯片,也是较早发生失效的位置。