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LED(LightEmittingDiode:发光二极管)作为第四代光源,因其节能、环保、长寿命等
优点极具发展前景。但因为LED对温度极为敏感,结温升高会影响LED的寿命、光效、光
色(波长)、色温、光形(配光)以及正向电压、最大注入电流、光度、色度、电气参数以及可
靠性等。本文详细分析了温度升高对LED各光电参数及可靠性的影响,以利于LED芯片和
LED照明产品的设计开发。
一、温度过高会对LED造成永久性破坏
(1)LED工作温度超过芯片的承载温度将会使LED的发光效率快速降低,产生明显的光
衰,并造成损坏;
(2)LED多以透明环氧树脂封装,若结温超过固相转变温度(通常为125℃),封装材料会
向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升,从而导致LED开路和失效。
二、温度升高会缩短LED的寿命
LED的寿命表现为它的光衰,也就是时间长了,亮度就越来越低,直到最后熄灭。通
常定义LED光通量衰减30%的时间为其寿命。
通常造成LED光衰的原因有以下几方面:
(1)LED芯片材料内存在的缺陷在较高温度时会快速增殖、繁衍,直至侵入发光区,形
成大量的非辐射复合中心,严重降低LED的发光效率。
另外,在高温条件下,材料内的微缺陷及来自界面与电板的快扩杂质也会引入发光区,
形成大量的深能级,同样会加速LED器件的光衰[1]。
(2)高温时透明环氧树脂会变性、发黄,影响其透光性能,工作温度越高这种过程将进
行得越快,这是LED光衰的又一个主要原因。
(3)荧光粉的光衰也是影响LED光衰的一个主要原因,因为荧光粉在高温下的衰减十分
严重。
所以,高温是造成LED光衰,缩短LED寿命的主要根源。
不同品牌LED的光衰是不同的,通常LED厂家会给出一套标准的光衰曲线。例如Philips
Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线如图1所示,当结温从115℃提高到135℃,其寿
命就会从50,000小时缩短到20,000小时。
图1LumiledLuxeonK2的光衰曲线
高温导致的LED光通量衰减是不可恢复的,LED没有发生不可恢复的光衰减前的光通
量,称为LED的“初始光通量”。
三、温度升高会降低LED的发光效率
温度影响LED光效的原因包括以下几个方面:
(1)温度升高,电子与空穴的浓度会增加,禁带宽度会减小,电子迁移率将减小。
(2)温度升高,势阱中电子与空穴的辐射复合几率降低,造成非辐射复合(产生热量),从
而降低LED的内量子效率[2]。
(3)温度升高导致芯片的蓝光波峰向长波方向偏移,使芯片的发射波长和荧光粉的激发
波长不匹配,也会造成白光LED外部光提取效率的降低[3]。
(4)随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,LED的外部光提取效率降低。
(5)硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶
的折射率降低,从而影响LED光效。
一般情况下,光通量随结温的增加而减小的效应是可逆的。也就是说当温度回复到初始
温度时,光输出通量会有一个恢复性的增长。这是因为材料的一些相关参数会随温度发生变
化,从而导致LED器件参数的变化,影响LED的光输出。当温度恢复至初态时,LED器件
参数的变化随之消失,LED光输出也会恢复至初态值。对此,LED的光通量值有“冷流明”
和“热流明”之分,分别表示LED结点在室温和某一温度下时LED的光输出。
一般,LED光通量与结温的关系可以用式(1)表示:
(1)
其中,表示结温时的光通量(lm);表示结温时的光通量(lm);
为温度系数(1/℃);为LED结温的差值,即。
一般情况下,值可由实验测定。例如对于InGaAlP基LED相关的值如表1所示。
LED材质类别温度系数(1/℃)
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