中心議題：

• 溫度升高對(duì)LED各光電參數(shù)及可靠性的影響

led(Light Emitting Diode：發(fā)光二極管)作為第四代光源，因其節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)極具發(fā)展前景。但因?yàn)長(zhǎng)ED對(duì)溫度極為敏感，結(jié)溫升高會(huì)影響LED的壽命、光效、光色(波長(zhǎng))、色溫、光形(配光)以及正向電壓、最大注入電流、光度、色度、電氣參數(shù)以及可靠性等。本文詳細(xì)分析了溫度升高對(duì)LED各光電參數(shù)及可靠性的影響，以利于LED芯片和LED照明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。

一、溫度過(guò)高會(huì)對(duì)LED造成永久性破壞

(1)LED工作溫度超過(guò)芯片的承載溫度將會(huì)使LED的發(fā)光效率快速降低，產(chǎn)生明顯的光衰，并造成損壞;

(2)LED多以透明環(huán)氧樹脂封裝，若結(jié)溫超過(guò)固相轉(zhuǎn)變溫度(通常為125℃)，封裝材料會(huì)向橡膠狀轉(zhuǎn)變并且熱膨脹系數(shù)驟升，從而導(dǎo)致LED開路和失效。

二、溫度升高會(huì)縮短LED的壽命

LED的壽命表現(xiàn)為它的光衰，也就是時(shí)間長(zhǎng)了，亮度就越來(lái)越低，直到最后熄滅。通常定義LED光通量衰減30%的時(shí)間為其壽命。

通常造成LED光衰的原因有以下幾方面：

(1)LED芯片材料內(nèi)存在的缺陷在較高溫度時(shí)會(huì)快速增殖、繁衍，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重降低LED的發(fā)光效率。另外，在高溫條件下，材料內(nèi)的微缺陷及來(lái)自界面與電板的快擴(kuò)雜質(zhì)也會(huì)引入發(fā)光區(qū)，形成大量的深能級(jí)，同樣會(huì)加速LED器件的光衰。
(2)高溫時(shí)透明環(huán)氧樹脂會(huì)變性、發(fā)黃，影響其透光性能，工作溫度越高這種過(guò)程將進(jìn)行得越快，這是LED光衰的又一個(gè)主要原因。
(3)熒光粉的光衰也是影響LED光衰的一個(gè)主要原因，因?yàn)闊晒夥墼诟邷叵碌乃p十分嚴(yán)重。

所以，高溫是造成LED光衰，縮短LED壽命的主要根源。

不同品牌LED的光衰是不同的，通常LED廠家會(huì)給出一套標(biāo)準(zhǔn)的光衰曲線。例如Philips Lumiled公司的Luxeon K2的光衰曲線如圖1所示，當(dāng)結(jié)溫從115℃提高到135℃，其壽命就會(huì)從50，000小時(shí)縮短到20，000小時(shí)。
 

圖1 Lumiled Luxeon K2的光衰曲線

高溫導(dǎo)致的LED光通量衰減是不可恢復(fù)的，LED沒有發(fā)生不可恢復(fù)的光衰減前的光通量，稱為L(zhǎng)ED的“初始光通量”。

三、溫度升高會(huì)降低LED的發(fā)光效率

溫度影響LED光效的原因包括以下幾個(gè)方面：
(1)溫度升高，電子與空穴的濃度會(huì)增加，禁帶寬度會(huì)減小，電子遷移率將減小。
(2)溫度升高，勢(shì)阱中電子與空穴的輻射復(fù)合幾率降低，造成非輻射復(fù)合(產(chǎn)生熱量)，從而降低LED的內(nèi)量子效率。
(3)溫度升高導(dǎo)致芯片的藍(lán)光波峰向長(zhǎng)波方向偏移，使芯片的發(fā)射波長(zhǎng)和熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)不匹配，也會(huì)造成白光LED 外部光提取效率的降低。
(4)隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少，LED 的外部光提取效率降低。
(5)硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效。

一般情況下，光通量隨結(jié)溫的增加而減小的效應(yīng)是可逆的。也就是說(shuō)當(dāng)溫度回復(fù)到初始溫度時(shí)，光輸出通量會(huì)有一個(gè)恢復(fù)性的增長(zhǎng)。這是因?yàn)椴牧系囊恍┫嚓P(guān)參數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致LED器件參數(shù)的變化，影響LED的光輸出。當(dāng)溫度恢復(fù)至初態(tài)時(shí)，LED器件參數(shù)的變化隨之消失，LED光輸出也會(huì)恢復(fù)至初態(tài)值。對(duì)此，LED的光通量值有“冷流明”和“熱流明”之 分，分別表示LED結(jié)點(diǎn)在室溫和某一溫度下時(shí)LED的光輸出。

一般，LED光通量與結(jié)溫的關(guān)系可以用式(1)表示:

      (1)

其中，表示結(jié)溫T1時(shí)的光通量(lm);表示結(jié)溫T2時(shí)的光通量(lm);K為溫度系數(shù)(1/℃);為L(zhǎng)ED結(jié)溫的差值，即。

一般情況下， 值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。例如對(duì)于InGaAlP基LED相關(guān)的值如表1所示

表1 不同材質(zhì)類別LED的溫度系數(shù)[page]
 

圖2 不同k值LED的光輸出(百分比)隨結(jié)溫的變化關(guān)系

由圖2可以看出：LED光效溫度系數(shù)k最好在2.0×10-3以下，這樣由溫度引起的LED光輸出降低才不會(huì)很大。例如，InGaN類LED的 k值約為1.2×10-3，結(jié)溫125℃時(shí)光輸出相對(duì)結(jié)溫25℃時(shí)降低約11%。

目前，使用最多的GaN基白光LED的溫度系數(shù)大多在2.0×10-3～4.0×10-3之間，有的甚至達(dá)到了5.0×10-3。k值偏大的LED，更要注意控制結(jié)溫。

四、溫度對(duì)LED發(fā)光波長(zhǎng)(光色)的影響

LED的發(fā)光波長(zhǎng)一般可分成峰值波長(zhǎng)與主波長(zhǎng)。峰值波長(zhǎng)即光強(qiáng)最大的波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)可由X、Y色度坐標(biāo)決定，反映了人眼所感知的顏色。顯然，結(jié)溫所引致的LED發(fā)光波長(zhǎng)的變化將直接造成人眼對(duì)LED發(fā)光顏色的不同感受。對(duì)于一個(gè)LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長(zhǎng)或顏色。溫度升高，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致器件發(fā)光波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色發(fā)生紅移。

通?？蓪⒉ㄩL(zhǎng)隨結(jié)溫的變化表示為式(2)：

其中:表示結(jié)溫T1時(shí)的波長(zhǎng)(nm);表示結(jié)溫T2時(shí)的波長(zhǎng)(nm);K表示波長(zhǎng)隨溫度變化的系數(shù)，一般在0.1～0.3nm/K之間;。

五、溫度對(duì)LED正向電壓的影響

正向電壓是判定LED性能的一個(gè)重要參量，其大小取決于半導(dǎo)體材料的特性、芯片尺寸以及器件的成結(jié)與電極制作工藝。相對(duì)于20mA的正向電流通常InGaAlP LED的正向電壓在1.8～2.2V之間，InGaN LED的正向電壓處在3.0～3.5V之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降可由式(3)表示：

　　(3)

式中，Vf為正向電壓，If為正向電流，I0為反向飽和電流，q為電子電荷，k是玻爾茲曼常數(shù)，Rs是串聯(lián)電阻，n是表征P/N結(jié)完美性的一個(gè)參量，處在1～2之間。式(3)的右邊只有反向飽和電流I0與溫度密切相關(guān)，I0值隨結(jié)溫的升高而增大，導(dǎo)致正向電壓Vf值的下降。實(shí)驗(yàn)指出，在輸入電流恒定的情況下，對(duì)于一個(gè)確定的LED器件，兩端的正向壓降與溫度的關(guān)系可由式(4)表示：

(4)

式(4)中，與分別表示結(jié)溫為T2與T1時(shí)的正向壓降，K是壓降隨溫度變化的系數(shù)，一般在-1.5～-2.5mV/K 之間;。

當(dāng)電流固定時(shí)，溫度升高，LED正向電壓會(huì)下降。由于正向電壓與溫度的關(guān)系接近線性，所以大多LED熱阻測(cè)試儀器利用LED的這一特性測(cè)量其熱阻或結(jié)溫。

六、溫度過(guò)高會(huì)限制LED的最大注入電流

溫度升高，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致最大注入電流減小。
 

圖3 Cree 3WXLampXP-E最大注入電流與結(jié)溫的關(guān)系
 

另外，溫度還會(huì)影響LED的配光曲線、色溫及顯色性。 

溫度影響透光材料折射率，會(huì)改變LED出光光線的空間分布，即配光曲線。 

溫度過(guò)高，藍(lán)光波峰長(zhǎng)移，熒光粉波峰變平坦而劣化，會(huì)導(dǎo)致LED色溫偏高、顯色性變差。

七、總結(jié) 

大功率LED因發(fā)熱量大，導(dǎo)致其工作溫度偏高，性能急劇下降。只有深入了解LED的溫度特性，開發(fā)低熱阻的LED芯片及LED應(yīng)用產(chǎn)品，才能真正體現(xiàn)LED的優(yōu)越性。