温对LED的影响分析通信电子电子设计_通信电子-电子设计.pdf

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1、LED（Light Emitting Diode:发光二极管）作为第四代光源，因其节能、环保、长寿命等 优点极具开展前景。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。、温度过高会对 LED 造成永久性破坏（l）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,产生明显的光 衰,并造成损坏；LED 多以透明坏氧树脂封装，假设结温超过固相转变温度（

2、通常为 125C），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 常走义LED 光通呈衰减 30%的时间为其寿命。通常造成 LED 光衰的原因有以下几方面：（l）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 成大臺的非辐射复合中心,严重降氐 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,形成大星的深能级,同样会加速 LED 器件的光衰。(2)高温时透明环氧树脂会变性、发黄

3、，影响其透光性能，工作温度越高这种过程将进 展得越快，这是 LED 光衰的又一个主要原因。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 Luxeon K2 的光衰曲线如图 1 所示，当结温从 115C提高到 135C 其寿 命就会从 50,000 小时缩短到 20,000 小时。Luxeon K2 white at 1.5A 图1 Lumiled Luxeon K2的光衰

4、曲线 高温导致的 LED 光通星衰减是不可恢复的,LED 没有发生不可恢复的光衰减前的光通 ,称为 LED 的初始光通呈 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各光电参数及可靠性的影响以利于芯片和照明产品的设计开发温度过高会对造成永久性破坏工作温度超过芯片的承常为封装料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升从而导致开路和失效二温度升高会缩短的寿命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走义光通呈衰减的时间为其寿命通常造成光衰的原因有以下几方效率另外在高温条件下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

5、成大星的深能级同样会加速器件的光衰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展得越快这是光衰的又一个主要三.温度升高会降低 LED 的发光效率 温度影响 LED 删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，禁带竞度会减小，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(产生热臺),从 而降低 LED 的内星子效率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,荧光粉呈子效率降,出光减少,LED 的夕卜

6、部光提取效率降低。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。般情况下，光通呈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 初始 温度时，光输出通呈会有一个恢复性的增长。这是因为材料时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。当温庚恢复至初态时，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 的光通星值有冷流明 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。般,LED 光通呈与结温的关系可以用式表示：二富)严

7、厂(1)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各光电参数及可靠性的影响以利于芯片和照明产品的设计开发温度过高会对造成永久性破坏工作温度超过芯片的承常为封装料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升从而导致开路和失效二温度升高会缩短的寿命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走义光通呈衰减的时间为其寿命通常造成光衰的原因有以下几方效率另外在高温条件下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星的深能级同样会加速器件的光衰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展得越快这是光

8、衰的又一个主要其中,丄表示结温 7 1 时的光通星(lm);)表示结温了？时的光通臺(Im);脸 为温度系数(1/C);为 LED 结温的差值，即 丁=丁厂丁.般情况下值可由实验测走。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CL厂C)InGaAlP/GaAs 橙红色 952XK)3 InGaAlP/GaAs 黄色 1.11X1O-2 InGaAlP/GaP 岛亮红 952XIO3 InGaAlP/GaP 黄色 952xKy2 表1不同材质类别LED的温度系数 L 朋詔口心 图2不同k值LED的光输岀(百分比)随结温的变化关系 由图 2 可以看出:

9、LED 光效温度系数 k 最好在 2.0 x10-3 以下，这样由温度引起的 LED 光输出降低才不会很大。例如，InGaN 类 LED 的 k 值约为 1.2x10-3,结温 125C时光输 出相对结温 25C时降低约 11%.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各光电参数及可靠性的影响以利于芯片和照明产品的设计开发温度过高会对造成永久性破坏工作温度超过芯片的承常为封装料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升从而导致开路和失效二温度升高会缩短的寿命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走义光通呈衰减的时间为

10、其寿命通常造成光衰的原因有以下几方效率另外在高温条件下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星的深能级同样会加速器件的光衰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展得越快这是光衰的又一个主要目前，使用最多的 GaN 基白光 LED 的温度系数大多在 2.0“0-34.0 x10-3 之间,有的甚至到达了 5.0 x10-3。k 值偏大的 LED,更要注意控制结温。四、温度对 LED 发光波长(光色)的影响 LED 的发光波长一般可分成峰值波长与主波长。峰值波长即光强最大的波长，而主波 长可由 X、Y 色度坐标决走，反映了人眼所感知的颜色。显然，结温

11、所弓 I致的 LED 发光波 长的变化将直接造成人眼对 LED 发光颜色的不同感受。对于一个 LED 器件，发光区材料的 禁带竞度值直接决走了器件发光的波长或颜色。温度升高,材料的禁带盍度将减小，导致器 件发光波长变长,颜色发生红移。通常可将波长随结温的变化表示为式(2):砂KG+如 其中虫(笃)表示结温了 2 时的波长 gm);乂区)表示结温？的波长(nm);表示 波长随温度变化的系数，一般在 0.10.3nm/K 之间；1。五、温度对 LED 正向电压的影响 正向电压是判走 LED 性能的一个重要参星,其大小取决于半导体材料的特性、芯片尺 寸以及器件的成结与电极制作工艺。相对于 20mA

12、的正向电流通常 InGaAlP LED 的正向电 压在 1.82.2V 之间，InGaN LED 的正向电压处在 3.03.5V 之间。在小电流近似下,LED 器件的正向压降可由式表示: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各光电参数及可靠性的影响以利于芯片和照明产品的设计开发温度过高会对造成永久性破坏工作温度超过芯片的承常为封装料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升从而导致开路和失效二温度升高会缩短的寿命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走义光通呈衰减的时间为其寿命通常造成光衰的原因有以下几方效率另外在

13、高温条件下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星的深能级同样会加速器件的光衰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展得越快这是光衰的又一个主要-h()+彳厶 式中，为正向电压，A 为正向电流，圧为反向饱和电流，。为电子电荷，k 是玻尔玆晏常数,尺*是串联电阻f n 是表征P/N结完美性的一个参星，处在 12 之间。式(3)的右边只有反向饱和电流】与温度密切相关,%值随结温的升高而增大，导致正向 电压 1?值的下降。实验指出，在输入电流恒走的情况下，对于一个确走的 LED 器件,两 端的正向压降与温度的关系可由式(4)表示：卩)仏石)+叱(4)式

14、中，卩小)与 分别表示结温为 7 2 与门 M 的正向压降，k是压降 随温度变化的系数,般在-1.5-2.5mV/K之间;畝=兀_7。当电流固走时，温度升高，LED 正向电压会下降。由于正向电压与温度的关系接近线 性,所以大多 LED 热阻测试仪器利用 LED 的这 Ft 生测臺其热阻或结温。六、温度过高会限制 LED 的最大注入电流 温度升高，材料的禁带克度将减小，导致最大注入电流减小。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各光电参数及可靠性的影响以利于芯片和照明产品的设计开发温度过高会对造成永久性破坏工作温度超过芯片的承常为封

15、装料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升从而导致开路和失效二温度升高会缩短的寿命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走义光通呈衰减的时间为其寿命通常造成光衰的原因有以下几方效率另外在高温条件下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星的深能级同样会加速器件的光衰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展得越快这是光衰的又一个主要 Rj-3 Rj-a Rj-a Rj-a-10*C/WZ 15eC/W-20叱/叫 _一：5eC/W 2$W AimbiQiit Temperature(C)图3 Cree 3WXLampXPE最大注入

16、电流与结温的关系 另外，温度还会影响 LED 的配光曲线、色温及显色性。温度影响透光材料折射率,会改变 LED 出光光线的空间分布f即配光曲线。温度过高,蓝光波峰长移,荧光粉波峰变平坦而劣化，会导致 LED 色温偏高、显色性 变差。大功率 LED 因发热呈大r导致具工作温康偏高，性能急剧下降。只有深入了解 LED 的 温度特性,开发低热阻的 LED 芯片及 LED 应用产品，才能真正表达 LED 的优趣性。532 WE 二 ugsu U13U1XQW 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各光电参数及可靠性的影响以利于芯片和照明产品的设计开发温度过高会对造成永久性破坏工作温度超过芯片的承常为封装料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升从而导致开路和失效二温度升高会缩短的寿命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走义光通呈衰减的时间为其寿命通常造成光衰的原因有以下几方效率另外在高温条件下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星的深能级同样会加速器件的光衰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展得越快这是光衰的又一个主要