led应用与温升
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COB LED的导热问题COB LED越来越多被LED灯厂家接受,使用COB最常遇到的问题是,这么大的功率集中于很小的面积内,散热的问题如何解决?首先是热量如何导出,采用什么样的界面材料好呢?而采用陶瓷基板封装,不可以直接上螺丝如何固定到散热器上?采用粘接剂可以解决导热问题和安装问题吗?1.COB LED的热传导途径热阻thermal resistance(单位是℃/W或K/W)的定义为:当热量在物体内部以热传导的方式传递时,遇到的热阻称为导热热阻。
下图为一个COB LED的应用图示,参照串联电路中电阻的公式,热的传递所受的热阻(即单位功率的温升)为R=R jc+R cb+R bh+R ba其中,R ja为从发光二极管的结到室温的热阻,R jc是发光二极管的结到陶瓷基板的热阻,通常厂家会给出相应的数据,Rc b是COBLED陶瓷基板与散热器接触面间的热阻,通常由界面导热材料决定,R bh是散热器接的热阻,也是用于设计散热器的重要参数。
则,结温Tj=Rja*P+Ta= (R jc+R cb+R bh+R ba)*P+Ta其中,Ta为环境温度,Tj为结温,P为COB LED的功率。
2.Rjc的影响在设计LED的散热方案时,必须要保证LED的结温必须要低于满足家厂给出的最高的Tj要求,比如Cree 的CXA2530最高Tj为150︒C,通常厂家会给出Rjc的值,Cree的CXA2530的Rjc为0.8︒C/W,也就是说,当LED的功率为30W时,Tj=Tc+0.8*30=Tc+24 ︒C. 反之,如果要满足Tj<150︒C的要求,陶瓷基板上的温度Tc<126︒C ,当然越低越好。
而这也就是在COB LED灯的设计中热设计要达到的目标。
3.界面材料的热阻影响对于热流经过的截面积不变的平板,导热热阻为L/(kA)。
其中L为平板的厚度,A为平板垂直于热流方向的截面积,k为平板材料的热导率。
由此可以计算界面材料产生的热阻例如:采用4.0W/m*K导热率的硅脂,涂抹在20mm*24mm的面积上,0.2mm厚度Rb=0.2*10-3m/[(20*24*10-6m2)*4.0W/m*K]=0.104K/W对30w COB LED, 温升30*0.104=3.125 K对50w COB LED, 温升50*0.104=5.20 K下表为列出了针对不同功率的COB LED,根据不同的Rjc和功率,计算出的允许的最大的Tc,在完全没有界面温升的理想条件下要求的散热器的热阻。
led照明灯具作为第四代照明光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,且led光谱中没有紫外线和红外线,热量低和无频闪、无辐射,废弃物可回收,没有污染,不含汞元素,属于典型的绿色照明光源。
作为一种高效节能的新型光源,由于生产工艺和性能不断进步,led照明逐步取代其它照明领域已经成为一种必然趋势。
1 led照明光源温度升高的原因分析目前限制led照明发展的限制因素除成本外,就是散热问题。
led属于半导体发光器件,随着自身温度的变化,其特性会有明显的变化。
研究表明,led的结温越高,光源越早出现光衰,寿命就越短。
若以光衰降至70%时作为led正常使用的标准,当结温为65℃时,led 寿命更可达到9万小时~10万小时;结温升到75℃,寿命降至5万小时;结温为95℃时,寿命为2万小时;当结温为105℃时,光源寿命只有一万多小时。
由此看来,延长led光源寿命的关键就是要降低结温,加速led灯具的散热效果。
led在电源的驱动下,不仅产生光能,还产生大量热能。
对于led芯片来说,体积较小,其本身的热容量也很小,产生的热量不能及时传导出去,因此会产生很高的结温。
led光源,除了作为可视光消耗的能量外,其它能量都转换成了热能,大约70%的电能都变成了热能。
另外,由于led封装面积小,通过对流和辐射的散热少,也使led光源积累了大量的热,使led光源的温度升高。
2 led照明关于散热不良的危害2.1 电子元件变形led灯具由多个电子元件构成,每个元件的材质的热膨胀系数也不一样。
当温度升高时,组合在一起的元件的膨胀率就不一样,就可能使材质发生弯曲变形,甚至会在连接处因为应力过大产生裂纹。
2.2 电子元件烧断led作为热源的半导体元件,当温度上升时,其阻抗就会变小,电流增加,热能增加,温度上升,这样周而复始的恶性循环,容易发生电子元件烧断的电路故障。
2.3 加速封装材质老化led芯片的封装多采用环氧树脂,当温度升高时容易氧化、老化和脆化,使得其对光的透射率下降,进而造成led的出光量降低,温度越高此现象越明显。
本文来自:茅于海先生现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法,有人说:在LED的伏安特性上,电压定了,电流也就定了。
所以采用恒压和恒流效果是一样的。
有人说LED并联时就应该采用恒压电源供电,而LED串联时就应该采用恒流电源供电;有人说,因为LED是恒流器件,所以要用恒流源供电;有人说,采用市电供电时就应该采用恒压电源供电,采用蓄电池供电时,就应该采用恒流电源供电。
至于为什么这样要求,似乎谁也说不明白。
那么,到底是应该采用恒压电源,还是恒流电源供电呢?首先来看一下LED到底是什么样的器件。
因为LED的亮度是和它的正向电流成正比,而且一些LED的结构决定了它的散热也就是功耗。
所以大多数LED会给出额定电流,例如Φ5为20mA,1W的为350mA…等,但这并不等于LED只能工作于这些额定电流,更不意味着LED就是一个恒流器件。
例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型号,电流从350mA加大到700mA,功率就从1W加大成3W,所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。
要深入了解这个问题首先要知道LED的伏安特性。
1.LED的伏安特性LED的中文名字就是发光二极管,所以它本身就是一个二极管。
它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。
只不过通常曲线很陡。
例如一个20mA的草帽LED的伏安特性如图1所示。
图1. 小功率LED的伏安特性假如用干电池或蓄电池供电,那么因为LED伏安特性的非线性,很小的电压变化就会引起很大的电流变化,上图中电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED,如果用3节干电池供电,新的电池电压超过1.5V,3节就是4.5V,LED的电流就会超过100mA,很快就会烧坏。
对于1W的大功率LED也是如此,图2是某公司1W的LED伏安特性,而一个12V蓄电池的电压,在充满电到快放完电的电压可以从14.5V降到10.5V。
相差将近20%。
从伏安特性上可以看出,电源电压的10%的变化(3.4V-3.1V),就会引起正向电流的3.5倍的变化(从350mA变到100mA)。
led工作温升要求-回复LED(Light Emitting Diode)是一种半导体光源,它具有高效、长寿命、低能耗等优点,因此被广泛应用于照明、显示和通信等领域。
然而,在LED 的工作过程中,会产生一定的热量,如果热量无法得到有效散发,将会影响LED的工作效果和寿命。
因此,为了确保LED的正常工作,有一定的工作温升要求。
LED工作温升是指LED在工作时产生的热量与环境温度的差值。
在正常工作状态下,LED的工作温升一般不应超过一定范围,以保证LED的光效和寿命。
那么,LED工作温升要求是如何确定和满足的呢?首先,LED的工作温升要求需要考虑到LED的光效和寿命。
LED的光效是指单位功率下产生的光通量,一般以流明/瓦(lm/W)表示。
而LED的寿命,则指的是在一定条件下,LED灯具的发光衰减到初始值的50所需的时间。
光效和寿命是衡量LED品质的重要指标,而工作温升则会直接影响到LED的光效和寿命。
其次,LED的工作温升要求还需要考虑到环境温度和散热方式。
环境温度是指LED所处的环境温度,如室内温度、室外温度等。
散热方式则是指将LED产生的热量有效地散发出去的方式,一般包括空气传导、散热器散热、风扇冷却等。
因此,根据环境温度和散热方式的不同,LED的工作温升要求也会有所不同。
最后,为了满足LED的工作温升要求,有以下几个方面需要注意:1. 选择合适的散热器和散热材料:散热器是有效散热的关键,可以选择具有良好散热性能的散热器,并使用导热性能好的散热材料,如铝合金等,来提高散热效果。
2. 设计合理的散热系统:在LED产品的设计过程中,需要充分考虑散热系统的设计,以提高散热效率。
这包括散热器的大小和形状、散热风道的设计等。
3. 控制LED的工作电流:LED的工作电流是产生热量的主要原因之一,因此,合理控制LED的工作电流可以有效减小LED的工作温升。
可以通过电流限制电路、恒流源等方式来控制LED的工作电流。
LED电子显示屏通用规范1、范围本标准规定了LED显示屏的定义、分类、技术要求、检验方法、检验规则以及标志包装运输贮存要求。
本标准适用于LED显示屏产品。
它是LED显示屏产品设计、制造、安装、使用、质量检验和制订各种技术标准、技术文件的主要技术依据。
2、引用标准下列标准包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
在标准出版时,所示版本均为有效。
所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB191-90 包装储运图示标志电工电子产品基本环境试验规程试验A:低温试验方法电工电子产品基本环境试验规程试验B:高温试验方法电工电子产品基本环境试验规程试验Ca恒定湿热试验法GB4943-95 信息技术设备(包括电气事务设备)的安全GB6388-86 运输包装收发货标志电子测量仪器振动试验电子测量仪器运输试验GB6593-86 电子测量仪器质量检验规则GB9813-88 微型数字电子计算机通用技术条件GB11463-89 电子测量仪器可靠性试验SJ/T10463-93 电子测量仪器包装、标志、贮存要求3、定义本标准采用下列缩略语和定义:LED发光二极管ligth emitting diode LED发光二极管的英文缩写LED显示屏LED panel 通过一定的控制方式,用于显示文字、文本、图形、图像、动画、行情等各种信息以及电视、录像信号并由LED器件阵列组成的显示屏幕。
显示单元display unit 由电路及安装结构确定的并具有显示功能的组成LED显示屏的最小单元。
致命不合格critical defect 对使用、维护产品或与此有关的人员可能造成危害或不安全状况的不合格,或单位产品的重要特性不符合规定或单位产品的质量特性严重不符合规定。
失控点out-of-control point 发光状态与控制要求的显示状态不相符并呈离散颁的LED 基本发光点。
伪彩色LED显示屏pseudo-color LED panel在LED显示屏的不同区域安装不同颜色的单基色LED器件构成的LED显示屏。
LED 主要参数与特性LED 是利用化合物材料制成pn 结的光电器件。
它具备pn 结结型器件的电学特性:I-V 特性、C-V 特性和光学特性:光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。
1、LED 电学特性1.1 I-V 特性 表征LED 芯片pn 结制备性能主要参数。
LED 的I-V 特性具有非线性、整流性质:单向导电性,即外加正偏压表现低接触电阻,反之为高接触电阻。
如左图:(1) 正向死区:(图oa 或oa ′段)a 点对于V 0 为开启电压,当V <Va ,外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场,此时R 很大;开启电压对于不同LED 其值不同,GaAs 为1V ,红色GaAsP 为1.2V ,GaP 为1.8V ,GaN 为2.5V 。
(2)正向工作区:电流I F 与外加电压呈指数关系I F = I S (e qVF/KT –1) -------------------------I S 为反向饱和电流 。
V >0时,V >V F 的正向工作区I F 随V F 指数上升 I F = I S e qVF/KT (3)反向死区 :V <0时pn 结加反偏压V= - V R 时,反向漏电流I R (V= -5V )时,GaP 为0V ,GaN 为10uA 。
(4)反向击穿区 V <- V R ,V R 称为反向击穿电压;V R 电压对应I R 为反向漏电流。
当反向偏压一直增加使V <- V R 时,则出现I R 突然增加而出现击穿现象。
由于所用化合物材料种类不同,各种LED 的反向击穿电压V R 也不同。
1.2 C-V 特性鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um),10×10mil ,11×11mil (280×280um),12×12mil (300×300um),故pn 结面积大小不一,使其结电容(零偏压)C ≈n+pf 左右。
led光通量和温度关系曲线LED光通量和温度之间存在一定的关系,通常情况下,LED光通量会随着温度的升高而降低。
下面我将从多个角度来解释这个关系。
首先,LED的光通量与温度之间的关系可以通过LED的发光效率来理解。
发光效率是指LED所消耗的电能转化为可见光能量的比例。
一般来说,LED的发光效率会随着温度的升高而下降。
这是因为LED是由半导体材料制成的,当温度升高时,半导体材料中的电子与空穴的复合速率会增加,从而导致能量转化的效率降低,进而影响到LED的光通量。
其次,LED的光通量与温度之间的关系还受到热效应的影响。
当LED工作时,会产生一定的热量,如果不能有效地散热,LED的温度会升高。
当LED温度升高到一定程度时,热效应会导致LED的发光效率下降,从而影响到光通量。
这是因为高温会导致LED内部的材料结构发生变化,例如发光层的厚度和组分的变化,这都会对光通量产生负面影响。
此外,LED的光通量与温度之间的关系还受到LED的工作电流和电压的影响。
LED的光通量与电流呈正相关关系,即电流越大,光通量越高。
然而,当LED的温度升高时,由于电阻的变化,电流可能会发生变化,从而影响到光通量。
此外,LED的电压也会随着温度的变化而发生变化,进而影响到光通量。
综上所述,LED的光通量与温度之间存在一定的关系。
一般情况下,LED的光通量会随着温度的升高而降低,这是由于发光效率的下降、热效应以及电流、电压的变化所导致的。
因此,在设计和使用LED时,需要考虑良好的散热措施,以保持LED的工作温度在合适的范围内,从而获得稳定的光通量输出。
LED显示屏行业标准(标准)本标准旨在为LED显示屏的生产、使用、检验提供统一的技术规范。
2规范性引用文件本标准引用了以下文件,对于本标准的应用,其中所有引用的文件均适用于本标准的要求。
GB/T 191-2008 包装通用术语GB/T 2828.1-2012 采样程序和抽样表的使用第1部分:按简单抽样方案进行抽样GB/T 2829-2002 采样程序和抽样表的使用第2部分:按计划抽样方案进行抽样GB/T 8170-2008 数值修约规则及其在计算中的应用GB/T 9963-2015 包装运输图形符号GB/T -2008 包装物顶部负载压缩试验方法GB/T -1995 包装物侧面抗压试验方法GB/T .1-1996 包装通用检验规程第1部分:一般规定GB/T .2-1999 包装通用检验规程第2部分:包装材料的物理性能试验GB/T .3-1997 包装通用检验规程第3部分:包装物的物理性能试验GB/T .1-2011 食品安全国家标准微生物学检验通用规定GB/T .3-2011 食品安全国家标准微生物学检验检验方法第3部分:肉和肉制品GB/T -2003 包装物透气性试验方法3术语和定义LED显示屏:由多个LED模块组成的显示屏幕,用于显示文字、图像和视频等信息。
常规屏:像素点间距大于等于5mm的LED显示屏。
高清屏:像素点间距小于5mm的LED显示屏。
室内屏:适用于室内环境的LED显示屏。
室外屏:适用于室外环境的LED显示屏。
单色屏:只能显示单一颜色的LED显示屏。
双色屏:能够显示两种颜色的LED显示屏。
全彩屏:能够显示多种颜色的LED显示屏。
模组:由多个LED灯珠组成的模块。
亮度:LED显示屏的发光强度。
对比度:显示屏上亮和暗的对比度。
刷新率:显示屏上图像更新的频率。
灰度:LED显示屏显示颜色的深浅程度。
4分类LED显示屏按照用途、像素点间距、颜色等因素进行分类。
4.1按用途分类LED显示屏按照用途分为室内屏和室外屏。
SJ/T 11141-2003目录1 2规 13术语和定.............. 24分......................4要5......................4检6 验方.............. 77检验规............ 108标志包装运输贮12SJ/T 11141-2003LED 示 屏 1 范围本标准规定了 LED 显示屏的定义、分类、技术要求、检验方法、检验规则 以及标准、包装、运输、贮存要求。
本标准适用于LED 显示屏产品。
它是LED 显示屏产品设计、制造、测试、 安装、验收、使用、质量检验和制订各种技术标准、技术文件的主要技术依 据。
2 规范性引用文件下列文件中的条款通过在本标准中引用而构成为本标准的条款。
凡是注日 期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用 于本标准。
然而,鼓励依据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些人家的 最新版本,凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。
GB191-2000包装储运图示标志B2423."1-2001 电工电子产品基本环境试验规程试验 A :低温试验方法 GB2423."2-1989电工电子产品基本环境试验规程试验 B :1 范围 ... 范性引用文件 义 类 ................ 求 ................ 法 ................ 则 ................ 存 ................ 通用规范高温试验方法GB2423."3-1993电工电子产品基本环境试验规程试验Ca恒定湿热试验方法GB4943-1993信息技术设备(包括电气事务设备)的安全第1页SJ/T 11141-2003GB6388-198运输包装收发货标志B6587."4-1986电子测量仪器振动试验B6587."6-1986电子测量仪器运输试验GB6593-1996电子测量仪器质量检验规则GB9813-2000微型数字电子计算机通用技术条件GB11463-1989电子测量仪器可靠性试验SJ/T10463-1993电子测量仪器包装、标志、贮存要求SJ/T 11281-2003 LE[显示屏测试方法3 术语和定义列术语和定义语适用于本标准3.1LED Ligth Emitting DiodeLED是发光二极管的英文缩写(本标准特指可见光波段)。
LED灯具的工作温度,一般的LED灯具都设计在-20℃--40℃,它能适应我国大部分地区的使用要求。
象东北黑龙江地区冬天的温度有可能达到-40℃,灯具的工作温度必须设计在-40℃-40℃才能满足使用要求,而赤道地区夏天的温度有可能达到50℃或更高,灯具的设计必须在0℃-50℃的工作环境能正常工作。
不同的工作温度,LED产品的工艺要求、元件选择都是不一样的,在寒冷低区元件必须选择耐低温的电子元器件,在高温地区元器件又要选择耐高温的电子元器件,不同温度地区工作的LED灯具其生产工艺不一样,老化条件也不一样,这对于设计经验少的技术人员尤其要注意。
什么是温升?灯具工作时允许升高的温度,也是衡量散热器散热能力的一种标示方法,也是我们要着重讨论的问题。
我们知道白炽灯、气体放电灯(含荧光灯、高压钠灯、金属物卤化灯)一般都不需要专门的散热片来散热,唯独只有LED固体照明灯需要专门的散热器来散热,这也是LED半导体照明灯的特别之处。
LED半导体照明芯片工作时发光,它的光线是不含紫外线和红外线的,因此它的光线是不能带走热量;因此芯片工作时的温度就会上升。
为了保证芯片工作时温度不会升的太高,就必须给LED加装散热片。
LED的光衰是和它的结温有关,所谓结温就是半导体PN结的温度,结温越高越早出现光衰,也就是寿命越短。
假如结温为105度,亮度降至70%的寿命只有一万多小时,95度就有2万小时,而结温降低到75度,寿命就有5万小时,65度时更可以延长至9万小时。
所以延长寿命的关键就是要降低结温。
不同的LED芯片,其光衰曲线是不同的,热阻和散热性也相差很大。
一盏LED灯具的温升究竟多少为合适,根据我们的调查分析,可以根据灯具的档次来初步归纳:高档LED灯具温升≦15℃,中档LED灯具温升≦25℃,低档LED灯具温升≦35℃.LED灯具散热器上的温度=环境温度+灯具温升。
例如:一盏高档的LED灯具说明书给出其温升为≦15℃,当环境温度是37℃时,求LED 灯具铝合金散热器的温度是多少?该灯具的寿命可以达到多少小时?环境温度37℃+散热器温升15℃=灯具散热器温度52℃也就是说当环境温度是37℃时LED铝散热器上的温度应≦52℃的,否则该灯具就不符合出厂要求。
led与温升LED器件的LED灯温升效应及其对策文章较详尽地阐述了结温升高对LED光输出强度、LED P-N结的正向电压及发光颜色的影响。
指出当结温升高时,输出光强变弱,正向电压减小,发光波长发生红移。
在结温升得足够高时,这些变化将从可逆变为不可恢复的永久性衰变。
文章进一步指出,LED输入功率是器件热效应的唯一来源,设法提高器件的电光转换效率及提高器件的散热能力是减小LED温升效应的主要途径。
一、引言众所周知,LED是一种电发光器件,其基本的物理过程是电能向光能的转变。
所谓提高LED的功率,即是提高电输入能量,同时又能获得尽可能大的光功率输出。
通常将单位输入功率所产生的光能(光通量)谓之光电转换功率,简称光效。
早期的LED由于光效很低(-0.1 lm/w),亮度很低,通常只用于表示亮、暗的状态,作指示灯之用。
上世纪九十年代初,超高亮四元系LED的出现,使器件亮度有了数量级的增长,特别是紧接着的GaN基蓝、绿光及白光LED的出现,使LED的应用方向发生了巨大的改变。
固态照明已成为21世纪人类追求的重要目标。
显然,不断地提高LED的输入功率与发光效率是实现通用照明的必由之路。
假设LED的光效为100 lm/w,那么要达到一只40支光(瓦)的白炽灯所发出的600 lm 的光通量,LED的输入功率必须达到6w。
然而,目前一只Φ5的标准LED的输入功率通常为0.04~0.07w,远不能满足实用照明的需要。
大量实践表明,LED不能加大输入功率的基本原因,是由于LED在工作过程中会放出大量的热,使管芯结温迅速上升,输入功率越高,发热效应越大。
温度的升高将导致器件性能的变化与衰减,甚至失效。
本文就功率器件中的升温效应对性能的影响及其如何减小这种升温效应的途径作一些简明的讨论。
二、LED器件温升估计设芯片面积为1.2×1.2mm2,厚度为200um,GaAs衬底。
由于外延层很薄,忽略外延层材料与衬底之间的差异,不考虑电极的影响,那么芯片的体积约为2.88×10×4cm3。
GaAs晶体的比重为5.318(克/cm3),故芯片重量约为15.3×10-4克。
设器件的工作电流为100mA,如其中约90%的电功率转变为热,那么在不考虑芯片向周围环境散热的条件下,器件在接通电流20分钟后,计算得芯片的温度可达到5×105?C,计算中使用的GaAs晶体比热数据为0.33焦耳/克?度。
可见其温升效应的严重性。
这里只是把芯片作为一个均匀的发热体加以考虑,如考虑到结处温升的集中效应,情况将更加严重。
庆幸的是,在芯片的升温过程中,芯片不可能处于绝热状态,而总是以某种方式与其周围的介质或环境进行着热交换,最终达到热平衡,使芯片的温度维持在一个较低的水准上。
三、结温对LED性能的影响1、结温对LED光输出的影响实验指出,发红、黄光的InGaAlP LED与发蓝、绿光的InGaN LED,其光输出强度均明显依赖于器件的结温。
也就是说,当LED的结温升高时,器件的输出光强度将逐渐减小;而当结温下降时,光输出强度将增大,一般情况下,这种变化是可逆与可恢复的,当温度回到原来的值,光强也会回复到原来的状态。
图1(a)指出了InGaAlP LED的光输出相对量随温度的变化,这里以25?C作为器件性能的基准点。
由图可知,InGaAlP 橙色的LED比红色的LED具有更高的温度灵敏度。
当结温升至100?C时,琥珀色器件的输出通量降去了75%。
图1(b)是InGaAlP LED的另一组光输出的温度数据,设25?C时LED的值为100,那么当结温升至100?C时,640nm、620nm与590nm 的InGaAlP LED的光输出分别为原始值的42%、30%与20%。
结温对光输出影响的数学表达式如式(1)所示:ΦV(T2)=ΦV(T1)e-kΔT (1)其中,ΦV(T2)表示结温T2的光通量输出;ΦV(T1)表示结温T1的光通量输出;K为温度系数;ΔT=T2- T1。
一般情况下,K值可由实验测定,对于InGaAlP LED相关的K值如表1所示:由上表可知,对于InGaAlP LED,温度系数仅与器件的发光波长有关,而与衬底是否透明无关,进一步的实验指出,InGaAlP的发光波长越短,K值越大。
器件的出光通量随温度增加衰减得越快。
对于InGaN系列的LED,出光通量随温度的变化远小于InGaAlP LED。
典型结果如图2所示。
由图可知,随着发光波长变短,光输出通量随温度的变化越不明显。
表2列出了相对于25?C而言,100?C结温时光输出通量的相对数值。
式(2)指出了光输出通量随结温变化的另一种表示形式ΦT2=ΦT1e-(T2-T1/T0)(2)这里T0代表一种特征温度。
T0值与材料有关,实验指出,对于红色的InGaAlP LED,T0=85?C;对于琥珀色的InGaAlP LED,T0≈85?C;而对于InGaN LED,T0值约为840?C,表明InGaN器件的温度系数远小于发红、黄光的InGaAlP器件,也即光通量随温度增加而减小的速率要比InGaAlP LED小得多。
一般情况下,光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的,也即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。
这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生变化,从而导致器件参数的变化。
如随温度的增加,电子与空穴的浓度会增加,禁带宽度会减小,电子迁移率也将减小。
这些参量的变化必须引致器件输出光通量的改变。
然而当温度恢复至初态时,器件参数的表化也将随之消失,输出光通量也会恢复至初态值。
表3是大功率器件AP-HLR-01的测试结果,每一次测量之间进行了-40?C-140?C的冷热循环老化试验。
测量数据指出,每次测量的数据都能很好地重复,冷热循环老化试验也未改变器件的性能,表明在一定的条件下,LED器件的性能随电流的变化是可逆的。
显然,在大电流时光效的变小是由于温度上升所引起的,当测试电流减至小电流时,光效数据又恢复到初始值。
2、高温下器件性能的衰变在高温下,LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外,还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。
图3指出了Lumileds公司型号为Luxeon大功率器件的光输出通量随时间的衰变情况。
由图可见,对于同一类LED器件,在相同的工作电流时,结温越高器件的输出光强衰减得越快。
对于一个确定的器件而言,一般来说,结温的大小取决于工作电流与环境温度。
工作电流固定以后,环境温度越高,结温就越高,器件性能的衰减速率就越快。
反之,当环境温度确定后,器件的工作电流越大,结温也将越高,器件性能衰减的速率就越快。
图4指出了一只典型的InGaAlP器件在不同的工作电流时,输出光通量的相对值随时间的衰减曲线。
很显然,当器件的工作电流加大时,器件的光输出特性将衰变得更快。
为确保一个LED器件的正常工作条件,让器件的结温低于某一个确定的值Tj,是十分必要的。
为此,当环境温度升高时,应适当减小工作电流,直至当环境温度升至临界温度Tj时,将工作电流减至零,此时结温将等于环境温度,如图5所示。
通常有二种原因促成高温条件下LED器件输出性能的永久性衰减,一个原因是材料内缺陷的增殖,众所周知,现代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技术在GaAs,蓝宝石等异质衬底上外延生长InGaAlP或InGaN等材料制成,为提高发光效率,外延材料均含有多层结构,由于各外延层之间存在着或多或少的晶格失配,从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷,在较高温度时,这些缺陷会快速增殖,繁衍,直至侵入发光区,形成大量的非辐射复合中心,严重降低器件的注入效率与发光效率。
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器件的性能衰变。
高温时,LED封装环氧的变性,是LED性能衰变乃至失效的又一个主要原因。
通常,LED用的封装环氧存在着一个重要特性,即当环氧温度超过一个特定温度Tg=125?C时,封装环氧的特性将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状物质。
此时材料的膨胀系数急剧增加,形成一个明显的拐点,如图6所示。
这个拐点所对应的温度即为环氧树脂的玻璃状转换温度,其值通常为125?C。
当器件在此温度附近或高于此温度变化时,将发生明显的膨胀或收缩,致使芯片电板与引线受到额外的压力,而发生过度疲劳乃至脱落损坏。
此外,当环氧处于较高温度时(即使未超过转变温度Tg),特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐渐变性,发黄,影响封装环氧的透光性能。
这是一个潜移默化的过程,随着工作时间的延长,LED将逐渐失去光泽。
显然工作温度越高,这种过程将进行得越快。
为解决这一困难,特别在大功率器件的制作过程中,一些先进的封装结构已摒弃了环氧树脂材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC等材料制作透镜;另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面,之间填充一种膠状的,性能稳定的透明硅胶。
实践证明,通过如此改进,器件的性能与稳定度获得了明显改善。
3、结温对发光波长的影响LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类,前者表示光强最大的波长,而主波长可由X、Y色度坐标决定,反映了人眼所感知的颜色。
显然,结温所引致的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,发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。
InGaAlP与InGaN材料属III-V族化合物半导体。
它们的性质与GaAs相仿,当温度升高时,材料的禁带宽度将减小,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如下:λ(T2)=λ(T1)+ΔT?K(nm/?C)(3)其中:λ(T2)表示结温T2时的波长;λ(T1)表示结温T1时的波长;K表示波长随温度变化的系数。
表4指出了InGaAlP与InGaN器件的主波长与峰值波长K值,由表可知,对于InGaN有InGaAlP LED,峰值波长随温度的变化要大于主波长随温度的变化,其中InGaAlP LED尤甚。
人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大的差异,如图7所示:在蓝、绿、黄区域,很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化。
从而对蓝、绿、黄器件的温升效应提出了更高的要求。
一般来说,2~5nm的波长变化人眼就可以感觉到;而对红光波长的变化,人眼的感觉就要相对迟钝一些,但也能感觉到15nm的波长差异。
为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程度,有些公司的产品将颜色与波长的关系列出了主波长的颜色仓,如表5所示。
显然,对于琥珀(黄)颜色,由于人眼最为灵敏,因此颜色仓的波长间隔分得很细,仅为2-3nm,但对于红色区域,其间隔扩大到15nm。