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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。这就是说，为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀度的要求较高，而红色交通灯的颜色要求相对要低得多。
  4、结温对LED正向电压的影响
  正向电压是判定LED性能的一个重要参量，它的数值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的正向电流通常InGaAlP LED的正向电压在1.8V~2.2V之间，而发蓝、绿光的InGaN LED的正向电压处在3.0V—3.5V之间。在小电流近似下，LED器件的正向压降可由式（4）表示：
  Vf=（nKT/q）ln（If/Io）+RsIf （4）
  式中Vf为正向电压，If为正向电流，Io为反向饱和电流，q为电子电荷，K是玻尔兹曼常数，Rs是串联电阻，n是表征P/N结完美性的一个参量，处在1-2之间。分析式（4）的右边发现只是反向饱和电流Io与温度密切相关，Io值随结温的升高而增大，导致正向电压Vf值的下降。实验指出，在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的LED器件，二端的正向压降与温度的关系可由式（5）表示：
  VfT= VfTo+K（T-To） （5）
  式中VfT与VFTo分别表示结温为T与To时的正向压降，K是压降随温度变化的系数，对于InGaAlP与InGaN LED，其K值大致可由表6所示。有人给出了详细的实验数据，如表7、表8所示。
  电压随温度的变化是可恢复的，但如在高温情况下，由于结区缺陷与杂质的大量增殖与集聚，也将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降。通常，恒流是LED工作的较好模式，如在恒压条件下，由于温升效应使正向电压下降与正向电流增加，并形成恶性循环，最终导致器件损坏。
四、减小LED温升效应的对策
        LED的输入功率是器件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终均变成了热，从而抬升了器件的温度。显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高器件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高器件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。
  1、LED器件的量子效率
       所谓LED器件的量子效率，即是器件的电能转换成光能的能力，通常可将这种电光转换能力定义为外量子效率ηex，它是器件的注入效率ηJ、内量子效率ηi、电子输运效率ηf和出光效率ηo的总和。
      ηex=ηJ?ηi?ηf?ηo （6）
       对于InGaAlP与InGaN LED器件中，由于P-N结二边的禁带宽度Eg与掺杂浓度均有一个较大差异，通常ηJ ?1；由于器件发光区等结构，一切外延生长形成，发光区的P-N结为突变结，电子输运效率也接近于1。此外，鉴于当前InGaAlP与InGaN的器件结构与生长工艺十分成熟，实践证明，现代技术已足够使内量子效率提高到接近100％的水平。因此，LED器件的外量子效率主要取决于出光效率ηo，如将管芯看作是一个吸收系数为α，体积为v，被面积为Ai的N个面所包围的光学腔，那么该管芯的出光效率可表示为：
   ηN=ΣAiTi /〔Σ（1-Ri）Ai+4αv〕 （7）
  这里，Ti与Ri分别是Ai的透过率与反射率。对于一个实际的LED管芯，计算表明，芯片表面很小的透过率是LED器件出光效率变得很小的主要原因。其起因是由于芯片表面二侧物质所存在的较大的折射率差异，如图8所示，当芯片内的光沿方面1射向表面并沿方向2射入空气，根据折射定律：
  n1Sinθ1= n2Sinθ2 （8）
  通常芯片材料的折射率n1≈3.6，空气的折射率n2=1。可算得界面处发生全反射（θ2=90?）的临界角θ1=θ0=16.2?，也就是说，从芯片内部射向表面的光束，只有4％可以射出表面，其余的光能大部分反射回芯片材料内部而被（衬底）吸收。

led灯具光衰与温升
三款材料衬底对比表
        LED照明产业最具发展前景的高新技术产业，是照明光源的革命。LED照明灯具将向更节能化、健康化、人性化的方向发展。将多个LED组装在一起设计成为实用LED照明灯具，具有广阔的应用。灯具设计可根据照明范围和光通量的需求，决定灯具光学系统的形状、LED的颗数和功率的大小、电源种类的选择。LED灯具在满足实用需求和最大限度地发挥光源功效的前提下，更注重造型上美观、耐用及产品寿命、光衰等性能指标。
LED即半导体发光二极管，LED芯片由两种不同的半导体（P型N型半导体）形成的一个PN结构成，具有单向导电性。LED芯片工作在正偏状态下，在正向导通时能发光，所以它是一种把电能转换成光能的半导体器件。LED芯片在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子的一部分与多数载流子复合而发光。LED既是一种光源，又是一种功率型器件，因此它的性能参数必须从光能、电能、热能等进行综合评估。
一．光学性能
        LED光学性能涉及光谱、光度和色度等方面的性能要求。主要有发光峰值波长、发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。对于照明用的白光LED，相关色温和显色指数是评价照明气氛和效果的重要指标。
二、热学性能
        照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键之一，与此同时，LED的PN结温度及壳体散热问题尤为重要。LED在使用时会传导出大量的热量与衬底、封装、LED特性等有很大的关系。
1、从LED内部结构分析:
       结构图如1,我们着重谈谈LED底层蓝宝石基板：蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；稳定性很好，机械强度高。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上导热性能的困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底或炭化硅衬底上，从而改善导热和导电性能（或者采用降低蓝宝石的厚度达到减少绝缘体电阻率来增强导热）。
LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能比较可参见如表1。
2、从LED封装结构分析：
       LED引脚式封装采用支架作各种封装外型的引脚称为直插封装；直插封装采用阳极/阴极（支架）、塑料透镜（模条）加反射杯、芯片、邦定金线以及高温固化环氧树脂。直插封装LED其90％的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，点接触,再散发到空气中。直插LED的散热部分在设计上存在欠缺，它的散热只能通过阴极、阳极两只引脚来完成。工作时PN结的温升得不到很好散发，故光强度衰减比较大。
LED片式封装采用面式金属支架作各种封装外型称为贴片封装；贴片封装采用面式支架或PCB板、塑胶TOP（陶瓷TOP）、芯片、邦定金线及高温固化环氧树脂或光学透镜。贴片LED其90%的热量是能过面式支架及焊盘散发至PCB板或铝基板上,面接触,贴片LED的PN结温升通过面式的接触和SMD焊盘直接与PCB板或铝基板导热散发，故光强度衰减比较小。
       通过封装的结构了解到LED灯具采用贴片式加铝基板制作导热程度远远大于直插式加PCB板。可见采用贴片LED加铝基板制作灯具比直插式加PCB板制作灯具更具有温升低、衰减低、传热高等优点。
三、LED电性参数
          LED是PN结半导体器件，需要加上正向电压及电流才能点亮。有两个重要的参数直接关系到LED的温升及光强度衰减。
A， 充许功耗：充许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值，超过此值，LED会因为发热而损坏。
B， 最大正向直流电流：充许加在LED两端的最大正向直流电流。超过此值可损坏LED。
        通过以上两点了解到加上LED两端的电压及电流越大功耗也越大，即热能也大，光强度衰减就越强。LED照明灯具采用恒压恒流供电是对LED一个良好的电性能指示。综上述LED照明必须完成抑制温升、确保使用寿命、改善发光效率及发光特性。万邦LED灯管采用贴片式LED加高导热性能铝基板及铝式外壳，使内部的热量迅速传热于铝式外壳再散发到空气。贴片LED自主研发、全自动化SMD封装设备，保证SMD LED性能。灯管在环境温度下产品经过严格测试：内温升17度，残留在铝壳上的温升只有14度。在1000小时内光衰低于1%，接着每1000小时光衰低于5%。真正做到低温升低光衰LED照明灯具。