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温度升高对LED各光电参数及可靠性的影响
2011/6/30 作者：未知 来源：电子元件技术
导读：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。
标签：可靠性  结温  LED寿命  光通量  光效  光色  配光曲线  色温  显色性    
　　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。
　　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。
　　(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Luxeon K2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1 Lumiled Luxeon K2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。
　　(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。
　　(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T1时的光通量(lm);表示结温T2时的光通量(lm);K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：

表1 不同材质类别LED的温度系数

图2 不同k值LED的光输出(百分比)随结温的变化关系
　　由图2可以看出：LED光效温度系数k最好在2.0×10-3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1.2×10-3，结温125℃时光输出相对结温25℃时降低约11%。
　　目前，使用最多的GaN基白光LED的温度系数大多在2.0×10-3～4.0×10-3之间，有的甚至达到了5.0×10-3。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。温度升高，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为式(2)：

　　其中:表示结温T1时的波长(nm);表示结温T2时的波长(nm);K表示波长随温度变化的系数，一般在0.1～0.3nm/K之间;。
　　五、温度对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，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的正向电流通常InGaAlP LED的正向电压在1.8～2.2V之间，InGaN LED的正向电压处在3.0～3.5V之间。在小电流近似下，LED器件的正向压降可由式(3)表示：
　　　(3)
　　式中，Vf为正向电压，If为正向电流，I0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。式(3)的右边只有反向饱和电流I0与温度密切相关，I0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，两端的正向压降与温度的关系可由式(4)表示：
　　(4)
　　式(4)中，与分别表示结温为T2与T1时的正向压降，K是压降随温度变化的系数，一般在-1.5～-2.5mV/K 之间;。
　　当电流固定时，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的这一特性测量其热阻或结温。
　　六、温度过高会限制LED的最大注入电流
　　温度升高，材料的禁带宽度将减小，导致最大注入电流减小。

图3 Cree 3WXLampXP-E最大注入电流与结温的关系
　　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，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。
　　七、总结
　　大功率LED因发热量大，导致其工作温度偏高，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，才能真正体现LED的优越性。