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1、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
2、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
3、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115C提高到135C，其寿命就会从50，000小时缩短到20，000小时。080.5850040
4、.7OLuzeon K2 white stressed at 1.5ATj =1351：Higher Tlower TjHours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
5、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
6、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表示：)込)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/C);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:LED对质类别空系数gInGaAlP/GaAs 橙红色9. 52X10-3InGaAlP/GaAs 黄色1. 11X10-2InGaAlP/GaP 阖売红9. 52X10-3InGaAlP/GaP 黄色9. 52號 10-2led m.cgm表1不同材质类别LE
7、D的温度系数c S Tl ID SD7C X K 1DD Hi； ： 3D 1HD 1m ISO-H-0 001k-0 Ui乂 宀俎氓刖一B華LED站海巧t 口图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2.0X10-3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%。目前，使用最多的GaN基白光LED的温度系数大多在2.0 X 10-34.0 X 10-3之间，有的甚至达到了 5.0X10-3。k值偏大 的LED,更要注意控制结温。四、温度
8、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)：巧=阿十沁久(爲)A(T2)0.1 0.3nm/K 之间;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，一般在五、温度对 LED
9、 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1.82.2V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(3)表示：二空ln(?)+昭打.$ c 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12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
10、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：耳二耳卄址丁耳)耳)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。EnLDMnx10pAntbipht TtiikpprArkirA Dc)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。
