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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。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。一、温度过高会对1旧D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
2、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1。(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
3、，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PhilipsLumiled公司的Luxeon K2的光衰曲线如图1所示，当结温从1151提高到135C，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
4、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2。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夕卜部光提取效率的降低3。(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。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
5、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：其中，表示结温时的光通量(Im);表示结温时的光通量(lm);二rT-AZ为温度系数(1/C); 为LED结温的差值，即般情况下，值可由实验测定。例如对于InGaAlP基LED相关的值如表1所示。LED
6、材质类别温度系数(1/C)InGaAlP/GaAs 橙红色9.52x10-3InGaAlP/GaAs 黄色1.11X10-2InGaAlP/GaP 高亮红9.52X10-3InGaAlP/GaP 黄色9.52X10-2表1不同材质类别LED的温度系数:工-.|，JJ节图2不同k值LED的光输出百分匕比!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，这样由温度弓I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2.0x10-3
7、-4.0x10-3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):邳务)=4(勾)+赴丁其中:十表示结温 时的波长(nm);表示结温时的
8、波长(nm);二表示波长随温度变化的系数，一般在0.10.3nm/K之间;Mo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:矿二宜蜒LL)斗息/，一式中，-为正向电压，-为正向电流，为反向饱和电流，为电子电荷，- 是玻尔兹曼常数，二广是串联电阻，-是表征P/N结完美性的一个参量，处在12之间。 式(3)的右
9、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：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：京弓)=%&)+泌了(4)式(4)中，七与分别表示结温为 与 时的正向压降，-是压降 随温度变化的系数，一般在-1.5-2.5mV/K之间；=7，1。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 3W
10、XLampXP-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4。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。典型的LED由光学透明的环氧树脂封装温度升高到环氧树脂玻璃转换温度Tg时，环氧树脂由刚性 的、类似玻璃的固体材料转换成有弹性的材料。通常情况，在玻璃转换温度Tg，环氧树脂的热膨胀系数(CTE)
11、 会有很大变化，Tg位于热膨胀系数剧烈变化区域的正中间，见图2为了避免LED突然失效，结温T应该始终保持在封装树脂的Tg以下。HP定义的最大结温T(max) 就低于封装树脂的玻璃T，对于Super FluxLEDs，T(max)=125C。如果温度超过了 T(max)，封装树脂的 CTE将会发生很大变化，一个大的热膨胀系数(CTE)使得封装树脂在温度变化的过程中，膨胀和收缩加剧， 这将导致金线(或铝线)键合点位移增大，金线(或铝线)过早疲劳和损坏。造成LED开路和突然失效。结温也会影响到LED的主波长(颜色)。主波长随温度的变化关系可以表示如下：d(T2)= d(T1)+ Tj 0.1(nm/
12、C )其中d（T1）=结温T1时主波长d（T2）=结温T2时主波长有一个很容易记住的关系是结温每升高10C，主波长增加1nm。因为红色LED汽车信号灯颜色的允许范 围非常宽（大约为90nm）,在设计时颜色的变化不是很重要，但是，在设计黄色汽车信号灯时，必须考虑到 颜色的漂移（根据地区规定的不同，黄色LED信号灯允许的波长范围在5-10nm）1.3.2实验结果及分析测得各照明装置的基板、翅片平均温度如表1所示。三种结构中由LED灯到铝基板的结构相同，即由 LED芯片到铝基板的热阻是相等的，不等的是外部热沉到空气的热阻。所以，由铝基板的温度即可比较各 结构中LED芯片Pn结的结温。由表1可知，结构
13、III的Pn结结温是最低的，此照明装置的散热是最佳的。 Pn结结温由其外部热沉的二次散热决定，外部热沉的热阻由传导介质的热导率、肋片的表面总效率、空气 的对流换热系数决定，三者都是越大越好。三种结构中，微热管的导热率是极高的，相互靠得很紧的薄肋 片有效度是较大的，风扇运行后其对流换热系数是较大的。结构功率W铝基板平 均温度.翘片平均. %*状态槌J |80b 1.42结构：1446050结构T80如dO表1：各照明装置平均温度分布图7、8、9所示分别为结构I、II、III的铝基板和翅片温度分布图，可以看出：（1）三种结构各自 的铝基板和翅片温度分布基本一致，且翅片温度低于铝54I5II0204
14、060 KOUmin(a)基板46i02040 W SOt /min(b)翅片图7结构I温度分布图3。-! I 11 ,L | I| T IT-0408012。t /min(a)基板t /min(b)翅片图8结构II温度分布图48it /nun（a）基板（b）翅片图9：结构田温度分布图基板温度，符合热传导温度分布规律；（2）结构I的温度一直处于缓慢增长当中，说明LED芯片产生的热量不能及时的散发到空气中，导致温度增加；（3）结构II、III的温度能很快达到稳定状态，而结构I则需较长时间，因为微热管的热扩散系数大，其对热环境的改变反应快，容易到达新的平衡状态；（4）结构II、III的温度增长曲线分布基本一致，温度快速上升至拐点，后温度基本稳定在某一值，因结构III中 的风扇是当腔内的温度上升至45C时启动，所以其温度达拐点后温度略有下降；（5）对比三种结构的翅 片温度分布可知，结构I的翅片温度分布最为均匀，而结构II翅片温差最大，由于其采用相互靠得很紧的 薄肋片，使得中部翅片间的流体流动受到阻碍，对流换热系数稍有减小，温度升高。1.3.3结温的计算及寿命预测利用传热学热阻基本公式：ft J Ref 心/ rRef/ Pd式中，rjref为Pn结结点到某个参照点热阻，Atj
