温度对LED的影响分析

LED ( Light Emitting Diode :发光二极笥作为第四代光源，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t通常为125。0，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，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115C提高到135C,其寿命就会从50,000小时缩短到20,000小时。KS White貳 1,5a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夕陪枚光提取效率的降低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。(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：其中，表示结温丁时的光通量（lm 表示结温时的光通量（Im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材质类别温度系数（1/C）InGaAlP/GaAs 橙红色9.52x103InGaAlP/GaAs 黄色1。11X102InGaAlP/GaP 高亮红9.52X103InGaAlP/GaP 黄色9 52x102表1不同材质类别LED的温度系数1 lnlJJ粟图2不同k值LED的光输出百分tb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。2x103,结温125C时光输出相对结温25C时降低约11%。目前，吏用最多的GaN基白光LED的温度系数大多在2。0x10-34。0x10-3之间， 有的甚至达到了 5.0x103。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）:礙石）二见込）+品丁其中J表示结温丄 时的波长（nm）; 5表示结温 时的波长（nm）表示波长随温度变化的系数，般在 0.10。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1.82。2V之间，InGaN LED的正向电压处在3.03.5V之间。在小电流近似下丄ED器件的正向压降可由式（3）表示:(3)式中，二为正向电压，为正向电流，丄为反向饱和电流，为电子电荷，丄 是玻尔兹曼常数产;、是串联电阻，一是表征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二与温度密切相关，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：耳込)=耳石)+赵丁(4)式(4)中J与分别表示结温为丄 与二 时的正向压降，工是压降随温度变化的系数，一般在一1。52。5mV/K之间；一二巾 1 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.Temperature (DC)s图3 Cree 3WXLampXE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.