溫度對(duì)LED性能的影響
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引言
與傳統(tǒng)光源相比，LED光源為固體冷光源，具有壽命長(zhǎng), 光效高，無輻射，功耗低，抗沖擊和抗震性能好，可靠性高 等特性。在全球提倡綠色照明的今天，LED作為新型綠色照 明光源受到全球的追捧。然而，在LED高速發(fā)展的同時(shí)，如 何進(jìn)一步提高LED的壽命及可靠性確是迫在眉睫的事。本文 從理論和實(shí)驗(yàn)出發(fā)，研究并分析了溫度對(duì)LED性能的影響, 從而提出可以提高LED的壽命和可靠性問題的方法。
1 LED發(fā)光原理
LED是一種半導(dǎo)體二極管，核心發(fā)光部分為P型和N型 半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)，LED除了具有一般PN結(jié)特性外，還具 有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P 區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合 而發(fā)出光子，發(fā)光原理如圖1所示。
2溫度對(duì)LED性能的影響
2.1溫度對(duì)LED發(fā)光強(qiáng)度的影響
當(dāng)PN結(jié)溫度上升時(shí)，半導(dǎo)體的晶格振動(dòng)幅度增加，當(dāng) 原子的振動(dòng)能量高于一定值時(shí)，電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì) 與晶格原子（或離子）交換能量，發(fā)生無輻射躍遷。這種過程的幾率隨溫度的增加而呈指數(shù)式增加。因此，當(dāng)溫度上升到 一定程度之后，半導(dǎo)體的無輻射躍遷增加，內(nèi)量子效率降低, 從而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度下降。
圖1 LED發(fā)光原理示意圖
當(dāng)溫度上升時(shí)，LED封裝用環(huán)氧樹脂會(huì)逐漸變性，發(fā)黃， 從而影響環(huán)氧樹脂的透光性能，導(dǎo)致外量子效率降低，發(fā)光 強(qiáng)度下降。
2.2溫度對(duì)LED正向電壓的影響
正向電壓是判定LED性能的一個(gè)重要參數(shù)。通常 InGaAlP LED 20 mA正向電流下的正向電壓在1.8?2.2 V之 間，InGaN LED的正向電壓處在3.0?3.6 V之間。在小電流 近似下，LED的正向電壓可表示為：
式中，為正向電壓，If為正向電流，L為反向飽和電流，q為電 子電荷，上是玻爾茲曼常數(shù),R是串聯(lián)電阻，n是表征PN結(jié)完 美性的一個(gè)參量，處在1~2之間。式⑴右邊的反向飽和電流 Io與溫度密切相關(guān)，Io值隨溫度的升高而增大，導(dǎo)致正向電壓 號(hào)下降。
3實(shí)驗(yàn)研究
這里以紅藍(lán)光橢圓燈為例來研究溫度對(duì)LED性能的 影響。其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是：分別用晶元AIGalnP紅色芯片ES- SAHRPN10 和 silan InGaN 藍(lán)色芯片 SL-NBIT0300 試制紅藍(lán) 橢圓燈。紅光固晶膠用普通銀膠，藍(lán)光固晶膠為普通絕緣膠, 支架用鐵支架，封裝用普通環(huán)氧樹脂。取20只成品藍(lán)橢圓 燈，編號(hào)1~20,再用JF光強(qiáng)測(cè)試儀測(cè)試1~20號(hào)橢圓燈在室 溫20mA下的法向光強(qiáng)I及正向電壓Vf，測(cè)試數(shù)據(jù)后，再將 20只管子分成兩組：將1~10號(hào)燈在室溫20 mA下點(diǎn)亮168 h ； 11~20號(hào)燈放入85 °C恒溫箱中，也在20 mA下點(diǎn)亮168 h。實(shí) 驗(yàn)后仍用JF光強(qiáng)測(cè)試儀測(cè)試各組在室溫20 mA下的法向光強(qiáng) I及正向電壓f然后對(duì)紅橢圓燈也做以上分組實(shí)驗(yàn)。
4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
表1~表4所列就是實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的數(shù)據(jù)。
表1室溫20 mA下點(diǎn)亮168 h藍(lán)光LED數(shù)據(jù)表
|
編號(hào) |
實(shí)驗(yàn)前 |
實(shí)驗(yàn)后 |
光強(qiáng)衰減 百分比 |
△匕 |
||
|
I /med |
Vf/V |
I /med |
Vf/V |
|||
|
1 |
339 |
3.35 |
336 |
3.34 |
0.88% |
0.01 |
|
2 |
361 |
3.25 |
354 |
3.24 |
1.94% |
0.01 |
|
3 |
333 |
3.23 |
316 |
3.23 |
5.11% |
0.00 |
|
4 |
328 |
3.27 |
315 |
3.25 |
3.96% |
0.02 |
|
5 |
362 |
3.27 |
347 |
3.27 |
4.14% |
0.00 |
|
6 |
345 |
3.26 |
332 |
3.25 |
3.77% |
0.01 |
|
7 |
368 |
3.26 |
356 |
3.25 |
3.26% |
0.01 |
|
8 |
357 |
3.24 |
344 |
3.23 |
3.64% |
0.01 |
|
9 |
325 |
3.19 |
316 |
3.18 |
2.77% |
0.01 |
|
10 |
324 |
3.18 |
312 |
3.16 |
3.70% |
0.02 |
|
平均值 |
344.20 |
3.25 |
332.80 |
3.24 |
3.32% |
0.01 |
表2 85 C 20 mA時(shí)點(diǎn)亮168 h藍(lán)光LED數(shù)據(jù)表
|
編 號(hào) |
實(shí)驗(yàn)前 |
實(shí)驗(yàn)后 |
光強(qiáng)衰減 百分比 |
△匕 |
||
|
I /med |
Vf/V |
Iv /med |
V/V |
|||
|
11 |
356 |
3.32 |
301 |
3.29 |
15.45% |
0.03 |
|
12 |
349 |
3.27 |
313 |
3.23 |
10.32% |
0.04 |
|
13 |
357 |
3.25 |
306 |
3.23 |
14.29% |
0.02 |
|
14 |
356 |
3.33 |
315 |
3.29 |
11.52% |
0.04 |
|
15 |
327 |
3.36 |
283 |
3.33 |
13.46% |
0.03 |
|
16 |
331 |
3.26 |
284 |
3.12 |
14.20% |
0.14 |
|
17 |
358 |
3.18 |
322 |
3.14 |
10.06% |
0.04 |
|
18 |
335 |
3.27 |
298 |
3.23 |
11.04% |
0.04 |
|
19 |
326 |
3.26 |
284 |
3.21 |
12.88% |
0.05 |
|
20 |
323 |
3.33 |
279 |
3.30 |
13.62% |
0.03 |
|
平均值 |
341.8 |
3.28 |
298.50 |
3.24 |
12.68% |
0.05 |
表3室溫20 mA下點(diǎn)亮168 h紅光LED數(shù)據(jù)表
|
編 號(hào) |
實(shí)驗(yàn)前 |
實(shí)驗(yàn)后 |
光強(qiáng)衰減 百分比 |
NVf |
||
|
Iv /med |
V/V |
Iv /med |
||||
|
1 |
1 213 |
2.08 |
1 209 |
2.08 |
0.33% |
0.00 |
|
2 |
1 100 |
2.08 |
1 048 |
2.08 |
4.73% |
0.00 |
|
3 |
1 342 |
2.08 |
1 312 |
2.08 |
2.24% |
0.00 |
|
4 |
1 034 |
2.08 |
1 026 |
2.08 |
0.77% |
0.00 |
|
5 |
1 228 |
2.08 |
1 216 |
2.08 |
0.98% |
0.00 |
|
6 |
1 280 |
2.12 |
1 246 |
2.08 |
2.66% |
0.04 |
|
7 |
1 071 |
2.09 |
1 067 |
2.09 |
0.37% |
0.00 |
|
8 |
1 043 |
2.09 |
1 027 |
2.09 |
1.53% |
0.00 |
|
9 |
1 146 |
2.09 |
1 122 |
2.09 |
2.09% |
0.00 |
|
10 |
1 195 |
2.08 |
1 157 |
2.08 |
3.18% |
0.00 |
|
平均值 |
1 165.2 |
2.087 |
1 143 |
2.083 |
1.89% |
0.004 |
表4 85 C 20 mA下點(diǎn)亮168 h紅光LED數(shù)據(jù)表
|
編 號(hào) |
實(shí)驗(yàn)前 |
實(shí)驗(yàn)后 |
光強(qiáng)衰減 百分比 |
NVf |
||
|
I /med |
Vf/V |
I./med |
Vf/V |
|||
|
11 |
1 170 |
2.09 |
1 067 |
2.05 |
8.80% |
0.04 |
|
12 |
1 137 |
2.10 |
1 011 |
2.07 |
11.08% |
0.03 |
|
13 |
1 054 |
2.08 |
967 |
2.08 |
8.25% |
0.00 |
|
14 |
1 115 |
2.09 |
989 |
2.07 |
11.30% |
0.02 |
|
15 |
1 168 |
2.08 |
1 045 |
2.06 |
10.53% |
0.02 |
|
16 |
1 210 |
2.09 |
1 134 |
2.05 |
6.28% |
0.04 |
|
17 |
1 162 |
2.08 |
991 |
2.04 |
14.72% |
0.04 |
|
18 |
1 285 |
2.11 |
1 116 |
2.06 |
13.15% |
0.05 |
|
19 |
1 133 |
2.08 |
1 036 |
2.06 |
8.56% |
0.02 |
|
20 |
1 071 |
2.10 |
996 |
2.05 |
7.00% |
0.05 |
|
平均值 |
1 150.5 |
2.09 |
1 035.2 |
2.059 |
9.97% |
0.031 |
從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，PN結(jié)溫度和環(huán)境溫度對(duì) LED發(fā)光強(qiáng)度及正向電壓的影響。
在85 C情況下，藍(lán)光的平均光衰為12.68%，正向電壓下 降了 0.05 V而室溫下藍(lán)光的平均光衰只有3.32%,正向電壓下 降0.01 V ；對(duì)于紅光而言亦有如此趨勢(shì)，在85 C情況下的平 均光衰為9.97%,正向電壓下降0.031 V而室溫下的平均光衰 為1.89%，正向電壓下降0.004 V。說明環(huán)境溫度升高，LED 光衰嚴(yán)重同時(shí)正向電壓下降幅度大。
表1和表3還反映出了紅藍(lán)LED在室溫20 mA條件下持 續(xù)點(diǎn)亮?xí)r,LED內(nèi)部溫度升高對(duì)光衰的影響，同時(shí)也可以看出, 藍(lán)光的光衰比紅光的光衰更加嚴(yán)重，此現(xiàn)象可以從兩個(gè)方面 解釋:其一，藍(lán)光用的固晶膠為絕緣膠，而紅光的固晶膠為銀膠,
絕緣膠的導(dǎo)熱性很弱，導(dǎo)致藍(lán)光散熱不如紅光，藍(lán)光PN結(jié)溫 度略高于紅光，溫度越高，光衰越嚴(yán)重;其二，在紫外光暴露下, 環(huán)氧樹脂的物理性能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致透光率下降，而藍(lán)色芯 片會(huì)發(fā)射出部分的短波光，在長(zhǎng)時(shí)間的短波照射下，環(huán)氧樹脂 的透光率下降，發(fā)光強(qiáng)度下降。
5結(jié)論
通過本文的研究實(shí)驗(yàn)可以看出，溫度對(duì)LED的性能有很 大的影響。
當(dāng)溫度升高時(shí)，LED的光衰嚴(yán)重，壽命降低。因此，在 LED封裝中，為提高LED的壽命及可靠性，應(yīng)考慮LED的 溫度及散熱問題，可以通過一系列的方法降低熱阻，以達(dá)到 散熱的目的：如采用導(dǎo)熱性能良好的銅支架取代鐵支架;對(duì)于 單電極芯片可以選用高導(dǎo)熱銀膠；對(duì)于藍(lán)白光采用抗UV,抗 黃變性好的環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝；
而當(dāng)溫度升高時(shí)，LED的正向電壓下降，在實(shí)際使用過 程中，若采用恒壓驅(qū)動(dòng)，由于正向電壓降低，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流增大, 這一方面會(huì)導(dǎo)致LED壽命降低，二是會(huì)導(dǎo)致一致性性能變差， 在大屏使用(如交通燈及顯示屏中)時(shí)，會(huì)因?yàn)槊總€(gè)LED燈 的驅(qū)動(dòng)電流不一樣，而導(dǎo)致亮度不一，從而會(huì)出現(xiàn)花屏和明顯 的馬賽克區(qū)等問題。因此，在實(shí)際使用過程中，應(yīng)采用恒流驅(qū) 動(dòng)以提高LED的壽命及可靠性。
20210901_612eee73f36bc__溫度對(duì)LED性能的影響
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