什么是LED光衰?

繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過(guò)LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方，也照亮著我們的生活。電腦顯示器和電視機(jī)是通過(guò)紅色，藍(lán)色和綠色來(lái)顯示顏色的，也就是我們平常所說(shuō)的RGB三原色;而且有數(shù)據(jù)表明，紅色和藍(lán)色LED已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)廉價(jià)生產(chǎn)目標(biāo)，因而綠色LED生產(chǎn)技術(shù)是業(yè)界一直以來(lái)尋求的突破。

該技術(shù)基于最廉價(jià)的藍(lán)寶石襯底來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且會(huì)改進(jìn)紅藍(lán)LED的光輸出，必將推動(dòng)LED朝著高性能低成本的方向發(fā)展。該研究小組帶頭人ChristianWetzel還表示生產(chǎn)綠色LED的難度超出了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的預(yù)期。LED光衰(LEDdroop)是由俄歇復(fù)合(Augerrecombination)引起的。俄歇復(fù)合是一種在半導(dǎo)體中發(fā)生的，三個(gè)帶電粒子互相反應(yīng)但不放出光子的現(xiàn)象。研究者還發(fā)現(xiàn)包含散射機(jī)制的非直接的俄歇效應(yīng)非常顯著。這一發(fā)現(xiàn)使得在以往理論研究中，用直接俄歇過(guò)程預(yù)測(cè)LED光衰和實(shí)際測(cè)量結(jié)果不符的現(xiàn)象得以解釋。

在氮化物基LED中，這些非直接過(guò)程形成了主要的俄歇復(fù)合。 研究員們認(rèn)為，因?yàn)槎硇?yīng)是內(nèi)形成機(jī)制，所以LED光衰不可消除，但可以最小化。用更寬的量子阱，并在非極化或者半極化的方向生長(zhǎng)器件，可以降低載流子密度。既然俄歇效應(yīng)是內(nèi)形成機(jī)制，LED光衰它不可消除，那下面我們花費(fèi)一些筆墨來(lái)探討一下LED光衰成因，以便從根本上理清思路，降低LED光衰。

LED光衰的原因

目前，市場(chǎng)上的白光LED其光衰可能是向民用照明進(jìn)軍的首要問題之一。針對(duì)LED的光衰主要有以下二大因素：

一、LED產(chǎn)品本身品質(zhì)問題：

1、采用的LED芯片體質(zhì)不好，亮度衰減較快。2、生產(chǎn)工藝存在缺陷，LED芯片散熱不能良好的從PIN腳導(dǎo)出，導(dǎo)致LED芯片溫度過(guò)高使芯片衰減加劇。

二、使用條件問題：

1、LED為恒流驅(qū)動(dòng)，有部分LED采用電壓驅(qū)動(dòng)原因使LED衰減過(guò)來(lái)。2、驅(qū)動(dòng)電流大于額定驅(qū)動(dòng)條件。其實(shí)導(dǎo)致LED產(chǎn)品光衰的原因很多，最關(guān)鍵的還是熱的問題，盡管很多廠商在次級(jí)產(chǎn)品不特別注重散熱的問題，但這些次級(jí)LED產(chǎn)品長(zhǎng)期使用下，光衰程度會(huì)比有注重散熱的LED產(chǎn)品要高。LED芯片本身的熱阻、銀膠的影響、基板的散熱效果，以及膠體和金線方面也都與光衰有關(guān)系。

三個(gè)影響LED燈具質(zhì)量光衰的因素

單顆LED白燈在老化板上檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)，與把LED白燈組裝成一個(gè)燈具老化時(shí)檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)，肯定是有點(diǎn)出入的。這個(gè)差異的大小，取決于LED工作時(shí)的電性參數(shù)和燈具的設(shè)計(jì)情況，以及燈具使用的環(huán)境。首先，選擇什么樣的LED白燈。

這點(diǎn)很重要，LED白燈的質(zhì)量可以說(shuō)是很重要的因素。舉些例子，同樣的以晶元14mil白光段芯片為代表，用普通環(huán)氧樹脂做的底膠與白光膠與封裝膠水封裝出來(lái)的LED白燈，單顆點(diǎn)亮在30度的環(huán)境下，一千小時(shí)后，衰減數(shù)據(jù)為光衰70%;如果用D類低衰膠水封裝，在同樣的老化環(huán)境下，千小時(shí)光衰為45%;如果C類低衰膠水封裝，在同樣的老化環(huán)境下，千小時(shí)光衰為12%;如果B類低衰膠水封裝，在同樣的老化環(huán)境下，千小時(shí)光衰為-3%;如果A類低衰膠水，在同樣的老化環(huán)境下，千小時(shí)光衰為-6%。

為何不同的封裝工藝會(huì)導(dǎo)致如何大的差異呢

最主要的一個(gè)原因在于LED芯片怕熱。偶爾短時(shí)間內(nèi)受熱超過(guò)一百多度，那是不要緊的，怕就怕在長(zhǎng)期處于高溫之下，就是對(duì)LED芯片的一種莫大的損害。一般來(lái)說(shuō)，普通環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此，當(dāng)LED芯片點(diǎn)亮工作的時(shí)候，LED芯片要發(fā)射出熱量，而普通環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱能力有限，所以，當(dāng)你從LED白燈的外部測(cè)量出LED支架的溫度有45度的時(shí)候，LED白燈內(nèi)的芯片中心溫度有可能超過(guò)了80度。LED的溫度節(jié)點(diǎn)其實(shí)就是80度，那么，當(dāng)LED芯片在節(jié)溫的溫度中工作的時(shí)候，是非常的受煎熬的，這就加快了LED白燈的老化。

當(dāng)LED芯片在工作的時(shí)候，中心溫度產(chǎn)生了100度的高溫，它可以馬上通過(guò)支架引腳98%把熱量導(dǎo)出來(lái)，從而減少熱量對(duì)它的傷害。所以，LED白燈支架溫度是60度的時(shí)候，它的芯片中心溫度可能就只是61度而已。從上面的數(shù)據(jù)可以看出來(lái)，選擇什么樣封裝工藝的LED白燈，直接決定LED燈具的光衰情況。其次，LED燈珠工作環(huán)境溫度。根據(jù)單顆LED白燈老化時(shí)的數(shù)據(jù)來(lái)看，LED白燈如果只有一個(gè)點(diǎn)亮工作，同時(shí)，它所處的環(huán)境溫度是30度的話，那么，單顆LED白燈工作時(shí)的支架溫度不會(huì)超過(guò)45度。這個(gè)時(shí)候，這顆LED的壽命會(huì)很理想。

如果有100顆LED白燈同時(shí)點(diǎn)亮工作，它們之間的間隔只是11.4mm的情況下，那么，燈堆的周邊的LED白燈的支架溫度也可能不會(huì)超過(guò)45度，但燈堆中間的那些LED白燈有可能達(dá)到65度的高溫。這個(gè)時(shí)候，對(duì)LED燈珠就是一個(gè)考驗(yàn)。那么，聚在中間的那些LED白燈，理論上光衰就會(huì)快一點(diǎn)，而燈堆周邊的LED白燈，光衰就會(huì)慢一點(diǎn)。

但如果LED燈珠相隔25mm以上，那么，它們互相發(fā)散的熱量就不會(huì)那么積聚了，這個(gè)時(shí)候，每個(gè)LED白燈支架的溫度應(yīng)該會(huì)少于50度以下，就比較利于LED的正常工作。如果LED工作的環(huán)境是在比較冷的地方，整年的平均溫度可能只是15度左右，或更小，那對(duì)于LED來(lái)說(shuō)，壽命就更長(zhǎng)了?；蛘?，LED工作的時(shí)候，旁邊有個(gè)小風(fēng)扇在吹著，幫它驅(qū)散熱氣，這樣子對(duì)LED的壽命也是挺有幫助的。反正大家應(yīng)該要知道，LED是怕熱的，溫度越高，LED壽命越短，溫度越低，LED壽命越長(zhǎng)。LED理想的工作溫度當(dāng)然是在負(fù)5到零度之間。但這基本上是不可能的。

所以，我們了解到LED燈珠理想的工作參數(shù)后，就盡可能的在設(shè)計(jì)燈具的時(shí)候，加強(qiáng)導(dǎo)熱，散熱的功能。反正溫度越低，LED壽命越長(zhǎng)。再次，LED燈珠的工作電性參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，LED白燈在驅(qū)動(dòng)電流越低的情況下，發(fā)射的熱量越小，當(dāng)然了，亮度也就越小了。據(jù)調(diào)查，LED太陽(yáng)能燈飾電路的設(shè)計(jì)，LED的驅(qū)動(dòng)電流一般只是5-10mA;燈具所用的燈珠數(shù)目具大的產(chǎn)品，如達(dá)到500個(gè)以上的，或更多的，驅(qū)動(dòng)電流一般只是10-15mA,而一般大眾化的LED應(yīng)用燈飾的驅(qū)動(dòng)電流，只是15-18mA，絕少有人把電流設(shè)計(jì)到20mA以上的。

而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在14mA的驅(qū)動(dòng)電流下，并且，加了蓋子不透風(fēng)，里面的空氣溫度達(dá)到71度的環(huán)境下，低衰產(chǎn)品，千小時(shí)光衰為零，2000小時(shí)光衰為3%，這就說(shuō)明這種低衰LED白燈在這樣的環(huán)境下使用已達(dá)到了它的最大限度，再大就是對(duì)它的一種損害了。

因?yàn)槔匣玫睦匣鍥]有散熱功能，所以，LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量基本上是沒法傳導(dǎo)到外面去的。實(shí)驗(yàn)上證明了這一點(diǎn)。老化板里面的空氣溫度已達(dá)到了101度的高溫，老化板上的蓋子表面溫度只不過(guò)是53度，相差了幾十度。這就說(shuō)明，設(shè)計(jì)的這種塑料蓋子基本上不具有導(dǎo)熱散熱功能。但一般的燈具設(shè)計(jì)中，都考慮到導(dǎo)熱散熱的功能。因此，總結(jié)來(lái)說(shuō)，LED燈珠的工作電性參數(shù)的設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際情況，如果燈具的導(dǎo)熱散熱功能很好，LED白燈的驅(qū)動(dòng)電流加大一點(diǎn)是沒關(guān)系的，因?yàn)長(zhǎng)ED燈珠工作產(chǎn)生的熱量瞬間能導(dǎo)出到外面，對(duì)LED沒有損害，就是對(duì)LED最好的呵護(hù)了。相反的，如果燈具的導(dǎo)熱散熱功能馬馬虎虎，最好把電路設(shè)計(jì)得小一點(diǎn)，讓它少放些熱量出來(lái)。

前文提到， 研究員們認(rèn)為，因?yàn)槎硇?yīng)是內(nèi)形成機(jī)制，LED光衰不可消除，但可以最小化。既然可以最小化，那從哪些方面著手了，相信這也是許多網(wǎng)友關(guān)心的問題，下面我們分析白光LED光衰與晶片、固晶底膠、熒光粉等材料的關(guān)系。

白光LED光衰與材料的關(guān)系

藍(lán)光LED的問世，利用熒光體與藍(lán)光LED的組合，就可輕易獲得白光LED,這是行業(yè)中最成熟的一種白光封裝方式。 藍(lán)光led的問世，利用熒光體與藍(lán)光LED的組合，就可輕易獲得白光LED,這是行業(yè)中最成熟的一種白光封裝方式。目前白光LED已成為照明光源，一般家用照明已成為現(xiàn)實(shí)。但在使用過(guò)程中較多白光產(chǎn)品衰減大，不能適合照明市場(chǎng)，臺(tái)灣宏彩光電針對(duì)照明高端市場(chǎng)的需求，加大對(duì)白光的研發(fā)，通過(guò)改變封裝工藝及物料搭配開發(fā)出低衰減白光產(chǎn)品，為L(zhǎng)ED照明行業(yè)略盡微薄之力。下面是我司在封裝過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的五點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，與諸位行業(yè)同仁交流，以期對(duì)白光LED封裝技術(shù)的提升添磚加瓦。

1.晶片對(duì)白光LED光衰的影響

從目前實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，晶片對(duì)光衰的影響分為兩大類：第一是晶片的材質(zhì)不同導(dǎo)致衰減不同，目前常用的藍(lán)光晶片襯底材質(zhì)為碳化硅和藍(lán)寶石，碳化硅一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單電極，其導(dǎo)熱效果比較好，藍(lán)寶石一般設(shè)計(jì)為雙電極，熱量較難導(dǎo)出，導(dǎo)熱效果較差;第二是晶片的尺寸大小，在晶片材質(zhì)相同時(shí)，尺寸大小不同衰減差距也不同。

2.固晶底膠對(duì)白光LED光衰的影響

在白光LED封裝行業(yè)中通常用到的固晶膠有環(huán)氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊，在選用時(shí)要綜合考慮。環(huán)氧樹脂絕緣膠導(dǎo)熱性差，但亮度高;硅樹脂絕緣膠導(dǎo)熱效果比環(huán)氧樹脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時(shí)旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環(huán)氧樹脂相結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生隔層現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)冷熱沖擊后將產(chǎn)生剝離導(dǎo)致死燈;銀膠的導(dǎo)熱性比前兩者都好，可以延長(zhǎng)LED芯片的壽命，但銀膠對(duì)光的吸收比較大，導(dǎo)致亮度低。對(duì)于雙電極藍(lán)光晶片在用銀膠固晶時(shí)，對(duì)膠量的控制也很嚴(yán)格，否則容易產(chǎn)生短路，直接影響到產(chǎn)品的良品率。

3.熒光粉對(duì)白光LED光衰的影響

實(shí)現(xiàn)白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過(guò)在藍(lán)光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質(zhì)對(duì)白光LED的衰減影響很大。市場(chǎng)最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍(lán)光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同廠商的熒光粉對(duì)光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關(guān)系密切。雷曼光電選用最好材質(zhì)的白光熒光粉，使做出的白光LED相比同行在衰減控制方面有了很大的提高。

4.熒光膠水對(duì)白光LED光衰的影響

傳統(tǒng)封裝的白光LED，熒光膠一般采用環(huán)氧樹脂或硅膠，經(jīng)過(guò)光衰實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出，用硅膠配粉的白光LED壽命明顯比環(huán)氧樹脂的長(zhǎng)。原因之一是用以上兩種方法封裝成成品LED，硅膠比環(huán)氧樹脂抗UV能力強(qiáng)且硅膠散熱效果比環(huán)氧樹脂好;但在相同條件下，用硅膠配粉的初始亮度要比環(huán)氧樹脂配粉的要低，最主要是由于硅膠的折射率(1.3-1.4)比環(huán)氧樹脂(1.5以上)低，所以初始光效不及環(huán)氧樹脂高。

5.支架對(duì)白光LED光衰的影響

LED支架主要有銅支架和鐵支架。銅支架導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，價(jià)格高。而鐵支架的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能相對(duì)較差，更容易生銹，但價(jià)格便宜。

市場(chǎng)上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對(duì)LED的性能影響也不同，特別是對(duì)光衰的影響尤為突出。這主要是由于銅的導(dǎo)熱性能比鐵的好很多，銅的導(dǎo)熱系數(shù)398W(m.k)，而鐵的導(dǎo)熱系數(shù)只有50W(m.k)左右，僅為前者的1/8，還有支架的電鍍層厚度也密切相關(guān)。在選用支架時(shí)，還要注意支架的碗杯大小是否與發(fā)光芯片以及模粒匹配，其匹配質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響白光LED的光學(xué)效果，否則容易造成光斑形狀不對(duì)稱、有黃圈，以及黑斑等，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

隨著白光LED在照明上的應(yīng)用，客戶需求也不斷提高，相信在未來(lái)的科學(xué)技術(shù)更加發(fā)達(dá)的時(shí)候，LED會(huì)以更加多種類的方式為我們的生活帶來(lái)更大的方便，這就需要我們的科研人員更加努力學(xué)習(xí)知識(shí)，這樣才能為科技的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。