温度对LED性能的影响
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引言
与传统光源相比，LED光源为固体冷光源，具有寿命长, 光效高，无辐射，功耗低，抗冲击和抗震性能好，可靠性高 等特性。在全球提倡绿色照明的今天，LED作为新型绿色照 明光源受到全球的追捧。然而，在LED高速发展的同时，如 何进一步提高LED的寿命及可靠性确是迫在眉睫的事。本文 从理论和实验出发，研究并分析了温度对LED性能的影响, 从而提出可以提高LED的寿命和可靠性问题的方法。
1 LED发光原理
LED是一种半导体二极管，核心发光部分为P型和N型 半导体构成的PN结，LED除了具有一般PN结特性外，还具 有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P 区注入N区。进入对方区域的少数载流子与多数载流子复合 而发出光子，发光原理如图1所示。
2温度对LED性能的影响
2.1温度对LED发光强度的影响
当PN结温度上升时，半导体的晶格振动幅度增加，当 原子的振动能量高于一定值时，电子从激发态跃迁到基态时会 与晶格原子（或离子）交换能量，发生无辐射跃迁。这种过程的几率随温度的增加而呈指数式增加。因此，当温度上升到 一定程度之后，半导体的无辐射跃迁增加，内量子效率降低, 从而导致发光强度下降。
图1 LED发光原理示意图
当温度上升时，LED封装用环氧树脂会逐渐变性，发黄， 从而影响环氧树脂的透光性能，导致外量子效率降低，发光 强度下降。
2.2温度对LED正向电压的影响
正向电压是判定LED性能的一个重要参数。通常 InGaAlP LED 20 mA正向电流下的正向电压在1.8〜2.2 V之 间，InGaN LED的正向电压处在3.0〜3.6 V之间。在小电流 近似下，LED的正向电压可表示为：
式中，为正向电压，If为正向电流，L为反向饱和电流，q为电 子电荷，上是玻尔兹曼常数,R是串联电阻，n是表征PN结完 美性的一个参量，处在1~2之间。式⑴右边的反向饱和电流 Io与温度密切相关，Io值随温度的升高而增大，导致正向电压 号下降。
3实验研究
这里以红蓝光椭圆灯为例来研究温度对LED性能的 影响。其实验设计是：分别用晶元AIGalnP红色芯片ES- SAHRPN10 和 silan InGaN 蓝色芯片 SL-NBIT0300 试制红蓝 椭圆灯。红光固晶胶用普通银胶，蓝光固晶胶为普通绝缘胶, 支架用铁支架，封装用普通环氧树脂。取20只成品蓝椭圆 灯，编号1~20,再用JF光强测试仪测试1~20号椭圆灯在室 温20mA下的法向光强I及正向电压Vf，测试数据后，再将 20只管子分成两组：将1~10号灯在室温20 mA下点亮168 h ； 11~20号灯放入85 °C恒温箱中，也在20 mA下点亮168 h。实 验后仍用JF光强测试仪测试各组在室温20 mA下的法向光强 I及正向电压f然后对红椭圆灯也做以上分组实验。
4实验数据及分析
表1~表4所列就是实验所测试的数据。
表1室温20 mA下点亮168 h蓝光LED数据表
|
编号 |
实验前 |
实验后 |
光强衰减 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时点亮168 h蓝光LED数据表
|
编 号 |
实验前 |
实验后 |
光强衰减 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室温20 mA下点亮168 h红光LED数据表
|
编 号 |
实验前 |
实验后 |
光强衰减 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下点亮168 h红光LED数据表
|
编 号 |
实验前 |
实验后 |
光强衰减 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 |
从上述实验数据可以看出，PN结温度和环境温度对 LED发光强度及正向电压的影响。
在85 C情况下，蓝光的平均光衰为12.68%，正向电压下 降了 0.05 V而室温下蓝光的平均光衰只有3.32%,正向电压下 降0.01 V ；对于红光而言亦有如此趋势，在85 C情况下的平 均光衰为9.97%,正向电压下降0.031 V而室温下的平均光衰 为1.89%，正向电压下降0.004 V。说明环境温度升高，LED 光衰严重同时正向电压下降幅度大。
表1和表3还反映出了红蓝LED在室温20 mA条件下持 续点亮时,LED内部温度升高对光衰的影响，同时也可以看出, 蓝光的光衰比红光的光衰更加严重，此现象可以从两个方面 解释:其一，蓝光用的固晶胶为绝缘胶，而红光的固晶胶为银胶,
绝缘胶的导热性很弱，导致蓝光散热不如红光，蓝光PN结温 度略高于红光，温度越高，光衰越严重;其二，在紫外光暴露下, 环氧树脂的物理性能会发生变化，导致透光率下降，而蓝色芯 片会发射出部分的短波光，在长时间的短波照射下，环氧树脂 的透光率下降，发光强度下降。
5结论
通过本文的研究实验可以看出，温度对LED的性能有很 大的影响。
当温度升高时，LED的光衰严重，寿命降低。因此，在 LED封装中，为提高LED的寿命及可靠性，应考虑LED的 温度及散热问题，可以通过一系列的方法降低热阻，以达到 散热的目的：如采用导热性能良好的铜支架取代铁支架;对于 单电极芯片可以选用高导热银胶；对于蓝白光采用抗UV,抗 黄变性好的环氧树脂进行封装；
而当温度升高时，LED的正向电压下降，在实际使用过 程中，若采用恒压驱动，由于正向电压降低，导致驱动电流增大, 这一方面会导致LED寿命降低，二是会导致一致性性能变差， 在大屏使用(如交通灯及显示屏中)时，会因为每个LED灯 的驱动电流不一样，而导致亮度不一，从而会出现花屏和明显 的马赛克区等问题。因此，在实际使用过程中，应采用恒流驱 动以提高LED的寿命及可靠性。
20210901_612eee73f36bc__温度对LED性能的影响
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