温度对LED的影响分析

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(通常为125℃)，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Philips Lumiled公司的Luxeon K2的光衰曲线如图1所示，当结温从115℃提高到135℃，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]。

(3)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 外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。

(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:

(1)

其中，表示结温时的光通量(lm);表示结温时的光通量(lm);

为温度系数(1/℃);为LED结温的差值，即。

一般情况下， 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 InGaAlP/GaAs 橙红色 InGaAlP/GaAs 黄色 InGaAlP/GaP 高亮红 InGaAlP/GaP 黄色 温度系数 (1/℃) 9.52×10-3 1.11×10-2 9.52×10-3 9.52×10-2 表1 不同材质类别LED的温度系数 图2 不同k值LED的光输出(百分比)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2.0×10-3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1.2×10-3，结温125℃时光输出相对结温25℃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2.0×10-3～4.0×10-3之间，有的甚至达到了5.0×10-3。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)：

其中:表示结温时的波长(nm);表示结温时的波长(nm);表示

波长随温度变化的系数，一般在0.1～0.3nm/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1.8～2.2V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：

(3)

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，是串联电阻，是表征P/N结完美性的一个参量，处在1～2之间。

值随结温的升高而增大，导致正向

式(3)的右边只有反向饱和电流电压

与温度密切相关，

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：

(4)

式(4)中，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;

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 3WXLampXP-E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)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 Flu×LEDs，T(max)=125℃。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/℃ )

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10℃，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。

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

（a）基板

（b）翅片

图7结构Ⅰ温度分布图

（a）基板

（b）翅片

图8结构Ⅱ温度分布图

（a）基板

（b）翅片

图9：结构Ⅲ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45℃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：

式中，rj－ref为Pn结结点到某个参照点热阻，Δtj－ref为结温tj与参照点温度tref温差，Pd为耗散功率。

可将公式改写为：

根据上述三种照明装置的测试情况，可将铝基板的温度定为参照点的温度tref，则求出Pn结点到铝基

板的热阻rj－ref，即可求出结温。根据上述热阻模型公式，，即为LED

封装热阻与MCPCB板热阻之和。单颗1WLED的封装热阻为9℃/W，0.8mmMCPCB板的热阻为7℃/W，单颗3WLED的封装热阻为14℃/W（注：不同公司或型号的LED热阻有所不同）。由于结构Ⅰ尚未达到稳态，不能计算其结温，结构Ⅱ和Ⅲ中LED结温如表2所示。

表2：各照明装置结温分布

结构Ⅰ在测试过程中，当其运行至80min时出现不稳定状况，为防止发生意外，停止测试。由此可知，结构Ⅰ的散热效果是不可靠的。由表2可知，结构Ⅱ的结温较高，但仍在其允许的工作温度范围内，主要由于其输入功率较大，单颗3WLED的热阻也较大，且翅片与空气进行自然对流散热，换热系数较小，因此需要对其进行改进。结构Ⅲ能够使照明装置保持在较低温度下运行，是对结构Ⅱ的一种改进。

根据ediSon公司给出的大功率白光LED的结温在亮度70％时与寿命的关系可知，当芯片结点温度为110℃时，其寿命约为16000h；芯片结点温度为57℃时，寿命约为70000h。结构Ⅲ可以有效的实现大功率LED照明装置的散热，大大提高照明装置的使用寿命。

1.3.4 结温的影响因素

为了更好地实现LED照明装置的设计，使其结温较低以获得更长的使用寿命，采用正交方法模拟了LED结温的影响因素。风扇的可靠性低、寿命短，会对LED照明装置的应用产生不利的影响，因此研究如何在自然对流条件下实现其散热是非常有用的。取结构Ⅱ中的单个模组进行有限元anSyS10.0模拟，采用三因素三水平正交试验表，三因素分别为：介质传导率、对流换热系数和热流密度。介质传导率是指结构Ⅱ中微热管部分的热导率；对流换热系数是指翅片与周围空气的对流系数；热流密度是指MCPCB板上的热流密度（即：单颗LED灯功率/MCPCB板面积）（注：实际上芯片热流密度为LED灯功率/LED芯片面积，其到MCPCB板时热流密度会发生改变且不等于LED灯功率/MCPCB板面积，由于目前没有变热流密度的相关理论，所以在此模拟试验中统一取加载在MCPCB板上的热流密度为LED灯功率/MCPCB板面积，其得到的MCPCB板温度小于实验值）。则其因素水平表如表3所示。得到的模拟实验结果如表4所示。对其进行数据处理，得到极差如表5所示。

表3：正交试验因素水平表

表4：正交试验结果

表5：数据处理结果

表5中，珚y为实验结果的均值：

kij为第j列因素第i水平的实验结果之和，第j列因素第i水平的效应ωij：

其中，S为第j列上，水平号i出现的次数，极差rj为：

由上表可知：对流换热系数对结温的影响非常小，可认为其与误差波动的影响一样大，可忽略不计；热流密度的影响最大，介质热导率其次，但两者的极差相差不大。即：在自然对流的情况下（系数约为5～10），对流换热系数的影响可忽略不计；而微热管的热导率可使结温降低很多（ω2j为－33.328）；LED灯功率的增大会导致热流密度的大大增长，从而导致结温的大大升高（LED灯从3W到5W，ωij从2.017到28.136）。设计LED照明装置时，若为自然对流方式，则不必考虑其放置环境的换热系数，而尽量提高其导热环节的热导率，寻找新的高热导率部件；对LED灯的功率进行控制，结合整个装置的散热能力来确定LED灯的功率。

2、结论

目前，LED器件正不断地朝着更大功率方向发展，功率型LED的驱动电流也不断增大，这使得解决散热问题已经成为大功率LED实现产业化的先决条件。针对LED器件的散热环节，将其分为一次封装散热和二次热沉散热。一次封装散热主要取决于LED灯的封装结构和封装材料，二次热沉散热主要取决于外部热沉的结构及散热方式。降低封装热阻是解决LED散热最根本的途径，但是在新的封装结构和材料出现前，优化LED器件的二次热沉散热是目前的关键。

本文对三种大功率LED照明装置的二次热沉散热进行了散热原理比较、实验性能分析，建立了热阻网络模型，对其进行了结温计算和寿命预测，发现微热管、薄肋片、风扇可以很好的实现散热，并利用正交试验法对LED照明装置结温的影响因素进行了模拟分析，发现自然对流条件下，对流换热系数的影响可忽略不计，而需尽量提高导热环节的热导率并结合其散热能力进行功率的控制。为微热管散热技术提供了技术参考，为大功率LED器件的二次热沉散热提供了有效的实现途径，但实际应用中需要对其整体结构进行优化设计。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3vh.html