LED器件的温升效应及其对策.docx
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LED器件的温升效应及其对策
LED器件的温升效应及其对策
LED器件的温升效应及其对策
结温升高对LED光输出强度、LEDP-N结的正向电压及发光颜色的影响.指出当结温升高时,输出光强变弱,正向电压减小,发光波长发生红移.在结温升得足够高时,这些变化将从可逆变为不可恢复的永久性衰变.文章进一步指出,LED输入功率是器件热效应的唯一来源,设法提高器件的电光转换效率及提高器件的散热能力是减小LED温升效应的主要途径.
一、引言
众所周知,LED是一种电发光器件,其基本的物理过程是电能向光能的转变.所谓提高LED的功率,即是提高电输入能量,同时又能获得尽可能大的光功率输出.通常将单位输入功率所产生的光能（光通量谓之光电转换功率,简称光效.早期的LED由于光效很低（-0.1lm/w,亮度很低,通常只用于表示亮、暗的状态,作指示灯之用.上世纪九十年代初,超高亮四元系LED的出现,使器件亮度有了数量级的增长,特别是紧接着的GaN基蓝、绿光及白光LED的出现,使LED的应用方向发生了巨大的改变.固态照明已成为21世纪人类追求的重要目标.显然,不断地提高LED的输入功率与发光效率是实现通用照明的必由之路.假设LED的光效为100lm/w,那么要达到一只40支光（瓦的白炽灯所发出的600lm的光通量,LED的输入功率必须达到6w.然而,目前一只Φ5的标准LED的输入功率通常为0.04~0.07w,远不能满足实用照明的需要.大量实践表明,LED不能加大输入功率的基本原因,是由于LED在工作过程中会放出大量的热,使管芯结温迅速上升,输入功率越高,发热效应越大.温度的升高将导致器件性能的变化与衰减,甚至失效.本文就功率器件中的升温效应对性能的影响及其如何减小这种升温效应的途径作一些简明的讨论.
二、LED器件温升估计
设芯片面积为1.2×1.2mm2,厚度为200um,GaAs衬底.由于外延层很薄,忽略外延层材料与衬底之间的差异,不考虑电极的影响,那么芯片的体积约为2.88×10×4cm3.GaAs晶体的比重为5.318（克/cm3,故芯片重量约为15.3×10-4克.设器件的工作电流为100mA,如其中约90%的电功率转变为热,那么在不考虑芯片向周围环境散热的条件下,器件在接通电流20分钟后,计算得芯片的温度可达到5×105℃,计算中使用的GaAs晶体比热数据为0.33焦耳/克.可见其温升效应的严重性.这里只是把芯片作为一个均匀的发热体加以考虑,如考虑到结处温升的集中效应,情况将更加严重.庆幸的是,在芯片的升温过程中,芯片不可能处于绝热状态,而总是以某种方式与其周围的介质或环境进行着热交换,最终达到热平衡,使芯片的温度维持在一个较低的水准上.
三、结温对LED性能的影响
1、结温对LED光输出的影响
实验指出,发红、黄光的InGaAlPLED与发蓝、绿光的InGaNLED,其光输出强度均明显依赖于器件的结温.也就是说,当LED的结温升高时,器件的输出光强度将逐渐减小;而当结温下降时,光输出强度将增大,一般情况下,这种变化是可逆与可恢复的,当温度回到原来的值,光强也会回复到原来的状态.
指出了InGaAlPLED的光输出相对量随温度的变化,这里以25℃作为器件性能的基准点.InGaAlP橙色的LED比红色的LED具有更高的温度灵敏度.当结温升至100?
C时,琥珀色器件的输出通量降去了75%.是InGaAlPLED的另一组光输出的温度数据,设25?
C时LED的值为100,那么当结温升至100?
C时,640nm、620nm与590nm的InGaAlPLED的光输出分别为原始值的42%、30%与20%.
结温对光输出影响的数学表达式如式（1所示:
ΦV（T2=ΦV（T1e-kΔT（1
其中,ΦV（T2表示结温T2的光通量输出;ΦV（T1表示结温T1的光通量输出;K为温度系数;ΔT=T2-T1.
一般情况下,K值可由实验测定,对于InGaAlPLED相关的K值如表1所示:
由上表可知,对于InGaAlPLED,温度系数仅与器件的发光波长有关,而与衬底是否透明无关,进一步的实验指出,InGaAlP的发光波长越短,K值越大.器件的出光通量随温度增加衰减得越快.对于InGaN系列的LED,出光通量随温度的变化远小于InGaAlPLED,随着发光波长变短,光输出通量随温度的变化越不明显..
式（2指出了光输出通量随结温变化的另一种表示形式
ΦT2=ΦT1e-（T2-T1/T0（2
这里T0代表一种特征温度.T0值与材料有关,实验指出,对于红色的InGaAlP
LED,T0=85?
C;对于琥珀色的InGaAlPLED,T0≈85?
C;而对于InGaNLED,T0值约为840?
C,表明InGaN器件的温度系数远小于发红、黄光的InGaAlP器件,也即光通量随温度增加而减小的速率要比InGaAlPLED小得多.
一般情况下,光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的,也即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.这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生变化,从而导致器件参数的变化.如随温度的增加,电子与空穴的浓度会增加,禁带宽度会减小,电子迁移率也将减小.这些参量的变化必须引致器件输出光通量的改变.然而当温度恢复至初态时,器件参数的表化也将随之消失,输出光通量也会恢复至初态值.
大功率器件AP-HLR-01的测试结果,每一次测量之间进行了-40℃-140℃的冷热循环老化试验.测量数据指出,每次测量的数据都能很好地重复,冷热循环老化试验也未改变器件的性能,表明在一定的条件下,LED器件的性能随电流的变化是可逆的.显然,在大电流时光效的变小是由于温度上升所引起的,当测试电流减至小电流时,光效数据又恢复到初始值.
2、高温下器件性能的衰变
在高温下,LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外,还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变.Lumileds公司型号为Luxeon大功率器件的光输出通量随时间的衰变情况,对于同一类LED器件,在相同的工作电流时,结温越高器件的输出光强衰减得越快.对于一个确定的器件而言,一般来说,结温的大小取决于工作电流与环境温度.工作电流固定以后,环境温度越高,结温就越高,器件性能的衰减速率就越快.反之,当环境温度确定后,器件的工作电流越大,结温也将越高,器件性能衰减的速率就越快.
一只典型的InGaAlP器件在不同的工作电流时,输出光通量的相对值随时间的衰减曲线.很显然,当器件的工作电流加大时,器件的光输出特性将衰变得更快.
为确保一个LED器件的正常工作条件,让器件的结温低于某一个确定的值Tj,是十分必要的.为此,当环境温度升高时,应适当减小工作电流,直至当环境温度升至临界温度Tj时,将工作电流减至零,此时结温将等于环境温度.
通常有二种原因促成高温条件下LED器件输出性能的永久性衰减,一个原因是材料内缺陷的增殖,众所周知,现代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技术在GaAs,蓝宝石等异质衬底上外延生长InGaAlP或InGaN等材料制成,为提高发光效率,外延材料均含有多层结构,由于各外延层之间存在着或多或少的晶格失配,从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷,在较高温度时,这些缺陷会快速增殖,繁衍,直至侵入发光区,形成大量的非辐射复合中心,严重降低器件的注入效率与发光效率.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器件的性能衰变.
高温时,LED封装环氧的变性,是LED性能衰变乃至失效的又一个主要原因.通常,LED用的封装环氧存在着一个重要特性,即当环氧温度超过一个特定温度Tg=125℃时,封装环氧的特性将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状物质.此时材料的膨胀系数急剧增加,形成一个明显的拐点,如图6所示.这个拐点所对应的温度即为环氧树脂的玻璃状转换温度,其值通常为125℃.当器件在此温度附近或高于此温度变化时,将发生明显的膨胀或收缩,致使芯片电板与引线受到额外的压力,而发生过度疲劳乃至脱落损坏.此外,当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温度Tg,特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐渐变性,发黄,影响封装环氧的透光性能.这是一个潜移默化的过程,随着工作时间的延长,LED将逐渐失去光泽.显然工作温度越高,这种过程将进行得越快.为解决这一困难,特别在大功率器件的制作过程中,一些先进的封装结构已摒弃了环氧树脂材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC等材料制作透镜;另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面,之间填充一种膠状的,性能稳定的透明硅胶.实践证明,通过如此改进,器件的性能与稳定度获得了明显改善.
3、结温对发光波长的影响
LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类,前者表示光强最大的波长,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.InGaAlP与InGaN材料属III-V族化合物半导体.它们的性质与GaAs相仿,当温度升高时,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如下:
λ（T2=λ（T1+ΔT℃K（nm/℃（3
其中:
λ（T2表示结温T2时的波长;λ（T1表示结温T1时的波长;K表示波长随温度变化的系数.
指出了InGaAlP与InGaN器件的主波长与峰值波长K值,由表可知,对于InGaN有
InGaAlPLED,峰值波长随温度的变化要大于主波长随温度的变化,其中InGaAlPLED尤甚.
人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大的差异,在蓝、绿、黄区域,很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化.从而对蓝、绿、黄器件的温升效应提出了更高的要求.一般来说,2~5nm的波长变化人眼就可以感觉到;而对红光波长的变化,人眼的感觉就要相对迟钝一些,但也能感觉到15nm的波长差异.为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程度,有些公司的产品将颜色与波长的关系列出了主波长的颜色仓.
显然,对于琥珀（黄颜色,由于人眼最为灵敏,因此颜色仓的波长间隔分得很细,仅为
2-3nm,但对于红色区域,其间隔扩大到15nm.这就是说,为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀度的要求较高,而红色交通灯的颜色要求相对要低得多.
4、结温对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,它的数值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InGaAlPLED的正向电压在1.8V~2.2V之间,而发蓝、绿光的InGaNLED的正向电压处在3.0V—3.5V之间.在小电流近似下,LED器件的正向压降可由式（4表示:
Vf=（nKT/qln（If/Io+RsIf（4
式中Vf为正向电压,If为正向电流,Io为反向饱和电流,q为电子电荷,K是玻尔兹曼常数,Rs是串联电阻,n是表征P/N结完美性的一个参量,处在1-2之间.分析式（4的右边发现只是反向饱和电流Io与温度密切相关,Io值随结温的升高而增大,导致正向电压Vf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,二端的正向压降与温度的关系可由式（5表示:
VfT=VfTo+K（T-To（5
式中VfT与VFTo分别表示结温为T与To时的正向压降,K是压降随温度变化的系数..
电压随温度的变化是可恢复的,但如在高温情况下,由于结区缺陷与杂质的大量增殖与集聚,也将造成额外复合电流的增加,而使正向电压下降.通常,恒流是LED工作的较好模式,如在恒压条件下,由于温升效应使正向电压下降与正向电流增加,并形成恶性循环,最终导致器件损坏.
四、减小LED温升效应的对策
LED的输入功
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