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温度升高对 LED各光电参数及可靠性的影响2011/6/30 作者：未知 来源：电子元件技术导读：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标签：可靠性 结温 LED 寿命 光通量 光效 光色 配光曲线 色温 显色性 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 T1 时的光通量(lm); 表示结温 T2 时的光通量(lm);K 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：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 5.0×10-3k 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 T1 时的波长 (nm); 表示结温 T2 时的波长 (nm);K 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，Vf 为正向电压，If 为正向电流，I0 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 之间式(3)的右边只有反向饱和电流 I0 与温度密切相关，I0 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，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 T2 与 T1 时的正向压降，K 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。