1、ledled與溫升與溫升LEDLED器件的器件的LEDLED燈溫升效應(yīng)及其對策溫升效應(yīng)及其對策文章較詳盡地闡述了結(jié)溫升高對LED光輸出強度、LEDPN結(jié)的正向電壓及發(fā)光顏色的影響。指出當(dāng)結(jié)溫升高時，輸出光強變?nèi)酰螂妷簻p小，發(fā)光波長發(fā)生紅移。在結(jié)溫升得足夠高時，這些變化將從可逆變?yōu)椴豢苫謴?fù)的永久性衰變。文章進一步指出，LED輸入功率是器件熱效應(yīng)的唯一來源，設(shè)法提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率及提高器件的散熱能力是減小LED溫升效應(yīng)的主要途徑。一

2、、引言眾所周知，LED是一種電發(fā)光器件，其基本的物理過程是電能向光能的轉(zhuǎn)變。所謂提高LED的功率，即是提高電輸入能量，同時又能獲得盡可能大的光功率輸出。通常將單位輸入功率所產(chǎn)生的光能（光通量）謂之光電轉(zhuǎn)換功率，簡稱光效。早期的LED由于光效很低（0.1lmw），亮度很低，通常只用于表示亮、暗的狀態(tài)，作指示燈之用。上世紀(jì)九十年代初，超高亮四元系LED的出現(xiàn)，使器件亮度有了數(shù)量級的增長，特別是緊接著的GaN基藍、綠光及白光LED的出現(xiàn)，使L

3、ED的應(yīng)用方向發(fā)生了巨大的改變。固態(tài)照明已成為21世紀(jì)人類追求的重要目標(biāo)。顯然，不斷地提高LED的輸入功率與發(fā)光效率是實現(xiàn)通用照明的必由之路。假設(shè)LED的光效為100lmw，那么要達到一只40支光（瓦）的白熾燈所發(fā)出的600lm的光通量，LED的輸入功率必須達到6w。然而，目前一只Φ5的標(biāo)準(zhǔn)LED的輸入功率通常為0.04～0.07w，遠不能滿足實用照明的需要。大量實踐表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過程中會放出

4、大量的熱，使管芯結(jié)溫迅速上升，輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性能的變化與衰減，甚至失效。本文就功率器件中的升溫效應(yīng)對性能的影響及其如何減小這種升溫效應(yīng)的途徑作一些簡明的討論。二、LED器件溫升估計設(shè)芯片面積為1.21.2mm2，厚度為200um，GaAs襯底。由于外延層很薄，忽略外延層材料與襯底之間的差異，不考慮電極的影響，那么芯片的體積約為2.88104cm3。GaAs晶體的比重為5.318（克cm3），故芯片重量約

5、為15.3104克。設(shè)器件的工作電流為100mA，如其中約90％的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，那么在不考慮芯片向周圍環(huán)境散熱的條件下，器件在接通電流20分鐘后，計算得芯片的溫度可達到5105C，計算中使用的GaAs晶體比熱數(shù)據(jù)為0.33焦耳克度?？梢娖錅厣?yīng)的嚴(yán)重性。這里只是把芯片作為一個均勻的發(fā)熱體加以考慮，如考慮到結(jié)處溫升的集中效應(yīng)，情況將更加嚴(yán)重。慶幸的是，在芯片的升溫過程中，芯片不可能處于絕熱狀態(tài)，而總是以某種方式與其周圍的介質(zhì)或環(huán)境進行

6、著熱交換，最終達到熱平衡，使芯片的溫度維持在一個較低的水準(zhǔn)上。三、結(jié)溫對LED性能的影響1、結(jié)溫對LED光輸出的影響實驗指出，發(fā)紅、黃光的InGaAlPLED與發(fā)藍、綠光的InGaNLED，其光輸出強度可恢復(fù)的永久性的衰變。圖3指出了Lumileds公司型號為Luxeon大功率器件的光輸出通量隨時間的衰變情況。由圖可見，對于同一類LED器件，在相同的工作電流時，結(jié)溫越高器件的輸出光強衰減得越快。對于一個確定的器件而言，一般來說，結(jié)溫的大

7、小取決于工作電流與環(huán)境溫度。工作電流固定以后，環(huán)境溫度越高，結(jié)溫就越高，器件性能的衰減速率就越快。反之，當(dāng)環(huán)境溫度確定后，器件的工作電流越大，結(jié)溫也將越高，器件性能衰減的速率就越快。圖4指出了一只典型的InGaAlP器件在不同的工作電流時，輸出光通量的相對值隨時間的衰減曲線。很顯然，當(dāng)器件的工作電流加大時，器件的光輸出特性將衰變得更快。為確保一個LED器件的正常工作條件，讓器件的結(jié)溫低于某一個確定的值Tj，是十分必要的。為此，當(dāng)環(huán)境溫度

8、升高時，應(yīng)適當(dāng)減小工作電流，直至當(dāng)環(huán)境溫度升至臨界溫度Tj時，將工作電流減至零，此時結(jié)溫將等于環(huán)境溫度，如圖5所示。通常有二種原因促成高溫條件下LED器件輸出性能的永久性衰減，一個原因是材料內(nèi)缺陷的增殖，眾所周知，現(xiàn)代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技術(shù)在GaAs，藍寶石等異質(zhì)襯底上外延生長InGaAlP或InGaN等材料制成，為提高發(fā)光效率，外延材料均含有多層結(jié)構(gòu)，由于各外延層之間存在著或多或少的晶格失配，從而在界面上形成大量的諸

9、如位錯等結(jié)構(gòu)缺陷，在較高溫度時，這些缺陷會快速增殖，繁衍，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重降低器件的注入效率與發(fā)光效率。另外，在高溫條件下，材料內(nèi)的微缺陷及來自界面與電板的快擴雜質(zhì)也會引入發(fā)光區(qū)，形成大量的深能級，同樣會加速LED器件的性能衰變。高溫時，LED封裝環(huán)氧的變性，是LED性能衰變乃至失效的又一個主要原因。通常，LED用的封裝環(huán)氧存在著一個重要特性，即當(dāng)環(huán)氧溫度超過一個特定溫度Tg=125C時，封裝環(huán)氧的特性將從

10、一種剛性的類玻璃狀態(tài)轉(zhuǎn)變成一種柔軟的似橡膠態(tài)狀物質(zhì)。此時材料的膨脹系數(shù)急劇增加，形成一個明顯的拐點，如圖6所示。這個拐點所對應(yīng)的溫度即為環(huán)氧樹脂的玻璃狀轉(zhuǎn)換溫度，其值通常為125C。當(dāng)器件在此溫度附近或高于此溫度變化時，將發(fā)生明顯的膨脹或收縮，致使芯片電板與引線受到額外的壓力，而發(fā)生過度疲勞乃至脫落損壞。此外，當(dāng)環(huán)氧處于較高溫度時（即使未超過轉(zhuǎn)變溫度Tg），特別是與芯片臨近部分的封裝環(huán)氧會逐漸變性，發(fā)黃，影響封裝環(huán)氧的透光性能。這是一個

11、潛移默化的過程，隨著工作時間的延長，LED將逐漸失去光澤。顯然工作溫度越高，這種過程將進行得越快。為解決這一困難，特別在大功率器件的制作過程中，一些先進的封裝結(jié)構(gòu)已摒棄了環(huán)氧樹脂材料而改用一些性能更為穩(wěn)定的諸如玻璃、PC等材料制作透鏡；另一個重要方法是讓環(huán)氧不直接接觸芯片表面，之間填充一種膠狀的，性能穩(wěn)定的透明硅膠。實踐證明，通過如此改進，器件的性能與穩(wěn)定度獲得了明顯改善。3、結(jié)溫對發(fā)光波長的影響LED的發(fā)光波長一般可分成峰值波長與主波