LED結(jié)溫與光色參數(shù)的關(guān)系及結(jié)溫極限

張 波，俞安琪

(國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海)， 國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201114)

引言

在對LED封裝模組進(jìn)行檢測時我們發(fā)現(xiàn)其色溫，光衰和光效與其結(jié)溫有著顯著的關(guān)系，而多數(shù)企業(yè)在設(shè)計產(chǎn)品時，用LED封裝模組的特征點溫度來替代結(jié)溫、過分的強調(diào)光效，從而會引起設(shè)計目的與實際使用的偏差。通過對IES TM-21-11、IES LM-80-15、IES LM-85-14等標(biāo)準(zhǔn)以及文獻(xiàn)的研究[1-6]，我們結(jié)合測試LED結(jié)溫及光色參數(shù)的結(jié)果，闡述了它們之間的關(guān)系，為照明產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的燈具設(shè)計提供可參考的思路。

1 LED熱阻、光輻射通量及結(jié)溫的分析

我們對國內(nèi)外較多批量的LED封裝模組進(jìn)行了結(jié)溫、光輻射通量、熱阻和光效等項目的試驗，通過對試驗結(jié)果的歸納整理，挑選具有共性的數(shù)值分析如下：

1)LED熱阻的計算。電子行業(yè)用的熱阻計算公式是Rth=|t2-t1|/P，式中|t2-t1|是器件上兩個溫度測量點之間的溫度差的絕對值；P是施加在電子器件上的電功率。但該公式只適應(yīng)于整流二極管或普通的功率型集成電路的熱阻計算。當(dāng)電功率施加到LED上并使它正常工作時，這些電功率產(chǎn)生兩部分能量，光輻射通量和熱量，所以對于照明用LED的熱阻計算公式應(yīng)該是Rth=|t2-t1|/(P-Pvis),式中Pvis是光輻射功率。從表1的數(shù)據(jù)可看出，熱阻隨著結(jié)溫的升高而升高，到了115 ℃后上升明顯。

表1 熱阻隨結(jié)溫變化的數(shù)值Table 1 Thermal resistance values change with junction temperature

2)LED的光輻射效率。LED的設(shè)計制造水平越高，Pvis/P的比值(即光輻射效率)越高，在相同的條件下其發(fā)熱就會明顯地減小，對散熱的要求就會降低。而因為光輻射效率的提高所以通過熒光粉層后輸出的光效lm/W也相應(yīng)提高[1-2]。

3)Pvis/P的比值是個變量。表1的數(shù)據(jù)模組在恒定的0.263 A工作條件下測量得到，隨著結(jié)溫tj從55 ℃上升到145 ℃(可以理解成環(huán)境溫度的升高造成tc(tp)上升)，從表1測量的數(shù)據(jù)可以看出Pvis/P的比值是一個變量。隨著結(jié)溫tj的升高，LED內(nèi)部因電極引線電阻造成的損耗和俄歇(Auger)[1]現(xiàn)象造成的損耗都在增加，所以Pvis/P的比值也明顯地下降。從實測數(shù)據(jù)表1 可以看出：①因為tj上升，模組電壓略有下降(負(fù)電壓溫度特性)，在恒流的情況下造成功率略有下降。②熱阻明顯上升，光輻射功率Pvis明顯下降，造成Pvis/P的比值明顯下降。③Pvis/P比值的下降意味著模組光電轉(zhuǎn)換的效率下降，發(fā)熱功率增加；并且藍(lán)峰明顯紅移。④Pvis/P的比值的變小造成LED模組的光效的降低。

從表1的最后一列也可以看出，隨著tj結(jié)溫的升高光輻射效率的下降，LED 模組的光效也明顯地下降。

4)LED模組永久性變色的極限溫度。圖3是某一國際著名的封裝模組樣品，使其結(jié)溫由60 ℃上升到140 ℃，然后再回落到60 ℃做出的各有關(guān)參數(shù)及坐標(biāo)曲線，圖1是光效與結(jié)溫的關(guān)系曲線，當(dāng)結(jié)溫是60 ℃時，光效為122 lm/W；當(dāng)結(jié)溫是140 ℃時，光效為100 lm/W。當(dāng)結(jié)溫下降并且回落到60 ℃時，光效基本恢復(fù)到原來的數(shù)值。但是從圖2和圖3可以看到，在結(jié)溫回復(fù)到60 ℃時，Y坐標(biāo)沒有出現(xiàn)明顯的偏離，但是X坐標(biāo)出現(xiàn)了明顯的偏離。從圖4的坐標(biāo)里可以明顯地看到色坐標(biāo)的永久性偏離。另從實驗數(shù)據(jù)看此時藍(lán)峰基本回復(fù)到原來的位置，這說明該封裝模組高結(jié)溫時熒光粉與硅膠涂層已經(jīng)變性并且留下不可逆的損傷[3-4]。

圖1 結(jié)溫與光效的關(guān)系曲線Fig.1 Curve of junction temperature and luminous efficiency

圖2 結(jié)溫與X坐標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.2 Curve of junction temperature and X axis

圖3 結(jié)溫與Y坐標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.3 Curve of junction temperature and Y axis

圖4 國際品牌CXM-9-30-90-36-AA10-F3-3-XY結(jié)溫與色坐標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.4 Curve of junction temperature and color coordinates of international brand CXM-9-30-90-36-AA10-F3-3-XY

但是，也有一些國際品牌和國內(nèi)品牌的LED封裝模組的高溫特性做得很好，當(dāng)結(jié)溫從80 ℃上升到140 ℃再回復(fù)到80 ℃時，其色坐標(biāo)幾乎沒有偏離，這說明該封裝模組在經(jīng)歷了140 ℃結(jié)溫并且持續(xù)一段時間后，其熒光粉與硅膠涂層基本沒有出現(xiàn)變性的現(xiàn)象。

值得指出的是，LED封裝模組在汽車前大燈、體育場投光燈、高速路交叉處的高桿燈及鎢絲燈狀LED燈等使用場合，因為其內(nèi)部的LED都工作在較高的結(jié)溫狀態(tài)，如果再受到環(huán)境溫度升高和/或電源電壓上升等因素的影響，封裝模組的結(jié)溫完全可能上升到140 ℃甚至更高，在這種使用場合就必須考慮封裝模組的耐高溫特性，以確保LED照明器具的光衰及色偏移指標(biāo)能符合預(yù)期的要求。但是，并不是在任何場合都需要LED封裝模組具有好的耐高溫特性，因為LED封裝模組的指標(biāo)有很多項并且是相互關(guān)聯(lián)的，往往某些LED封裝模組具有好的耐高溫特性，但是光效、顯色性等指標(biāo)不夠理想，所以對于工作結(jié)溫處于遠(yuǎn)離變性溫度的一些照明器具，可以不用考慮這一因素，而應(yīng)著重考慮其他要素。

2 LED結(jié)溫的變化與照明產(chǎn)品的參數(shù)變化

一般企業(yè)都具備測量LED特征點溫度tp(tc)點溫度的能力。如果根據(jù)上面的要求在模組的工作點上獲得正確標(biāo)注出tp(tc)點溫度后，設(shè)計人員可根據(jù)燈具的結(jié)構(gòu)，設(shè)計合適的散熱器和結(jié)構(gòu)，以保證LED燈具在ta(tq)的環(huán)境溫度和正常使用的條件下，連續(xù)工作達(dá)到熱平衡時，燈具內(nèi)小環(huán)境里的LED封裝模組工作于工作點并且其tp(tc)點的實測溫度不高于其標(biāo)注溫度，那么，該燈具就基本能達(dá)到預(yù)期的光衰和使用壽命。

1)實際燈具產(chǎn)品經(jīng)常發(fā)生的錯誤。實際上封裝模組在照明器具內(nèi)的工作點往往明顯偏離預(yù)期的工作點，而設(shè)計研發(fā)人員基本只經(jīng)過主觀的認(rèn)識估算模組的結(jié)溫，往往只用模組引線腳的溫升或溫度來估算。模組引線腳可以設(shè)定為tp(tc)點，但是，這經(jīng)常會造成差之絲毫，失之千里的后果。圖5是控制住tp(tc)點溫度進(jìn)行的專門試驗，從圖5可以看到，隨著驅(qū)動電流從0.5 A上升到1.2 A，結(jié)溫tj與特征點溫度tp(tc)的差異也由18.12 K上升到46.89 K。這不僅關(guān)系到光效、光衰壽命和色漂移，而且還關(guān)系到照明產(chǎn)品的性價比。在實際應(yīng)用，當(dāng)驅(qū)動電流增大和/或環(huán)境溫度升高造成結(jié)溫上升時，前面講的Pvis/P的比值和光效也明顯下降，這就意味著在相同的輸入電功率的情況下產(chǎn)生熱的比例上升了，這進(jìn)一步增加了散熱的負(fù)擔(dān)，這是一種加速惡化的過程，如果在這過程中封裝模組與主散熱器之間因為熱脹冷縮太過劇烈又造成了接觸面產(chǎn)生裂縫，哪怕這種裂縫很微小，也會造成災(zāi)難性后果。很多國際品牌的模組供應(yīng)商都抱怨燈具企業(yè)不正確使用造成模組的過熱損壞，通過分析、觀察，這些過熱損壞基本都是由這一問題所引起的[5]。

圖5 結(jié)溫tj與特征點溫度tp(tc)的關(guān)系Fig.5 The relationship of junction temperature tj and of characteristic point temperature tp(tc)

2)發(fā)生在鎢絲燈狀的LED球泡燈的情況。發(fā)生在鎢絲燈狀的LED球泡燈的情況是比較典型的結(jié)溫tj與LED特征點溫度tp(tc)不太相關(guān)的例子。

鎢絲燈狀的LED球泡燈(圖6)，輸入電壓：218 V；電流：11 mA；環(huán)境溫度：26.7 ℃(圖7線C)；外殼溫度：41.8 ℃(圖7線B)；結(jié)溫： 114.54 ℃(圖7線A)。測試時間：2 h。測量結(jié)果見圖7及圖8。

圖6 鎢絲燈狀的LED球泡燈Fig.6 LED bulb like lncandescent lamp

圖7 鎢絲燈狀LED燈的結(jié)溫測量數(shù)據(jù)Fig.7 Junction temperature of LED bulb like lncandescent lamp

圖8 破壞封口前后的結(jié)溫變化Fig.8 The junction temperature change between before and after damdage the seal

鎢絲燈狀LED燈的光效及光衰基本由結(jié)溫確定，但是與是否充入氦氣有很大的關(guān)系。另外與氣體配比成分、壓力等也很相關(guān)。圖7是充入氦氣燈的測量情況，可以看出當(dāng)環(huán)境溫度為26.7 ℃時，結(jié)溫穩(wěn)定在114.5 ℃。從圖8(a)可以看出，當(dāng)破壞燈封口造成氦氣泄漏時，結(jié)溫立刻大幅上升，從原來的111.66 ℃上升到圖8(b)161.75 ℃，在漏氣后的結(jié)溫下，光效大幅下降，L70光衰不到3 000 h。

從表2的數(shù)據(jù)可看出，有沒有充氣結(jié)溫tj相差約50 ℃，而玻殼上的特征點溫度tp(tc)僅差2 ℃。所以這時候絕對不能用tp(tc)的溫度來估算tj。

表2 鎢絲燈狀LED燈正常、漏氣的相關(guān)測量數(shù)據(jù)Table 2 The normal and leakage test data of LED bulb Like lncandescent lamp

3 結(jié)溫測量的誤區(qū)

處于正常工作的LED封裝模組其PN結(jié)晶片是看不見，也觸摸不到的，所以只能通過間接的方法測量結(jié)溫。目前最準(zhǔn)確的方法是利用LED正向電壓降與結(jié)溫的關(guān)系來標(biāo)定該曲線并測量。另外的利用藍(lán)峰紅移來測量結(jié)溫的方法因為藍(lán)峰每紅移1 nm溫度將相差10多攝氏度而造成測量精度無法滿足需求。但有企業(yè)把小型熱電偶穿過熒光粉與硅膠的涂層，使熱電偶直接貼到晶片上，他們認(rèn)為這樣就能準(zhǔn)確測量出結(jié)溫。但是忽略了該熱電偶測量點擋住了LED的光輻射，這些被擋住的光輻射能量在該測量點上又產(chǎn)生了附加的熱量，所以必然得出遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實際的錯誤數(shù)據(jù)及結(jié)論。恰當(dāng)?shù)睦邮请x地面較高的上空有一個同溫層，該同溫層無論地面四季的變化溫度總是定格在-50～-70 ℃之間，按一般的理解是該同溫層較地面來說離太陽更近，而且空氣稀薄，較地面來說受到的太陽的光輻射量也更大，但是為什么溫度反而比地面低呢？其中一個最主要原因是同溫層空氣稀薄，幾乎不能阻擋和接收到太陽的光輻射量，所以其溫度基本是低且穩(wěn)定的。當(dāng)有實物出現(xiàn)在那里并且接收太陽的光輻射能量時，該實物的溫度就會明顯地升高[6]。

4 驅(qū)動電路散熱與光閃爍

提到光閃爍和頻閃，人們自然就會聯(lián)想到LED驅(qū)動電路輸出電流的波動性，但是，現(xiàn)實的LED照明燈具往往會因為驅(qū)動電路散熱不良或工作環(huán)境過熱而造成電解電容容量衰退從而導(dǎo)致LED輸出光的閃爍，這是一種與供電電源頻率無關(guān)的另一類的頻閃。產(chǎn)生這類頻閃的主要原因是LED驅(qū)動電路散熱不良或工作環(huán)境過熱造成整流濾波電解電容內(nèi)的電解質(zhì)逐步干枯從而使電容量大幅下降，這使得整流濾波電路的固有的內(nèi)阻抗與濾波電解電容組成的電路的時間常數(shù)(RC)大幅下降；又因為LED的正向特性，所以這兩者配在一起工作時，LED兩端的工作電壓在一個范圍內(nèi)反復(fù)波動，LED工作點也在其正向特性曲線上來回移動，造成輸出光的閃爍。又因為這種光閃爍的頻率一般都在幾十赫茲，而且隨著電解電容容量的衰退光閃爍的頻率和深度也在改變，所以對使用者的影響很大。在一些地下人行通道、地下停車場及大樓內(nèi)通道中可經(jīng)常見到這種情況。解決的辦法是改善LED驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)、通風(fēng)及散熱和/或提高電解電容的tc值。

5 結(jié)論

1)LED封裝模組所聲稱的光效、光色、光衰等參數(shù)都是相對于在規(guī)定的熱環(huán)境和驅(qū)動電流的條件下而言的，如果偏離了該規(guī)定的工作點，其光效、光色、光衰及電參數(shù)都會偏離預(yù)期的使用目標(biāo)甚至出現(xiàn)照明產(chǎn)品內(nèi)LED模組或封裝的嚴(yán)重色偏離、光衰甚至失效。

2)LED封裝模組的結(jié)溫tj是LED產(chǎn)品的核心參數(shù)，當(dāng)LED模組或封裝偏離了規(guī)定的工作點時，在沒有掌握結(jié)溫tj與特征點溫度tc(tp)及環(huán)境溫度ta的相互關(guān)系曲線時，絕對不可以根據(jù)特征點(例如引出腳)溫度tc(tp)的變化來估算結(jié)溫tj，否則因不知道實際結(jié)溫tj而使照明產(chǎn)品的參數(shù)明顯偏離預(yù)期的指標(biāo)甚至造成照明產(chǎn)品的嚴(yán)重光衰、變色和早期失效。

[1] 汪延明，徐林煒，談健，等.InGaN基發(fā)光二極管光效下降效應(yīng)研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012(49)：15-21.

[2] Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources：IES TM-21-11.

[3] Measuring Luminous Flux and Color Maintenance of LED Packages, Arrays and Modules：IES LM-80-15.

[4] 邱躍龍，李宇翔，吳晗，等.燈溫對LED照明產(chǎn)品光電參數(shù)的影響[J].光源與照明，2015(2)：25-28.

[5] Electrical and Photometric Measurements of High-Power LEDs：IES LM-85-14.

[6] 魏玥峰，徐敏偉，沈遠(yuǎn)遠(yuǎn). 一種半導(dǎo)體發(fā)光二級管熱可靠性機理及評價方法的研究[J].光源與照明，2016(1)：4-6.