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(guó)家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海)， 國(guó)家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海時(shí)代之光照明電器檢測(cè)有限公司，上海 201114)

引言

在對(duì)LED封裝模組進(jìn)行檢測(cè)時(shí)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(jì)產(chǎn)品時(shí)，用LED封裝模組的特征點(diǎn)溫度來(lái)替代結(jié)溫、過(guò)分的強(qiáng)調(diào)光效，從而會(huì)引起設(shè)計(jì)目的與實(shí)際使用的偏差。通過(guò)對(duì)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(cè)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(jì)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(duì)國(guó)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(xiàng)目的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)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(jì)算。電子行業(yè)用的熱阻計(jì)算公式是Rth=|t2-t1|/P，式中|t2-t1|是器件上兩個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)之間的溫度差的絕對(duì)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(jì)算。當(dāng)電功率施加到LED上并使它正常工作時(shí)，這些電功率產(chǎn)生兩部分能量，光輻射通量和熱量，所以對(duì)于照明用LED的熱阻計(jì)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(jì)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(huì)明顯地減小，對(duì)散熱的要求就會(huì)降低。而因?yàn)楣廨椛湫实奶岣咚酝ㄟ^(guò)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(gè)變量。表1的數(shù)據(jù)模組在恒定的0.263 A工作條件下測(cè)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(cè)量的數(shù)據(jù)可以看出Pvis/P的比值是一個(gè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表1 可以看出：①因?yàn)閠j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(guó)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(shí)，光效為122 lm/W；當(dāng)結(jié)溫是140 ℃時(shí)，光效為100 lm/W。當(dāng)結(jié)溫下降并且回落到60 ℃時(shí)，光效基本恢復(fù)到原來(lái)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(shí)，Y坐標(biāo)沒(méi)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看此時(shí)藍(lán)峰基本回復(fù)到原來(lái)的位置，這說(shuō)明該封裝模組高結(jié)溫時(shí)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(guó)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(guó)際品牌和國(guó)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(shí)，其色坐標(biāo)幾乎沒(méi)有偏離，這說(shuō)明該封裝模組在經(jīng)歷了140 ℃結(jié)溫并且持續(xù)一段時(shí)間后，其熒光粉與硅膠涂層基本沒(méi)有出現(xiàn)變性的現(xiàn)象。

值得指出的是，LED封裝模組在汽車(chē)前大燈、體育場(chǎng)投光燈、高速路交叉處的高桿燈及鎢絲燈狀LED燈等使用場(chǎng)合，因?yàn)槠鋬?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(chǎng)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(chǎng)合都需要LED封裝模組具有好的耐高溫特性，因?yàn)長(zhǎng)ED封裝模組的指標(biāo)有很多項(xiàng)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(duì)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(cè)量LED特征點(diǎn)溫度tp(tc)點(diǎn)溫度的能力。如果根據(jù)上面的要求在模組的工作點(diǎn)上獲得正確標(biāo)注出tp(tc)點(diǎn)溫度后，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)燈具的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shí)，燈具內(nèi)小環(huán)境里的LED封裝模組工作于工作點(diǎn)并且其tp(tc)點(diǎn)的實(shí)測(cè)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(shí)際燈具產(chǎn)品經(jīng)常發(fā)生的錯(cuò)誤。實(shí)際上封裝模組在照明器具內(nèi)的工作點(diǎn)往往明顯偏離預(yù)期的工作點(diǎn)，而設(shè)計(jì)研發(fā)人員基本只經(jīng)過(guò)主觀的認(rèn)識(shí)估算模組的結(jié)溫，往往只用模組引線腳的溫升或溫度來(lái)估算。模組引線腳可以設(shè)定為tp(tc)點(diǎn)，但是，這經(jīng)常會(huì)造成差之絲毫，失之千里的后果。圖5是控制住tp(tc)點(diǎn)溫度進(jìn)行的專(zhuān)門(mén)試驗(yàn)，從圖5可以看到，隨著驅(qū)動(dòng)電流從0.5 A上升到1.2 A，結(jié)溫tj與特征點(diǎn)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?xún)r(jià)比。在實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增大和/或環(huán)境溫度升高造成結(jié)溫上升時(shí)，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(guò)程，如果在這過(guò)程中封裝模組與主散熱器之間因?yàn)闊崦浝淇s太過(guò)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(huì)造成災(zāi)難性后果。很多國(guó)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(guò)熱損壞，通過(guò)分析、觀察，這些過(guò)熱損壞基本都是由這一問(wèn)題所引起的[5]。

圖5 結(jié)溫tj與特征點(diǎn)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(diǎn)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(cè)試時(shí)間：2 h。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)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(cè)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(cè)量情況，可以看出當(dāng)環(huán)境溫度為26.7 ℃時(shí)，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(shí)，結(jié)溫立刻大幅上升，從原來(lái)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(méi)有充氣結(jié)溫tj相差約50 ℃，而玻殼上的特征點(diǎn)溫度tp(tc)僅差2 ℃。所以這時(shí)候絕對(duì)不能用tp(tc)的溫度來(lái)估算tj。

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

3 結(jié)溫測(cè)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(jiàn)，也觸摸不到的，所以只能通過(guò)間接的方法測(cè)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(lái)標(biāo)定該曲線并測(cè)量。另外的利用藍(lán)峰紅移來(lái)測(cè)量結(jié)溫的方法因?yàn)樗{(lán)峰每紅移1 nm溫度將相差10多攝氏度而造成測(cè)量精度無(wú)法滿足需求。但有企業(yè)把小型熱電偶穿過(guò)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(cè)量出結(jié)溫。但是忽略了該熱電偶測(cè)量點(diǎn)擋住了LED的光輻射，這些被擋住的光輻射能量在該測(cè)量點(diǎn)上又產(chǎn)生了附加的熱量，所以必然得出遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際的錯(cuò)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(gè)同溫層，該同溫層無(wú)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(lái)說(shuō)離太陽(yáng)更近，而且空氣稀薄，較地面來(lái)說(shuō)受到的太陽(yáng)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(gè)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(yáng)的光輻射量，所以其溫度基本是低且穩(wěn)定的。當(dāng)有實(shí)物出現(xiàn)在那里并且接收太陽(yáng)的光輻射能量時(shí)，該實(shí)物的溫度就會(huì)明顯地升高[6]。

4 驅(qū)動(dòng)電路散熱與光閃爍

提到光閃爍和頻閃，人們自然就會(huì)聯(lián)想到LED驅(qū)動(dòng)電路輸出電流的波動(dòng)性，但是，現(xiàn)實(shí)的LED照明燈具往往會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路散熱不良或工作環(huán)境過(guò)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(wú)關(guān)的另一類(lèi)的頻閃。產(chǎn)生這類(lèi)頻閃的主要原因是LED驅(qū)動(dòng)電路散熱不良或工作環(huán)境過(guò)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(shí)間常數(shù)(RC)大幅下降；又因?yàn)長(zhǎng)ED的正向特性，所以這兩者配在一起工作時(shí)，LED兩端的工作電壓在一個(gè)范圍內(nèi)反復(fù)波動(dòng)，LED工作點(diǎn)也在其正向特性曲線上來(lái)回移動(dòng)，造成輸出光的閃爍。又因?yàn)檫@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(duì)使用者的影響很大。在一些地下人行通道、地下停車(chē)場(chǎng)及大樓內(nèi)通道中可經(jīng)常見(jiàn)到這種情況。解決的辦法是改善LED驅(qū)動(dòng)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(chēng)的光效、光色、光衰等參數(shù)都是相對(duì)于在規(guī)定的熱環(huán)境和驅(qū)動(dòng)電流的條件下而言的，如果偏離了該規(guī)定的工作點(diǎn)，其光效、光色、光衰及電參數(shù)都會(huì)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(diǎn)時(shí)，在沒(méi)有掌握結(jié)溫tj與特征點(diǎn)溫度tc(tp)及環(huán)境溫度ta的相互關(guān)系曲線時(shí)，絕對(duì)不可以根據(jù)特征點(diǎn)(例如引出腳)溫度tc(tp)的變化來(lái)估算結(jié)溫tj，否則因不知道實(shí)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(duì)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(jí)管熱可靠性機(jī)理及評(píng)價(jià)方法的研究[J].光源與照明，2016(1)：4-6.