透过LED光衰预测LED寿命.docx

一切事物都有发生、发展和消亡的过程，led也不例外，是有一定寿命的。早期的led只是手电筒、台灯这类的礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。但是现在led已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的led路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。过去认为led寿命一定就是10万小时的神话似乎彻底破灭了。那么到底问题出在哪里呢？假如不考虑电源和驱动的故障，led的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为其寿命。那么led的寿命能不能预测呢？这个问题无法简单地回答，需要从头讲起。1、led的光衰大多数白色led是由蓝色led照射黄色荧光粉而得到的。引起led光衰的主要原因有两个，一个是蓝光led本身的光衰，蓝光led的光衰远比红光、黄光、绿光led要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。各种品牌的led它的光衰是不同的。通常led的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如美国cree公司的光衰曲线就如图1所示。图1：cree公司的led的光衰曲线从图中可以看出，led的光衰是和它的结温有关，所谓结温就是半导体pn结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图上可以看出，假如结温为105度，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。不过这些数据只适合于cree的led。并不适合于其他公司的led。例如lumiled公司的luxeonk2的光衰曲线就如图2所示。图2：lumiled 公司的luxeonk2的光衰曲线当结温从115提高到135，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。 其他各家公司的光衰曲线应当可以向原厂索取。2、如何才能延长led的寿命由图中可以得出结论，要延长其寿命的关键是要降低其结温。而降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及时地把led产生的热散发出去。在这里我们不准备讨论如何设计散热器的问题，而是要讨论哪一个散热器的散热效果相对比较好的问题。实际上，这是一个结温的测量问题，假如我们能够测量任何一种散热器所能达到的结温，那么不但可以比较各种散热器的散热效果，而且还能知道采用这种散热器以后所能实现的led寿命。3、如何测量结温结温看上去是一个温度测量问题，可是要测量的结温在led的内部，总不能拿一个温度计或热电偶放进pn结来测量它的温度。当然它的外壳温度还是可以用热电偶测量的，然后根据给出的热阻rjc（结到外壳），可以推算出它的结温。但是在安装好散热器以后，问题就又变得复杂起来了。因为通常led是焊接到铝基板，而铝基板又安装到散热器上，假如只能测量散热器外壳的温度，那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包括rjc（结到外壳），rcm（外壳到铝基板，其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻），rms（铝基板到散热器），rsa（散热器到空气），其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。图3给出了led到散热器各个热阻的示意图。其中合并了很多热阻，使得其精确度更加受到限制。也就是说，要从测得的散热器表面温度来推测结温的精确度就更差。图3：led到散热器各个热阻的示意图幸好有一个间接测量温度的方法，那就是测量电压。那么结温和哪个电压有关呢？这个关系又是怎么样的呢？我们首先要从led的伏安特性讲起。4、led伏安特性的温度系数我们知道led是一个半导体二极管，它和所有二极管一样具有一个伏安特性，也和所有的半导体二极管一样，这个伏安特性有一个温度特性。其特点就是当温度上升的时候，伏安特性左移。图4中画出了led的伏安特性的温度特性。图4：led伏安特性的温度特性假定对led以io恒流供电，在结温为t1时，电压为v1，而当结温升高为t2时，整个伏安特性左移，电流io不变，电压变为v2。这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以mv/c表示。对于普通硅二极管，这个温度系数大约为-2mv/c。但是led大多数不是用硅材料制成的，所以它的温度系数也要另外去测定。幸好各家led厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。例如对于cree公司的xlamp7090xr-e大功率led，其温度系数为-4mv/c。要比普通硅二极管大2倍。至于美国普瑞的阵列led（bxra）就给出了更为详细的数据。但是，他们给出的数据，其范围也未免过于宽大，以至于失去了利用的价值。不管怎样，只要知道led的温度系数就很容易可以从测量led的前向电压中推算出led的结温了。5、如何具体测算led的结温现在就以cree公司的xlamp7090xr-e为例。来说明如何具体测算led的结温。要求已经把led安装到散热器里，并且是采用恒流驱动器作为电源。同时要把连接到led去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端（led的正极和负极），然后接通电源，趁led还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于v1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，led两端的电压，相当于v2。把这两个值相减，得出其差值。再被4mv去除一下，就可以得出结温了。实际上，led多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的led所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的led数目再去除以4mv，就可以得到其结温。例如，led是10串2并，第一次测得的电压为33v，第二次热平衡后测得的电压为30v，电压差为3v。这个数字先要除以所串联的led个数（10个），得到0.3v，再除以4mv，可以得到75度。假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的结温就应当是95度。采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。6、如何来预测这个灯具的寿命从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图1的曲线，就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到led的寿命为2万小时了。但是，这种方法用于室内的led灯具还有一定的可信度，如果应用到室外的led灯具，尤其是大功率led路灯，那里还有很多不确定因素。最大的问题是led路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使led的寿命降低。紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。很明显，伏安特性左移越小的散热器，其散热效果就越好。另外，对于预测室内led灯具的寿命也还是有一定的准确度的。 作者：茅于海led知识大全：led散热附详细图表led的散热现在越来越为人们所重视，这是因为led的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10寿命会延长2倍。从cree公司发布的光衰和结温的关系图（图1）中可以看出，结温假如能够控制在65c，那么其光衰至70的寿命可以高达10万小时！这是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗？是的，只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到！遗憾的是，现在实际的led灯的散热和这个要求相去甚远！以致led灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题，所以必须要认真对待！图1：光衰和结温的关系(点击图片放大) 而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如cree公司的xlamp7090xr-e的发光量和结温的关系如图2所示。图2：结温和发光量的关系(点击图片放大) 假如以结温为25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%；结温为100度时就下降到80%；140度就只有70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。 除此以外led的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大（恒压供电时）；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，led的散热是led灯具的设计中最为重要的一个问题。 第一部分led芯片的散热 一.结温是怎么产生的 led发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。led的光效目前只有100lm/w，其电光转换效率大约只有2030%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。 具体来说，led结温的产生是由于两个因素所引起的。 1内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使pn区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90。 2内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30左右，大部分都转化为热量了。 虽然白炽灯的光效很低，只有15lm/w左右，但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去，因为大部分的辐射能是红外线，所以光效很低，但是却免除了散热的问题。二.led芯片到底板的散热 led芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而led本身的热容量很小，所以必须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面，人们在led的芯片结构上进行了很多改进。 为了改善led芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。早期的led只是采用si硅作为衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好，（在100c时约为25w/（m-k），为了改善衬底的散热，cree公司采用碳化硅硅衬底，它的导热性能（490w/（m-k）要比蓝宝石高将近20倍。而且蓝宝石要使用银胶固晶，而银胶的导热也很差。而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。目前只有cree公司生产以碳化硅为衬底的led。图3：蓝宝石和碳化硅衬底的led结构图采用碳化硅作为基底以后，的确可以大为改善其散热，但是其成本过高，而且有专利保护。最近国内的厂商开始采用硅材料作为基底。因为硅材料的基底不受专利的限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一的问题是gan的膨胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂，解决的方法是在中间加一层氮化铝（aln）作缓冲。（点击放大）led芯片封装以后，从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻，一般来说,芯片的接面面积的大小是散热的关键，对于不同的额定功率，要求有相应大小的接面面积。也就表现为不同的热阻。几种类型的led的热阻如下所示：早期的led芯片主要靠两根金属电极而引出到芯片外部，最典型的就是称为5或f5的草帽管，它的散热完全靠两根细细的金属导线引出去，所以散热效果很差，热阻很大，这也就是为什么这种草帽管的光衰很严重的原因。此外，封装时采用的材料也是一个很重要的问题。小功率led通常采用环氧树脂作为封装材料，但是环氧树脂对400-459nm的光线吸收率高达45%，很容易由于长期吸收这种短波长光线以后产生的老化而使光衰严重，50%光衰的寿命不到1万小时。因而在大功率led中必须采用硅胶作为封装材料。硅胶对同样波长光线的吸收率不到1%。从而可以把同样光衰的寿命延长到4万小时。 下面列出各家led芯片公司所生产的各种型号led的热阻由表中可见，cree公司的led的热阻因为采用了碳化硅作基底，要比其他公司的热阻至少低一倍。大功率led为了改进散热通常在基底下面再放一块可焊接的铜底板以便焊到散热器上去。这些热阻实际上都是在这个铜底板上测得的。 是不是碳化硅就是led衬底的最佳选择呢，不是这样，任何事物都会有创新和发展的，最近台湾的钻石科技开发出了钻石岛外延片(diamondislandswafer，diw)做为生产超级led的基材。这种led的热阻可以低至5c/w。用它制成的超级led可发出极强的紫外光，其强度不因高温而降低，反而会更亮。其结构图如图4所示。图4：采用类钻碳(diamondlikecarbon，dlc)的镀膜可以大大改善led的散热图5：用dlc镀膜和铝结合可以比其它结构的led有更好的散热特性 而且采用紫外线来激发各种荧光粉也可以得到所需要的各种颜色的led。而且荧光粉不是采用和环氧树脂或硅胶混合的方法而是直接涂于芯片表面还可以避免由于环氧树脂和硅胶的老化而产生的光衰。 这将会使整个led产生革命性变化。而且摆脱了日美等国的专利束缚。三.集成led的散热 现在有不少厂商把很多led晶粒集成在一起以得到大功率的led。这种led的功率可以达到5w以上，大多以10w，25w，和50w的功率等级出现。为了把多个led晶粒（以共晶（eutectic）或覆晶（flip-chip）封装）连接在一起，因为这些晶粒极为精细，所以需要采用精确的印制电路进行连接。为了得到更好的散热特性，通常采用陶瓷基板。这种陶瓷基板是由氧化铝和氮化铝构成。各