提高LED功率的若干问题控讨

2012-03-13 17:02:15来源: 互联网

关於提高LED功率的若干问题


LED器件的温升效应及其对策
文章较详尽地阐述了结温升高对LED光输出强度、LED P-N结的正向电压及发光颜色的影响。指出当结温升高时,输出光强变弱,正向电压减小,发光波长发生红移。在结温升得足够高时,这些变化将从可逆变为不可恢复的永久性衰变。文章进一步指出,LED输入功率是器件热效应的唯一来源,设法提高器件的电光转换效率及提高器件的散热能力是减小LED温升效应的主要途径。

 一、引言
众所周知,LED是一种电发光器件,其基本的物理过程是电能向光能的转变。所谓提高LED的功率,即是提高电输入能量,同时又能获得尽可能大的光功率输出。通常将单位输入功率所产生的光能(光通量)谓之光电转换功率,简称光效。早期的LED由於光效很低(-0.1 lm/w),亮度很低,通常只用於表示亮、暗的状态,作指示灯之用。上世纪九十年代初,超高亮四元系LED的出现,使器件亮度有了数量级的增长,特别是紧接着的GaN基蓝、绿光及白光LED的出现,使LED的应用方向发生了巨大的改变。固态照明已成为21世纪人类追求的重要目标。显然,不断地提高LED的输入功率与发光效率是实现通用照明的必由之路。假设LED的光效为100 lm/w,那麽要达到一只40支光(瓦)的白炽灯所发出的600 lm的光通量,LED的输入功率必须达到6w。然而,目前一只Φ5的标准LED的输入功率通常为0.04~0.07w,远不能满足实用照明的需要。大量实践表明,LED不能加大输入功率的基本原因,是由於LED在工作过程中会放出大量的热,使管芯结温迅速上升,输入功率越高,发热效应越大。温度的升高将导致器件性能的变化与衰减,甚至失效。本文就功率器件中的升温效应对性能的影响及其如何减小这种升温效应的途径作一些简明的讨论。

 二、LED器件温升估计
设晶片面积为1.2×1.2mm2,厚度为200um,GaAs衬底。由於外延层很薄,忽略外延层材料与衬底之间的差异,不考虑电极的影响,那麽晶片的体积约为2.88×10×4cm3。GaAs晶体的比重为5.318(克/cm3),故晶片重量约为15.3×10-4克。设器件的工作电流为100mA,如其中约90%的电功率转变为热,那麽在不考虑晶片向周围环境散热的条件下,器件在接通电流20分钟後,计算得晶片的温度可达到5×105?C,计算中使用的GaAs晶体比热资料为0.33焦耳/克o度。可见其温升效应的严重性。这里只是把晶片作为一个均匀的发热体加以考虑,如考虑到结处温升的集中效应,情况将更加严重。庆幸的是,在晶片的升温过程中,晶片不可能处於绝热状态,而总是以某种方式与其周围的介质或环境进行着热交换,最终达到热平衡,使晶片的温度维持在一个较低的水准上。

 三、结温对LED性能的影响
1、结温对LED光输出的影响
实验指出,发红、黄光的InGaAlP LED与发蓝、绿光的InGaN LED,其光输出强度均明显依赖於器件的结温。也就是说,当LED的结温升高时,器件的输出光强度将逐渐减小;而当结温下降时,光输出强度将增大,一般情况下,这种变化是可逆与可恢复的,当温度回到原来的值,光强也会回复到原来的状态。图1(a)指出了InGaAlP LED的光输出相对量随温度的变化,这里以25?C作为器件性能的基准点。由图可知,InGaAlP 橙色的LED比红色的LED具有更高的温度灵敏度。当结温升至100?C时,琥珀色器件的输出通量降去了75%。图1(b)是InGaAlP LED的另一组光输出的温度资料,设25?C时LED的值为100,那麽当结温升至100?C时,640nm、620nm与590nm的InGaAlP LED的光输出分别为原始值的42%、30%与20%。

结温对光输出影响的数学运算式如式(1)所示:
ΦV(T2)=ΦV(T1)e-kΔT  (1)

其中,ΦV(T2)表示结温T2的光通量输出;ΦV(T1)表示结温T1的光通量输出;K为温度系数;ΔT=T2- T1。

一般情况下,K值可由实验测定,对於InGaAlP LED相关的K值如表1所示:由上表可知,对於InGaAlP LED,温度系数仅与器件的发光波长有关,而与衬底是否透明无关,进一步的实验指出,InGaAlP的发光波长越短,K值越大。器件的出光通量随温度增加衰减得越快。对於InGaN系列的LED,出光通量随温度的变化远小於InGaAlP LED。典型结果如图2所示。由图可知,随着发光波长变短,光输出通量随温度的变化越不明显。表2列出了相对於25?C而言,100?C结温时光输出通量的相对数值。

式(2)指出了光输出通量随结温变化的另一种表示形式
ΦT2=ΦT1e-(T2-T1/T0)  (2)

这里T0代表一种特徵温度。T0值与材料有关,实验指出,对於红色的InGaAlP LED,T0=85?C;对於琥珀色的InGaAlP LED,T0≈85?C;而对於InGaN LED,T0值约为840?C,表明InGaN器件的温度系数远小於发红、黄光的InGaAlP器件,也即光通量随温度增加而减小的速率要比InGaAlP LED小得多。

一般情况下,光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的,也即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。这种效应的发生机制显然是由於材料的一些相关参数会随温度发生变化,从而导致器件参数的变化。如随温度的增加,电子与空穴的浓度会增加,禁带宽度会减小,电子迁移率也将减小。这些参量的变化必须引致器件输出光通量的改变。然而当温度恢复至初态时,器件参数的表化也将随之消失,输出光通量也会恢复至初态值。

表3是大功率器件AP-HLR-01的测试结果,每一次测量之间进行了-40?C-140?C的冷热回圈老化试验。测量资料指出,每次测量的资料都能很好地重复,冷热回圈老化试验也未改变器件的性能,表明在一定的条件下,LED器件的性能随电流的变化是可逆的。显然,在大电流时光效的变小是由於温度上升所引起的,当测试电流减至小电流时,光效资料又恢复到初始值。

2、高温下器件性能的衰变
在高温下,LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外,还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。图3指出了Lumileds公司型号为Luxeon大功率器件的光输出通量随时间的衰变情况。由图可见,对於同一类LED器件,在相同的工作电流时,结温越高器件的输出光强衰减得越快。对於一个确定的器件而言,一般来说,结温的大小取决於工作电流与环境温度。工作电流固定以後,环境温度越高,结温就越高,器件性能的衰减速率就越快。反之,当环境温度确定後,器件的工作电流越大,结温也将越高,器件性能衰减的速率就越快。

图4指出了一只典型的InGaAlP器件在不同的工作电流时,输出光通量的相对值随时间的衰减曲线。很显然,当器件的工作电流加大时,器件的光输出特性将衰变得更快。

为确保一个LED器件的正常工作条件,让器件的结温低於某一个确定的值Tj,是十分必要的。为此,当环境温度升高时,应适当减小工作电流,直至当环境温度升至临界温度Tj时,将工作电流减至零,此时结温将等於环境温度,如图5所示。

通常有二种原因促成高温条件下LED器件输出性能的永久性衰减,一个原因是材料内缺陷的增殖,众所周知,现代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技术在GaAs,蓝宝石等异质衬底上外延生长InGaAlP或InGaN等材料制成,为提高发光效率,外延材料均含有多层结构,由於各外延层之间存在着或多或少的晶格失配,从而在介面上形成大量的诸如位元错等结构缺陷,在较高温度时,这些缺陷会快速增殖,繁衍,直至侵入发光区,形成大量的非辐射复合中心,严重降低器件的注入效率与发光效率。另外,在高温条件下,材料内的微缺陷及来自介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器件的性能衰变。

高温时,LED封装环氧的变性,是LED性能衰变乃至失效的又一个主要原因。通常,LED用的封装环氧存在着一个重要特性,即当环氧温度超过一个特定温度Tg=125?C时,封装环氧的特性将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状物质。此时材料的膨胀系数急剧增加,形成一个明显的拐点,如图6所示。这个拐点所对应的温度即为环氧树脂的玻璃状转换温度,其值通常为125?C。当器件在此温度附近或高於此温度变化时,将发生明显的膨胀或收缩,致使晶片电板与引线受到额外的压力,而发生过度疲劳乃至脱落损坏。此外,当环氧处於较高温度时(即使未超过转变温度Tg),特别是与晶片临近部分的封装环氧会逐渐变性,发黄,影响封装环氧的透光性能。这是一个潜移默化的过程,随着工作时间的延长,LED将逐渐失去光泽。显然工作温度越高,这种过程将进行得越快。为解决这一困难,特别在大功率器件的制作过程中,一些先进的封装结构已摒弃了环氧树脂材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC等材料制作透镜;另一个重要方法是让环氧不直接接触晶片表面,之间填充一种胶状的,性能稳定的透明矽胶。实践证明,通过如此改进,器件的性能与稳定度获得了明显改善。

3、结温对发光波长的影响
LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类,前者表示光强最大的波长,而主波长可由X、Y色度座标决定,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。对於一个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。InGaAlP与InGaN材料属III-V族化合物半导体。它们的性质与GaAs相仿,当温度升高时,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。

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