解析温度对大功率LED照明系统光电参数的影响

 近年来，LED技术得到迅猛发展，其在信号指示、照明、背光源、显示等方面得到广泛的应用。随着芯片技术的提高，LED已经进入大功率的时代。现在1W级的大功率LED正被照明行业使用，并显示出了光明的前景。LED功率及光效的提高，使得LED灯具代替传统照明方式成为可能。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的p-n结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，LED就是利用注入式电致发光原理制作的。

　　由于目前LED量子效率低，在工作过程中会产生大量的热，大功率LED的热效应尤为明显。如果这些热量不能及时的散发出去，就会使LED中p-n结的温度(结温)迅速升高，导致芯片载流子有效复合几率下降，出射光子的数目减少，取光效率降低，还会使得LED芯片的发射光谱发生红移，这对利用蓝光激发YAG发光粉来取得白光的LED照明系统是非常不利的，因此LED的散热成为LED照明技术发展的重大课题，解决LED照明系统的散热问题迫在眉睫。

　　COB技术是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片贴装在印刷线路板上，芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现。在大功率LED灯具制造过程中，通常的做法是利用COB的方法将LED芯片封装在铝质或者铜质基板上，利用自动焊线机将芯片与基板上的电路连接，再将基板与外部电路连接在一起。基板固定在铝质散热器上将热量散发出去。因此，散热器质量的好坏直接影响着LED灯具的寿命、效率和出光质量。

　　对于制造性能可靠，高亮度LED系统，热管理是一个关键技术。解决LED照明系统的散热问题，必须预先知道温度对大功率LED照明系统的光电参数的影响。国内外许多学者对LED芯片的热阻方面做了大量的研究，但对于商用照明的白光LED的散热方面的研究却很少。本文就照明用大功率白光LED灯具中，光源光通量、电学参数等光电参数受温度的影响做出分析。　　测试系统及实验

　　1.实验选材与仪器

　　本文采用的是1W×3串联封装的白光LED照明模块，其结构如图1所示。芯片选用台湾晶元光电制造的45mil蓝宝石衬底InGaN芯片。发光粉为弘大所生产，与道康宁硅胶以一定比例混合制成发光粉涂层。导热膏选用TIG78040型导热膏，其热导率为4.0W/mK。基板材质为铝质。选取4只不同规格的铝合金(6063)圆柱形鳍片

　　散热器，编号为1-4号，其中1号散热器经过氧化处理，2-4号散热器未经过氧化处理。规格分别为Φ30mm×H47mm，Φ53mm×H30mm，Φ45mm×H54mm，Φ44mm×H64mm。利用杭州远方光电生产的PMS-50plus紫外-可见-近红外光谱分析系统记录光电参数。并用杭州威博科技制造的TC-2008多路温度测试仪记录温度。

图1通用照明LED模块结构示意图

　　2.实验过程与数据采集

　　将LED光源安装在散热器上，把TC-2008多路温度测试仪的热电偶安装在散热器内部以测量散热器的温度，测试点为铝质散热器与基板相接处。将上述装置安装好后放入积分球，利用350mA恒流电源驱动，以10s为周期记录温度与光电参数。测试系统结构如图2所示。在稳恒电流驱动下的LED模块，热量由能够很好的满足散热要求的铝基板传输到鳍片散热器上，再依靠鳍片散热器散发出去。LED模块工作时散热器温度会迅速升高，连接在一起的TC-2008多路温度测试仪会记录散热器温度的瞬时值，同时，PMS-50光谱分析系统会记录下相应的光电参数。

　图2LED光电参数测试系统结构示意图

　　结果与分析

　　1.温度对光通量的影响

对于正装大功率LED，芯片侧表面和上表面散热能力差，热量绝大部分是依靠热传导将热量传到散热器，利用散热器的对流将热量散掉。因此，LED散热器质量的好坏直接影响着LED中p-n结的温度，LED的衰减主要取决于结温。

所以，设计和使用合理的散热器对于降低大功率LED的光衰有着重要的意义。如图3所示，以350mA电流驱动LED光源，其温度会在一段时间内迅速上升，并且维持在热平衡温度上。其原因主要是由于LED开始通电时会产生大量的热量，但芯片和散热基板间的热界面材料(TIM)的热导率很低(4.0W/mK)，这些热量传到散热器上需要一定的时间，所以会有一段温度急剧上升的曲线，当基板和散热器温度相同时，就达到了一种热平衡状态。此时，基板和散热器的温度不再变化，并将维持下去。这一热平衡温度取决于散热器的形状和大小，如图所示，四只散热器样品达到热平衡状态的时间和最后的温度是不同的，其热平衡温度分别为59.8，49.0，47.4，44.4℃。

图3LED模块温度随时间的变化图

　　实验还发现，在热平衡之前，光通量会有一急剧下降的趋势，如图4所示。四只散热器样品光通量在热平衡时其值分别为167.9，174.9，173.3，172.4lm。在这个过程中，LED模块在各个散热器样品上达到热平衡所用的时间和光通量达到稳定的时间趋于一致。在这个过程中，散热器温度的高低对LED模块输出的光通量有直接的影响。

　　1号散热器热平衡温度最高，最后输出的光通量最低，2、3、4号散热器热平衡温度较接近，热平衡时稳定输出的光通量值也相近。表明照明用大功率LED的光通量具有如下规律：在接通电源时的最初一段时间内，光通量呈下降趋势，随后光通量将稳定在一热平衡值附近，其大小随所选取的散热器不同而异。

　图4LED模块光通量随时间的变化

　　为了便于研究温度对光通量的影响，绘制出光通量对温度的曲线，如图5所示。在光通量随温度变化的曲线图中，光通量与温度呈现出线性关系，并且四只散热器样品的曲线斜率几乎相同，但是截距不同。

　　对图5四条曲线进行线性拟合，得到它们的光通量温度系数K分别为-0.35227，-0.30690，-0.31457，-0.31763lm/℃。拟合的结果表明，四只散热器样品的光通量随温度的变化趋势一致。由此我们推断，对于同种芯片和同种材料的散热器，LED光通量的温度系数与散热器的大小和形状无关。利用散热器温度来计算照明用白光LED光通量的方程：

　　式中，Φ(t)表示在散热器温度为t时LED模块的光通量；K表示光通量温度系数，根据本文所选用的芯片与散热器，其值为(-0.33±0.02)lm/℃；t0表示散热器的初始温度；Φ0表示LED模块的初始光通量。

　图5LED光通量随温度的变化曲线

　　由图3、图4、图5可知，对于LED模块：1)散热器的温度经一段时间后会达到热平衡状态，其时间的长短取决于散热器的大小和形状。2)散热器的热平衡温度决定LED输出的光通量，可以利用散热器热平衡温度根据上述公式计算LED模块光通量。3)散热器的大小、形状是影响热平衡温度的重要因素。4)在LED模块中，光通量与温度成线性关系，对同种材料的散热器，其大小、形状对光通量温度系数K影响不大。

　　2.温度对电学参数的影响

　　对于单色LED芯片，在输入电流恒定的条件下，很多半导体器件的结电压与温度具有良好的线性关系。发光材料、衬底材料、发光波长、芯片尺寸都会影响LED的电压温度系数，但是对于同类芯片，其电压温度系数基本一致。在本实验中采用商用大功率白光LED，研究散热器温度对其电学参数的影响，根据PMS-50光谱分析系统记录的数据，将电压随温度的变化绘制成曲线图，如图6所示。利用350mA恒流驱动的LED，不考虑LED系统中欧姆接触引起的压降，此时的驱动电压计算方法为

图6LED正向电压随温度的变化

　　式中，n为理论因子，其值会随着正向电压变化情况有很大不同。Io为反向饱和电流。k为玻耳兹曼常数。如图6所示，在本实验中，驱动电流IF=350mA保持不变，随着温度升高，驱动电压下降，说明反向饱和电流在快速增大。

　　从图6可以发现，在温度升高的过程中，正向电压呈下降的趋势，散热器温度与驱动电压表现出线性关系。通过线性拟合，电压温度系数分别为-0.0056539，-0.0065506，-0.0067925，-0.0069680V/℃。正向电压的下降程度由于散热器的型号不同而不同。2、3、4号散热器由于体积相对较大，而最后的热平衡温度较低(图3)，所以在整个过程中，LED的正向电压下降幅度小；1号散热器由于体积较小，稳定时的热平衡温度较高，所以在这个过程中，LED两端的电压变化较大。同时，四样品的功率和光效也呈现出了降低的趋势，在达到热平衡后，其功率和光效呈现出稳定状态，如图7(a)所示。

图7LED模块的功率(a)和光效(b)变化趋势

　　由于p-n结产生的热量不能及时散发出去，导致电子与空穴的复合几率降低，发光效率降低，图7(b)为四样品的发光效率变化趋势。由图5与图6，LED照明系统光通量、电压与温度都具有线性关系，在350mA恒流驱动条件下，其发光效率与温度同样具有线性关系，如图8。经线性拟合，光效温度系数分别为-0.073556，-0.05342，-0.054793，-0.055203lm·℃·W-1。

　图8LED发光效率与温度的关系

　　结论

　　照明用大功率白光LED温度对光电参数的影响进行研究。利用不同型号的散热器来控制LED模块的热平衡温度，分析了温度对其光电参数的影响。研究发现散热器的大小、形状决定了LED模块热平衡温度；在LED模块电源接通时，LED光通量、电压、功率、光效均有急剧下降的一段时间，最终稳定在热平衡值附近，其值大小与LED模块热平衡温度有关。研究还发现：对于照明用大功率白光LED系统，光通量、驱动电压和发光效率均与温度呈现出线性关系，通过线性拟合，总结出了铝合金(6063)散热器下的光通量温度系数、电压温度系数和光效温度系数。为研究LED的热平衡温度对光电参数的影响积累了重要数据，对LED照明器件的制造具有重要的指导意义。