近年來，LED技術(shù)得到迅猛發(fā)展，其在信號(hào)指示、照明、背光源、顯示等方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著芯片技術(shù)的提高，LED已經(jīng)進(jìn)入大功率的時(shí)代。現(xiàn)在 1W 級(jí)的大功率LED正被照明行業(yè)使用，并顯示出了光明的前景。LED功率及光效的提高，使得LED燈具代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明方式成為可能。發(fā)光二極管的核心部分是由 p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的芯片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的p-n結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，LED就是利用注入式電致發(fā)光原理制作的。

由于目前LED量子效率低，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，大功率LED的熱效應(yīng)尤為明顯。如果這些熱量不能及時(shí)的散發(fā)出去，就會(huì)使LED中p-n結(jié)的溫度(結(jié)溫)迅速升高，導(dǎo)致芯片載流子有效復(fù)合幾率下降，出射光子的數(shù)目減少，取光效率降低，還會(huì)使得LED芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移，這對(duì)利用藍(lán)光激發(fā)YAG發(fā)光粉來取得白光的LED照明系統(tǒng)是非常不利的，因此LED的散熱成為 LED照明技術(shù)發(fā)展的重大課題，解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題迫在眉睫。

COB技術(shù)是裸芯片貼裝技術(shù)之一，半導(dǎo)體芯片貼裝在印刷線路板上，芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實(shí)現(xiàn)。在大功率LED燈具制造過程中，通常的做法是利用COB的方法將LED芯片封裝在鋁質(zhì)或者銅質(zhì)基板上，利用自動(dòng)焊線機(jī)將芯片與基板上的電路連接，再將基板與外部電路連接在一起。基板固定在鋁質(zhì)散熱器上將熱量散發(fā)出去。因此，散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著LED燈具的壽命、效率和出光質(zhì)量。

對(duì)于制造性能可靠，高亮度LED系統(tǒng)，熱管理是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，必須預(yù)先知道溫度對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)的光電參數(shù)的影響。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)LED芯片的熱阻方面做了大量的研究，但對(duì)于商用照明的白光LED的散熱方面的研究卻很少。本文就照明用大功率白光LED燈具中，光源光通量、電學(xué)參數(shù)等光電參數(shù)受溫度的影響做出分析。

2　測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)

2.1　實(shí)驗(yàn)選材與儀器

本文采用的是1Wx3串聯(lián)封裝的白光LED照明模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。芯片選用晶元光電制造的45mil藍(lán)寶石襯底InGaN芯片。發(fā)光粉與硅膠以一定比例混合制成發(fā)光粉涂層。導(dǎo)熱膏選用TIG78040型導(dǎo)熱膏，其熱導(dǎo)率為4.0W/mK。基板材質(zhì)為鋁質(zhì)。選取4 只不同規(guī)格的鋁合金(6063)圓柱形鰭片散熱器，編號(hào)為1-4號(hào)，其中1號(hào)散熱器經(jīng)過氧化處理，2-4號(hào)散熱器未經(jīng)過氧化處理。規(guī)格分別為 Φu03A630mmxH47mm，Φu03A653mmxH30mm，Φu03A645mmxH54mm，Φu03A644mmxH64mm。利用PMS-50plus紫外- 可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)記錄光電參數(shù)。并用TC-2008多路溫度測(cè)試儀記錄溫度。

       圖1　通用照明LED模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2　實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集

將LED光源安裝在散熱器上，把TC-2008多路溫度測(cè)試儀的熱電偶安裝在散熱器內(nèi)部以測(cè)量散熱器的溫度，測(cè)試點(diǎn)為鋁質(zhì)散熱器與基板相接處。將上述裝置安裝好后放入積分球，利用350mA恒流電源驅(qū)動(dòng)，以10s為周期記錄溫度與光電參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在穩(wěn)恒電流驅(qū)動(dòng)下的LED模塊，熱量由能夠很好的滿足散熱要求的鋁基板傳輸?shù)仅捚崞魃希僖揽况捚崞魃l(fā)出去。LED模塊工作時(shí)散熱器溫度會(huì)迅速升高，連接在一起的TC- 2008多路溫度測(cè)試儀會(huì)記錄散熱器溫度的瞬時(shí)值，同時(shí)，PMS-50光譜分析系統(tǒng)會(huì)記錄下相應(yīng)的光電參數(shù)。

       圖2　LED光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3　結(jié)果與分析

3.1　溫度對(duì)光通量的影響

對(duì)于正裝大功率LED，芯片側(cè)表面和上表面散熱能力差，熱量絕大部分是依靠熱傳導(dǎo)將熱量傳到散熱器，利用散熱器的對(duì)流將熱量散掉。因此，LED散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著LED中p-n結(jié)的溫度，LED的衰減主要取決于結(jié)溫。

所以，設(shè)計(jì)和使用合理的散熱器對(duì)于降低大功率LED的光衰有著重要的意義。如圖3所示，以350mA電流驅(qū)動(dòng)LED光源，其溫度會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)迅速上升，并且維持在熱平衡溫度上。其原因主要是由于LED開始通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，但芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)的熱導(dǎo)率很低 (4.0W/mK)，這些熱量傳到散熱器上需要一定的時(shí)間，所以會(huì)有一段溫度急劇上升的曲線，當(dāng)基板和散熱器溫度相同時(shí)，就達(dá)到了一種熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，基板和散熱器的溫度不再變化，并將維持下去。這一熱平衡溫度取決于散熱器的形狀和大小，如圖所示，四只散熱器樣品達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時(shí)間和最后的溫度是不同的，其熱平衡溫度分別為59.8，49.0，47.4，44.4℃。

       圖3　LED模塊溫度隨時(shí)間的變化圖

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在熱平衡之前，光通量會(huì)有一急劇下降的趨勢(shì)，如圖4所示。四只散熱器樣品光通量在熱平衡時(shí)其值分別為 167.9，174.9，173.3，172.4lm。在這個(gè)過程中，LED模塊在各個(gè)散熱器樣品上達(dá)到熱平衡所用的時(shí)間和光通量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間趨于一致。在這個(gè)過程中，散熱器溫度的高低對(duì)LED模塊輸出的光通量有直接的影響。

1號(hào)散熱器熱平衡溫度最高，最后輸出的光通量最低，2、3、4號(hào)散熱器熱平衡溫度較接近，熱平衡時(shí)穩(wěn)定輸出的光通量值也相近。表明照明用大功率 LED的光通量具有如下規(guī)律：在接通電源時(shí)的最初一段時(shí)間內(nèi)，光通量呈下降趨勢(shì)，隨后光通量將穩(wěn)定在一熱平衡值附近，其大小隨所選取的散熱器不同而異。

       圖4　LED模塊光通量隨時(shí)間的變化

為了便于研究溫度對(duì)光通量的影響，繪制出光通量對(duì)溫度的曲線，如圖5所示。在光通量隨溫度變化的曲線圖中，光通量與溫度呈現(xiàn)出線性關(guān)系，并且四只散熱器樣品的曲線斜率幾乎相同，但是截距不同。

對(duì)圖5四條曲線進(jìn)行線性擬合，得到它們的光通量溫度系數(shù)K分為-0.35227，-0.30690，-0.31457，- 0.31763lm/℃。擬合的結(jié)果表明，四只散熱器樣品的光通量隨溫度的變化趨勢(shì)一致。由此我們推斷，對(duì)于同種芯片和同種材料的散熱器，LED光通量的溫度系數(shù)與散熱器的大小和形狀無關(guān)。利用散熱器溫度來計(jì)算照明用白光LED光通量的方程：

式中，Φu03A6(t)表示在散熱器溫度為t時(shí)LED模塊的光通量;K表示光通量溫度系數(shù)，根據(jù)本文所選用的芯片與散熱器，其值為(-0.33±0.02)lm/℃;t0表示散熱器的初始溫度;Φu03A60表示LED模塊的初始光通量。

       圖5　LED光通量隨溫度的變化曲線

由圖3、圖4、圖5可知，對(duì)于LED模塊：1)散熱器的溫度經(jīng)一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，其時(shí)間的長(zhǎng)短取決于散熱器的大小和形狀。2)散熱器的熱平衡溫度決定LED輸出的光通量，可以利用散熱器熱平衡溫度根據(jù)上述公式計(jì)算LED模塊光通量。3)散熱器的大小、形狀是影響熱平衡溫度的重要因素。 4)在LED模塊中，光通量與溫度成線性關(guān)系，對(duì)同種材料的散熱器，其大小、形狀對(duì)光通量溫度系數(shù)K影響不大。

3.2　溫度對(duì)電學(xué)參數(shù)的影響

對(duì)于單色LED芯片，在輸入電流恒定的條件下，很多半導(dǎo)體器件的結(jié)電壓與溫度具有良好的線性關(guān)系。發(fā)光材料、襯底材料、發(fā)光波長(zhǎng)、芯片尺寸都會(huì)影響LED的電壓溫度系數(shù)，但是對(duì)于同類芯片，其電壓溫度系數(shù)基本一致。在本實(shí)驗(yàn)中采用商用大功率白光LED，研究散熱器溫度對(duì)其電學(xué)參數(shù)的影響，根據(jù) PMS-50光譜分析系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，將電壓隨溫度的變化繪制成曲線圖，如圖6所示。利用350mA恒流驅(qū)動(dòng)的LED，不考慮LED系統(tǒng)中歐姆接觸引起的壓降，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓計(jì)算方法為

       圖6　LED正向電壓隨溫度的變化

式中，n為理論因子，其值會(huì)隨著正向電壓變化情況有很大不同。Io為反向飽和電流。k為玻耳茲曼常數(shù)。如圖6所示，在本實(shí)驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)電流IF=350mA保持不變，隨著溫度升高，驅(qū)動(dòng)電壓下降，說明反向飽和電流在快速增大。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在溫度升高的過程中，正向電壓呈下降的趨勢(shì)，散熱器溫度與驅(qū)動(dòng)電壓表現(xiàn)出線性關(guān)系。通過線性擬合，電壓溫度系數(shù)分別為 -0.0056539，-0.0065506，-0.0067925，-0.0069680V/℃。正向電壓的下降程度由于散熱器的型號(hào)不同而不同。2、 3、4號(hào)散熱器由于體積相對(duì)較大，而最后的熱平衡溫度較低(圖3)，所以在整個(gè)過程中，LED的正向電壓下降幅度小;1號(hào)散熱器由于體積較小，穩(wěn)定時(shí)的熱平衡溫度較高，所以在這個(gè)過程中，LED兩端的電壓變化較大。同時(shí)，四樣品的功率和光效也呈現(xiàn)出了降低的趨勢(shì)，在達(dá)到熱平衡后，其功率和光效呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7(a)所示。

       圖7　LED模塊的功率(a)和光效(b)變化趨勢(shì)

由于p-n結(jié)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，導(dǎo)致電子與空穴的復(fù)合幾率降低，發(fā)光效率降低，圖7(b)為四樣品的發(fā)光效率變化趨勢(shì)。由圖5與圖 6，LED照明系統(tǒng)光通量、電壓與溫度都具有線性關(guān)系，在350mA恒流驅(qū)動(dòng)條件下，其發(fā)光效率與溫度同樣具有線性關(guān)系，如圖8。經(jīng)線性擬合，光效溫度系數(shù)分別為-0.073556，-0.05342，-0.054793，-0.055203lm·℃·W-1。

       圖8 LED發(fā)光效率與溫度的關(guān)系

4　結(jié)論

照明用大功率白光LED溫度對(duì)光電參數(shù)的影響進(jìn)行研究。利用不同型號(hào)的散熱器來控制LED模塊的熱平衡溫度，分析了溫度對(duì)其光電參數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)散熱器的大小、形狀決定了LED模塊熱平衡溫度;在LED模塊電源接通時(shí)，LED光通量、電壓、功率、光效均有急劇下降的一段時(shí)間，最終穩(wěn)定在熱平衡值附近，其值大小與LED模塊熱平衡溫度有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)：對(duì)于照明用大功率白光LED系統(tǒng)，光通量、驅(qū)動(dòng)電壓和發(fā)光效率均與溫度呈現(xiàn)出線性關(guān)系，通過線性擬合，總結(jié)出了鋁合金(6063)散熱器下的光通量溫度系數(shù)、電壓溫度系數(shù)和光效溫度系數(shù)。