熱對LED影響分析及不同材質LED的溫度系數

摘要：發光二極管尚需克服其發光效?問題在于：現階段的光能效?僅能達到15%, 而85%皆轉為熱?, LED光源的應用, 仍需搭配散熱機構, ?散熱功能設計?當, 對于發光二極管本身，將造成嚴重的破壞情形。

概 述

發光二極管, 具有無污染, 低耗能, 壽命長, 操作反應快等優點, 隨著歐盟即將在2007?禁止目前廣泛使用的含汞?屬光源, LED 將成為下一世代光源發展的主軸。LED隨溫度變化, 亮度不斷提升, LED的散熱技術也一直在提升, 1992年一顆LED的熱阻抗為360℃/W, 之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W, 而今已是到了每顆6?10℃/W的地步, 簡單的說, 以往LED每消耗1瓦的電能, 溫度會增加360℃, 現在則是相同消耗1瓦電能, 溫度卻只上升6 ?10 ℃ 。

發光二極管尚需克服其發光效?問題在于：現階段的光能效?僅能達到15%, 而85%皆轉為熱?, LED光源的應用, 仍需搭配散熱機構, ?散熱功能設計?當, 對于發光二極管本身，將造成嚴重的破壞情形。

隨著LED亮度不斷提升, LED的散熱技術也一直在提升, 所以做好LED的散熱對增加LED的發光效率和使用壽命都會得到很大的作用。本文內容主要針對熱對LED影響進行探討, 詳如下文所示。

熱對LED的影響

LED---冷光源

(1) LED的發光原理是電子與空穴經過復合直接發出光, 過程中不需要熱量, LED可以稱為冷光源

(2) LED的發光需要電流驅動, 輸入LED的電能中, 只有約15%有效轉化為光, 大部分(約85%)因無效而轉化為熱

(3) LED發光過程中會產生熱量, LED并非不會發熱的冷光源

熱對LED性能和結構的影響

(1) LED發光產生的熱量和工作環境溫度(Ta)有關, 將引起LED芯片結點溫度Tj的變化, LED是溫度敏感器件, 當溫度變化時, LED的性能和封裝結構都會受到影響, 從而影響LED的可靠性

(2) 熱量集中在尺寸很小的LED芯片內, 若無有效排出熱量, 芯片溫度升高, 引起熱應力的非均勻分布, 芯片發光效率和熒光粉激射效率下降

(3) 當LED芯片溫度超過一定值時, 器件失效率呈指數規律增加, 統計數據表明, 組件溫度每上升2℃,可靠性下降10%

(4) 當多個LED密集排列組成白光照明系統時, 熱量的耗散問題更嚴重

(5) 熱將影響LED驅動器的效率, 損害磁性組件及輸出電容器等的壽命, 使LED驅動器的可靠度降低(一般半導體組件的工作溫度需控制在80°C以下)

(6) 典型的LED由光學透明的環氧樹脂封裝, 溫度升高到環氧樹脂玻璃轉換溫度Tg時, 環氧樹脂由剛性材料轉換成彈性材料, 熱膨脹系數(Cte)會有很大變化, 封裝樹脂在溫度變化的過程中,膨脹和收縮加劇,這將導致金線(或鋁線)鍵合點位移增大,金線(或鋁線)過早疲勞和損壞,造成LED開路和突然失效, 為了避免LED突然失效, LED結點溫度應該始終保持在封裝樹脂的Tg以下

光通量Fv與結點溫度Tj的關系

Φv(Tj2)= Φv(Tj1)e(-kΔTj)

其中: Φv(Tj1)=結點溫度Tj1時的光通量

Φv(Tj2)=結點溫度Tj2時的光通量

ΔTj= Tj2 - Tj1 , k =溫度系數

不同材質類別LED的溫度系數