任務四 熱學特性

在照明技術中，電光源在能量轉換時不是百分百將電能全部轉換為光能，很大一部分電能轉換為熱能損耗了，而轉換成熱能的部分如果沒有及時疏解則將導致熱能集聚溫度升高影響電光源的性能，尤其是大功率照明電光源。

為了滿足照明領域對LED高光通量的要求，在優化器件結構、提高發光效率的同時，增加單個LED器件的輸入功率是最有效直接的方法，但隨著功率的增加，LED會產生大量的熱量，從而引起芯片溫度的升高，溫度升高將影響LED量子效率低、壽命縮短、顏色漂移等技術指標，所以，在大功率照明中必須了解熱學特性，考慮散熱問題。

由此可見，除了以上描述LED工作瞬時狀態的光學和電學特性參數之外，在應用的角度，LED的使用壽命以及工作狀態的穩定性和可靠性等參數，以及與壽命和穩定性密切相關的熱學特性，也是非常重要的特性參數。

1.LED的使用壽命與可靠性

LED與傳統光源相比較的一個重要優勢就是其使用壽命長。一般而言，LED的使用壽命在50000小時以上，還有一些生產商宣稱其LED可以運作100000小時左右。LED之所以持久，是因為它不會產生燈絲熔斷的問題。LED不會直接停止運作，但它會隨著時間的流逝而逐漸退化。理論預測以及實驗數據表明，高質量LED在經過50000 小時的持續運作后，還能維持初始燈光亮度的60%以上。假定LED已達到其額定的使用壽命，實際上它可能還在發光，只不過燈光非常微弱。通常，LED的壽命結束不是指其不能發光的時間，而是指其光通量（或額定電流）下降到最初使用時一半的時間。

可靠性是在LED的工作（發光）期間，其各個主要特性參數保持在額定范圍內的概率，這也是衡量LED產品優劣的一個重要指標。

2.LED的熱學特性

影響LED壽命長短的最重要因素是散熱的好壞，要想延長LED的使用壽命，就必須降低LED芯片的溫度。對于單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出，則會導致芯片的溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉激發效率下降。當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數規律攀升。

（1）結溫及其對LED性能的影響 結溫就是LED中pn結的溫度，這是影響LED光學特性、電學特性以及壽命的最重要和最根本的參數。

據分析，元件溫度每上升2℃，可靠性將下降10%。為了保證器件的壽命，一般要求PN結的結溫在110℃以下。而且，隨著pn結結溫的升高，白光LED器件的發光波長將發生紅移。在110℃的溫度下，波長可以紅移4～9nm，從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發光強度會相應減少1%左右，當器件從環境溫度上升到150℃時，亮度下降多達35%。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。因此解決散熱問題已成為LED應用，尤其是功率型LED應用的首要問題。

（2）降低LED結溫的途徑LED的輸入功率是元件熱效應的唯一來源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分最終均變成了熱，從而抬升了元件的溫度。顯然，減小LED溫升效應的主要方法，一是設法提高元件的電光轉換效率（又稱外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉變成光能，另一個重要的途徑是設法提高元件的熱散失能力，使結溫產生的熱通過各種途徑散發到周圍環境中去。降低結溫所采取的主要的途徑如下：

1）減少LED本身的熱阻；

2）良好的二次散熱機構；

3）減少LED與二次散熱機構安裝界面之間的熱阻；

4）控制額定輸入功率；

5）降低環境溫度