透过LED光衰预测LED寿命.docx

1、 一切事物都有发生、发展和消亡的过程，LED 也不例外，是有一定寿命的。早期的 LED 只是手电筒、台灯这类的礼品，用的时间不长，寿命问题不突出。但是现在LED 已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中，尤其是大功率的 LED 路灯，其功率大、发热高、工作时间长，寿命问题就十分突出。过去认为 LED 寿命一定就是 10 万小时的神话似乎彻底破灭了。那么到底问题出在哪里呢？ 假如不考虑电源和驱动的故障，LED 的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义衰减 30%的时间作为其寿命。那么 LED 的寿命能不能预测呢？这个问题无法简单地回答，需要从头讲起。1、LED

2、的光衰大多数白色 LED 是由蓝色 LED 照射黄色荧光粉而得到的。引起 LED 光衰的主要原因有两个，一个是蓝光 LED 本身的光衰，蓝光 LED 的光衰远比红光、黄光、绿光LED 要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。各种品牌的LED 它的光衰是不同的。通常 LED 的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如美国Cree 公司的光衰曲线就如图 1 所示。图 1：Cree 公司的 LED 的光衰曲线从图中可以看出，LED 的光衰是和它的结温有关，所谓结温就是半导体 PN 结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图上可以看出，假如结温为 105 度，亮度降至 70

3、%的寿命只有一万多小时，95 度就有 2 万小时，而结温降低到 75 度，寿命就有 5 万小时，65 度时更可以延长至 9 万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。不过这些数据只适合于 Cree 的 LED。并不适合于其他公司的 LED。例如 Lumiled公司的 LuxeonK2 的光衰曲线就如图 2 所示。图 2：Lumiled 公司的 LuxeonK2 的光衰曲线当结温从 115提高到 135，就会使寿命从 50,000 小时降低到 20,000 小时。 其他各家公司的光衰曲线应当可以向原厂索取。2、如何才能延长 LED 的寿命由图中可以得出结论，要延长其寿命的关键是要降低其结温。而降

4、低结温的关键就是要有好的散热器。能够及时地把 LED 产生的热散发出去。在这里我们不准备讨论如何设计散热器的问题，而是要讨论哪一个散热器的散热效果相对比较好的问题。实际上，这是一个结温的测量问题，假如我们能够测量任何一种散热器所能达到的结温，那么不但可以比较各种散热器的散热效果，而且还能知道采用这种散热器以后所能实现的 LED 寿命。3、如何测量结温结温看上去是一个温度测量问题，可是要测量的结温在 LED 的内部，总不能拿一个温度计或热电偶放进 PN 结来测量它的温度。当然它的外壳温度还是可以用热电偶测量的，然后根据给出的热阻 Rjc（结到外壳），可以推算出它的结温。但是在安装好散热器以后，问

5、题就又变得复杂起来了。因为通常 LED 是焊接到铝基板，而铝基板又安装到散热器上，假如只能测量散热器外壳的温度，那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包括 Rjc（结到外壳），Rcm（外壳到铝基板，其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻），Rms（铝基板到散热器）， Rsa（散热器到空气），其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。图 3 给出了 LED 到散热器各个热阻的示意图。其中合并了很多热阻，使得其精确度更加受到限制。也就是说，要从测得的散热器表面温度来推测结温的精确度就更差。图 3：LED 到散热器各个热阻的示意图幸好有一个间接测量温度的方法，那就是测量电压。那么结温和哪个电压有关呢

6、？这个关系又是怎么样的呢？我们首先要从 LED 的伏安特性讲起。4、LED 伏安特性的温度系数我们知道 LED 是一个半导体二极管，它和所有二极管一样具有一个伏安特性，也和所有的半导体二极管一样，这个伏安特性有一个温度特性。其特点就是当温度上升的时候，伏安特性左移。图 4 中画出了 LED 的伏安特性的温度特性。图 4：LED 伏安特性的温度特性假定对 LED 以 Io 恒流供电，在结温为 T1 时，电压为 V1，而当结温升高为 T2 时，整个伏安特性左移，电流 Io 不变，电压变为 V2。这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以 mV/C 表示。对于普通硅二极管，这个温度系数大约为-

7、2mV/C 。但是 LED 大多数不是用硅材料制成的，所以它的温度系数也要另外去测定。幸好各家LED 厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。例如对于 Cree 公司的XLamp7090XR-E 大功率 LED，其温度系数为-4mV/C 。要比普通硅二极管大 2 倍。至于美国普瑞的阵列 LED（BXRA）就给出了更为详细的数据。但是，他们给出的数据，其范围也未免过于宽大，以至于失去了利用的价值。不管怎样，只要知道 LED 的温度系数就很容易可以从测量 LED 的前向电压中推算出 LED 的结温了。5、如何具体测算 LED 的结温现在就以 Cree 公司的 XLamp7090XR-E 为例。来说明

8、如何具体测算 LED 的结温。要求已经把 LED 安装到散热器里，并且是采用恒流驱动器作为电源。同时要把连接到LED 去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端（LED 的正极和负极），然后接通电源，趁 LED 还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于 V1的值，然后等至少 1 小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED 两端的电压，相当于 V2。把这两个值相减，得出其差值。再被 4mV 去除一下，就可以得出结温了。实际上，LED 多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的LED 所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的 LED 数目再去除以 4m

9、V，就可以得到其结温。例如，LED 是 10 串 2 并，第一次测得的电压为 33V，第二次热平衡后测得的电压为 30V，电压差为 3V。这个数字先要除以所串联的 LED 个数（10 个），得到 0.3V，再除以 4mV，可以得到 75 度。假定开机前的环境温度是 20 度，那么这时候的结温就应当是 95 度。采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。6、如何来预测这个灯具的寿命从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图 1 的曲线，就可以知道对应于95 度结温时的寿命就可以得到 LED 的寿命为 2 万小时了。但是，这种方法用于室内的LED 灯具还有

10、一定的可信度，如果应用到室外的 LED 灯具，尤其是大功率 LED 路灯，那里还有很多不确定因素。最大的问题是 LED 路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使 LED 的寿命降低。紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。很明显，伏安特性左移越小的散热器，其散热效果就越好。另外，对于预测室内 LED 灯具的寿命也还是有一定的准确度的。作者：茅于海LED 知识大全：LED 散

11、热附详细图表LED 的散热现在越来越为人们所重视，这是因为 LED 的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低 10寿命会延长 2 倍。从 Cree 公司发布的光衰和结温的关系图（图 1）中可以看出，结温假如能够控制在 65C，那么其光衰至 70的寿命可以高达 10 万小时！这是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗？是的，只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到！遗憾的是，现在实际的 LED 灯的散热和这个要求相去甚远！以致 LED 灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题，所以必须要认真对待！图 1：光衰和结温的关系 (点击图片放大 )而且，

12、结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如 Cree 公司的 XLamp7090XR-E 的发光量和结温的关系如图 2 所示。图 2：结温和发光量的关系 (点击图片放大 )假如以结温为 25 度时的发光为 100%，那么结温上升至 60 度时，其发光量就只有 90%；结温为 100 度时就下降到 80%；140 度就只有 70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。除此以外 LED 的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大（恒压供电时）；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED 的散热是 LED 灯具的设计中最为重要的一个问题。第

13、一部分 LED 芯片的散热一.结温是怎么产生的LED 发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。LED 的光效目前只有 100lm/W，其电光转换效率大约只有 2030%左右。也就是说大约 70%的电能都变成了热能。具体来说，LED 结温的产生是由于两个因素所引起的。1内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能 100都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使 PN 区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90。2内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是

14、主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有 30左右，大部分都转化为热量了。虽然白炽灯的光效很低，只有 15lm/W 左右，但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去，因为大部分的辐射能是红外线，所以光效很低，但是却免除了散热的问题。二. LED 芯片到底板的散热LED 芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而 LED 本身的热容量很小，所以必须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面，人们在 LED 的芯片结构上进行了很多改进。为了改善 LED 芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。早期的 LED 只是采用 Si 硅作为

15、衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好，（在 100C 时约为 25W/（m-K），为了改善衬底的散热，Cree公司采用碳化硅硅衬底，它的导热性能（490W/ （m-K ）要比蓝宝石高将近 20 倍。而且蓝宝石要使用银胶固晶，而银胶的导热也很差。而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。目前只有 Cree 公司生产以碳化硅为衬底的 LED。图 3：蓝宝石和碳化硅衬底的 LED 结构图采用碳化硅作为基底以后，的确可以大为改善其散热，但是其成本过高，而且有专利保护。最近国内的厂商开始采用硅材料作为基底。因为硅材料的基底不受专利的限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一的问题是 GaN 的膨

16、胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂，解决的方法是在中间加一层氮化铝（AlN）作缓冲。（点击放大）LED 芯片封装以后，从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻，一般来说,芯片的接面面积的大小是散热的关键，对于不同的额定功率，要求有相应大小的接面面积。也就表现为不同的热阻。几种类型的 LED 的热阻如下所示：早期的 LED 芯片主要靠两根金属电极而引出到芯片外部，最典型的就是称为 5或 F5 的草帽管，它的散热完全靠两根细细的金属导线引出去，所以散热效果很差，热阻很大，这也就是为什么这种草帽管的光衰很严重的原因。此外，封装时采用的材料也是一个很重要的问题。小功率 LED 通常采用环氧树脂作为

17、封装材料，但是环氧树脂对400-459nm 的光线吸收率高达 45%，很容易由于长期吸收这种短波长光线以后产生的老化而使光衰严重，50%光衰的寿命不到 1 万小时。因而在大功率 LED 中必须采用硅胶作为封装材料。硅胶对同样波长光线的吸收率不到 1%。从而可以把同样光衰的寿命延长到 4 万小时。下面列出各家 LED 芯片公司所生产的各种型号 LED 的热阻由表中可见，Cree 公司的 LED 的热阻因为采用了碳化硅作基底，要比其他公司的热阻至少低一倍。大功率 LED 为了改进散热通常在基底下面再放一块可焊接的铜底板以便焊到散热器上去。这些热阻实际上都是在这个铜底板上测得的。是不是碳化硅就是 L

18、ED 衬底的最佳选择呢，不是这样，任何事物都会有创新和发展的，最近台湾的钻石科技开发出了钻石岛外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做为生产超级 LED 的基材。这种 LED 的热阻可以低至TcTA)，在热传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。管芯传导到散热垫底面的热阻为 RJC(LED 的热阻)、散热垫传导到 PCB 面层敷铜层的热阻为RCB、PCB 传导到环境空气的热阻为 RBA，则从管芯的结温 TJ 传导到空气 TA 的总热阻RJA，RJA 与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA，铜合金基板和铝基板导热性能接近且热阻小，其导热性能就好，即散热性能也

19、越好2。该散热结构的总热阻比常规结构减少近26%。2、车灯环境的系统设计由于现阶段的 LED 的输出光通量低，仅汽车近光灯就需要 1000lm 以上。考虑到汽车前大灯的配光要求以及电学、光学参数的稳定性，LED 应用于汽车前大灯常需要集几颗甚至几十颗 LED 元件于一块模组中，才能满足车灯法规所需的要求。目前，我们针对O2star1和 X2lamp 产品的类似封装进行配光设计。其中 OSTAR4chip 车灯专用的LEUMD1W43单只 LED 输出光通量大于 350lm，阵列 3 只这种 LED 即可满足车灯 1000lm 的基本要求。(1)扩大散热面积提高传导效率。在 LED 汽车前大灯近

20、光单元设计中，3 颗大功率LED 阵列在铝基板上。这种紧密排列的大功率 LED 热量的高度集中和散热难度可想而知。试验样件的做法是铝基板与散热器紧密贴合固定。二者之间的填充了性价比较高且使用简单的导热硅脂，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热关键之所在。目前主流导热硅脂的导热系数均大于 1W/mK，优质的可达到 6W/mK 以上，试验选择了性价比较高导热率达到 4。4W/mK 的 TG2244 导热硅脂。图 3：风冷和外置散热（点击图片放大）(2)强制对流提供与外界空气热交换。在散热片的背面加装风扇促使强制空气流动。风扇加速了散热片的热交换的同时，流动的空气也直接从 PCB 板上带走了部分热量。由于灯体的狭小且密封，与外界的空气对流几乎不可能。图 3a 所示风冷结构中风扇的强制对流可以缓解散热器中心区域与周围环境的温度不均匀，使灯体内部和灯体外壳的温度尽量接近。有助于将内部的热通过外壳和外置散热器传导出去。