任务四 热学特性

在照明技术中，电光源在能量转换时不是百分百将电能全部转换为光能，很大一部分电能转换为热能损耗了，而转换成热能的部分如果没有及时疏解则将导致热能集聚温度升高影响电光源的性能，尤其是大功率照明电光源。

为了满足照明领域对LED高光通量的要求，在优化器件结构、提高发光效率的同时，增加单个LED器件的输入功率是最有效直接的方法，但随着功率的增加，LED会产生大量的热量，从而引起芯片温度的升高，温度升高将影响LED量子效率低、寿命缩短、颜色漂移等技术指标，所以，在大功率照明中必须了解热学特性，考虑散热问题。

由此可见，除了以上描述LED工作瞬时状态的光学和电学特性参数之外，在应用的角度，LED的使用寿命以及工作状态的稳定性和可靠性等参数，以及与寿命和稳定性密切相关的热学特性，也是非常重要的特性参数。

1.LED的使用寿命与可靠性

LED与传统光源相比较的一个重要优势就是其使用寿命长。一般而言，LED的使用寿命在50000小时以上，还有一些生产商宣称其LED可以运作100000小时左右。LED之所以持久，是因为它不会产生灯丝熔断的问题。LED不会直接停止运作，但它会随着时间的流逝而逐渐退化。理论预测以及实验数据表明，高质量LED在经过50000 小时的持续运作后，还能维持初始灯光亮度的60%以上。假定LED已达到其额定的使用寿命，实际上它可能还在发光，只不过灯光非常微弱。通常，LED的寿命结束不是指其不能发光的时间，而是指其光通量（或额定电流）下降到最初使用时一半的时间。

可靠性是在LED的工作（发光）期间，其各个主要特性参数保持在额定范围内的概率，这也是衡量LED产品优劣的一个重要指标。

2.LED的热学特性

影响LED寿命长短的最重要因素是散热的好坏，要想延长LED的使用寿命，就必须降低LED芯片的温度。对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激发效率下降。当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升。

（1）结温及其对LED性能的影响 结温就是LED中pn结的温度，这是影响LED光学特性、电学特性以及寿命的最重要和最根本的参数。

据分析，元件温度每上升2℃，可靠性将下降10%。为了保证器件的寿命，一般要求PN结的结温在110℃以下。而且，随着pn结结温的升高，白光LED器件的发光波长将发生红移。在110℃的温度下，波长可以红移4～9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应减少1%左右，当器件从环境温度上升到150℃时，亮度下降多达35%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已成为LED应用，尤其是功率型LED应用的首要问题。

（2）降低LED结温的途径LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其余部分最终均变成了热，从而抬升了元件的温度。显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热通过各种途径散发到周围环境中去。降低结温所采取的主要的途径如下：

1）减少LED本身的热阻；

2）良好的二次散热机构；

3）减少LED与二次散热机构安装界面之间的热阻；

4）控制额定输入功率；

5）降低环境温度