LED结温与光色参数的关系及结温极限

张 波，俞安琪

(国家电光源质量监督检验中心(上海)， 国家灯具质量监督检验中心，上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114)

引言

在对LED封装模组进行检测时我们发现其色温，光衰和光效与其结温有着显著的关系，而多数企业在设计产品时，用LED封装模组的特征点温度来替代结温、过分的强调光效，从而会引起设计目的与实际使用的偏差。通过对IES TM-21-11、IES LM-80-15、IES LM-85-14等标准以及文献的研究[1-6]，我们结合测试LED结温及光色参数的结果，阐述了它们之间的关系，为照明产品生产企业的灯具设计提供可参考的思路。

1 LED热阻、光辐射通量及结温的分析

我们对国内外较多批量的LED封装模组进行了结温、光辐射通量、热阻和光效等项目的试验，通过对试验结果的归纳整理，挑选具有共性的数值分析如下：

1)LED热阻的计算。电子行业用的热阻计算公式是Rth=|t2-t1|/P，式中|t2-t1|是器件上两个温度测量点之间的温度差的绝对值；P是施加在电子器件上的电功率。但该公式只适应于整流二极管或普通的功率型集成电路的热阻计算。当电功率施加到LED上并使它正常工作时，这些电功率产生两部分能量，光辐射通量和热量，所以对于照明用LED的热阻计算公式应该是Rth=|t2-t1|/(P-Pvis),式中Pvis是光辐射功率。从表1的数据可看出，热阻随着结温的升高而升高，到了115 ℃后上升明显。

表1 热阻随结温变化的数值Table 1 Thermal resistance values change with junction temperature

2)LED的光辐射效率。LED的设计制造水平越高，Pvis/P的比值(即光辐射效率)越高，在相同的条件下其发热就会明显地减小，对散热的要求就会降低。而因为光辐射效率的提高所以通过荧光粉层后输出的光效lm/W也相应提高[1-2]。

3)Pvis/P的比值是个变量。表1的数据模组在恒定的0.263 A工作条件下测量得到，随着结温tj从55 ℃上升到145 ℃(可以理解成环境温度的升高造成tc(tp)上升)，从表1测量的数据可以看出Pvis/P的比值是一个变量。随着结温tj的升高，LED内部因电极引线电阻造成的损耗和俄歇(Auger)[1]现象造成的损耗都在增加，所以Pvis/P的比值也明显地下降。从实测数据表1 可以看出：①因为tj上升，模组电压略有下降(负电压温度特性)，在恒流的情况下造成功率略有下降。②热阻明显上升，光辐射功率Pvis明显下降，造成Pvis/P的比值明显下降。③Pvis/P比值的下降意味着模组光电转换的效率下降，发热功率增加；并且蓝峰明显红移。④Pvis/P的比值的变小造成LED模组的光效的降低。

从表1的最后一列也可以看出，随着tj结温的升高光辐射效率的下降，LED 模组的光效也明显地下降。

4)LED模组永久性变色的极限温度。图3是某一国际著名的封装模组样品，使其结温由60 ℃上升到140 ℃，然后再回落到60 ℃做出的各有关参数及坐标曲线，图1是光效与结温的关系曲线，当结温是60 ℃时，光效为122 lm/W；当结温是140 ℃时，光效为100 lm/W。当结温下降并且回落到60 ℃时，光效基本恢复到原来的数值。但是从图2和图3可以看到，在结温回复到60 ℃时，Y坐标没有出现明显的偏离，但是X坐标出现了明显的偏离。从图4的坐标里可以明显地看到色坐标的永久性偏离。另从实验数据看此时蓝峰基本回复到原来的位置，这说明该封装模组高结温时荧光粉与硅胶涂层已经变性并且留下不可逆的损伤[3-4]。

图1 结温与光效的关系曲线Fig.1 Curve of junction temperature and luminous efficiency

图2 结温与X坐标的关系曲线Fig.2 Curve of junction temperature and X axis

图3 结温与Y坐标的关系曲线Fig.3 Curve of junction temperature and Y axis

图4 国际品牌CXM-9-30-90-36-AA10-F3-3-XY结温与色坐标的关系曲线Fig.4 Curve of junction temperature and color coordinates of international brand CXM-9-30-90-36-AA10-F3-3-XY

但是，也有一些国际品牌和国内品牌的LED封装模组的高温特性做得很好，当结温从80 ℃上升到140 ℃再回复到80 ℃时，其色坐标几乎没有偏离，这说明该封装模组在经历了140 ℃结温并且持续一段时间后，其荧光粉与硅胶涂层基本没有出现变性的现象。

值得指出的是，LED封装模组在汽车前大灯、体育场投光灯、高速路交叉处的高杆灯及钨丝灯状LED灯等使用场合，因为其内部的LED都工作在较高的结温状态，如果再受到环境温度升高和/或电源电压上升等因素的影响，封装模组的结温完全可能上升到140 ℃甚至更高，在这种使用场合就必须考虑封装模组的耐高温特性，以确保LED照明器具的光衰及色偏移指标能符合预期的要求。但是，并不是在任何场合都需要LED封装模组具有好的耐高温特性，因为LED封装模组的指标有很多项并且是相互关联的，往往某些LED封装模组具有好的耐高温特性，但是光效、显色性等指标不够理想，所以对于工作结温处于远离变性温度的一些照明器具，可以不用考虑这一因素，而应着重考虑其他要素。

2 LED结温的变化与照明产品的参数变化

一般企业都具备测量LED特征点温度tp(tc)点温度的能力。如果根据上面的要求在模组的工作点上获得正确标注出tp(tc)点温度后，设计人员可根据灯具的结构，设计合适的散热器和结构，以保证LED灯具在ta(tq)的环境温度和正常使用的条件下，连续工作达到热平衡时，灯具内小环境里的LED封装模组工作于工作点并且其tp(tc)点的实测温度不高于其标注温度，那么，该灯具就基本能达到预期的光衰和使用寿命。

1)实际灯具产品经常发生的错误。实际上封装模组在照明器具内的工作点往往明显偏离预期的工作点，而设计研发人员基本只经过主观的认识估算模组的结温，往往只用模组引线脚的温升或温度来估算。模组引线脚可以设定为tp(tc)点，但是，这经常会造成差之丝毫，失之千里的后果。图5是控制住tp(tc)点温度进行的专门试验，从图5可以看到，随着驱动电流从0.5 A上升到1.2 A，结温tj与特征点温度tp(tc)的差异也由18.12 K上升到46.89 K。这不仅关系到光效、光衰寿命和色漂移，而且还关系到照明产品的性价比。在实际应用，当驱动电流增大和/或环境温度升高造成结温上升时，前面讲的Pvis/P的比值和光效也明显下降，这就意味着在相同的输入电功率的情况下产生热的比例上升了，这进一步增加了散热的负担，这是一种加速恶化的过程，如果在这过程中封装模组与主散热器之间因为热胀冷缩太过剧烈又造成了接触面产生裂缝，哪怕这种裂缝很微小，也会造成灾难性后果。很多国际品牌的模组供应商都抱怨灯具企业不正确使用造成模组的过热损坏，通过分析、观察，这些过热损坏基本都是由这一问题所引起的[5]。

图5 结温tj与特征点温度tp(tc)的关系Fig.5 The relationship of junction temperature tj and of characteristic point temperature tp(tc)

2)发生在钨丝灯状的LED球泡灯的情况。发生在钨丝灯状的LED球泡灯的情况是比较典型的结温tj与LED特征点温度tp(tc)不太相关的例子。

钨丝灯状的LED球泡灯(图6)，输入电压：218 V；电流：11 mA；环境温度：26.7 ℃(图7线C)；外壳温度：41.8 ℃(图7线B)；结温： 114.54 ℃(图7线A)。测试时间：2 h。测量结果见图7及图8。

图6 钨丝灯状的LED球泡灯Fig.6 LED bulb like lncandescent lamp

图7 钨丝灯状LED灯的结温测量数据Fig.7 Junction temperature of LED bulb like lncandescent lamp

图8 破坏封口前后的结温变化Fig.8 The junction temperature change between before and after damdage the seal

钨丝灯状LED灯的光效及光衰基本由结温确定，但是与是否充入氦气有很大的关系。另外与气体配比成分、压力等也很相关。图7是充入氦气灯的测量情况，可以看出当环境温度为26.7 ℃时，结温稳定在114.5 ℃。从图8(a)可以看出，当破坏灯封口造成氦气泄漏时，结温立刻大幅上升，从原来的111.66 ℃上升到图8(b)161.75 ℃，在漏气后的结温下，光效大幅下降，L70光衰不到3 000 h。

从表2的数据可看出，有没有充气结温tj相差约50 ℃，而玻壳上的特征点温度tp(tc)仅差2 ℃。所以这时候绝对不能用tp(tc)的温度来估算tj。

表2 钨丝灯状LED灯正常、漏气的相关测量数据Table 2 The normal and leakage test data of LED bulb Like lncandescent lamp

3 结温测量的误区

处于正常工作的LED封装模组其PN结晶片是看不见，也触摸不到的，所以只能通过间接的方法测量结温。目前最准确的方法是利用LED正向电压降与结温的关系来标定该曲线并测量。另外的利用蓝峰红移来测量结温的方法因为蓝峰每红移1 nm温度将相差10多摄氏度而造成测量精度无法满足需求。但有企业把小型热电偶穿过荧光粉与硅胶的涂层，使热电偶直接贴到晶片上，他们认为这样就能准确测量出结温。但是忽略了该热电偶测量点挡住了LED的光辐射，这些被挡住的光辐射能量在该测量点上又产生了附加的热量，所以必然得出远远偏离实际的错误数据及结论。恰当的例子是离地面较高的上空有一个同温层，该同温层无论地面四季的变化温度总是定格在-50～-70 ℃之间，按一般的理解是该同温层较地面来说离太阳更近，而且空气稀薄，较地面来说受到的太阳的光辐射量也更大，但是为什么温度反而比地面低呢？其中一个最主要原因是同温层空气稀薄，几乎不能阻挡和接收到太阳的光辐射量，所以其温度基本是低且稳定的。当有实物出现在那里并且接收太阳的光辐射能量时，该实物的温度就会明显地升高[6]。

4 驱动电路散热与光闪烁

提到光闪烁和频闪，人们自然就会联想到LED驱动电路输出电流的波动性，但是，现实的LED照明灯具往往会因为驱动电路散热不良或工作环境过热而造成电解电容容量衰退从而导致LED输出光的闪烁，这是一种与供电电源频率无关的另一类的频闪。产生这类频闪的主要原因是LED驱动电路散热不良或工作环境过热造成整流滤波电解电容内的电解质逐步干枯从而使电容量大幅下降，这使得整流滤波电路的固有的内阻抗与滤波电解电容组成的电路的时间常数(RC)大幅下降；又因为LED的正向特性，所以这两者配在一起工作时，LED两端的工作电压在一个范围内反复波动，LED工作点也在其正向特性曲线上来回移动，造成输出光的闪烁。又因为这种光闪烁的频率一般都在几十赫兹，而且随着电解电容容量的衰退光闪烁的频率和深度也在改变，所以对使用者的影响很大。在一些地下人行通道、地下停车场及大楼内通道中可经常见到这种情况。解决的办法是改善LED驱动器的结构、通风及散热和/或提高电解电容的tc值。

5 结论

1)LED封装模组所声称的光效、光色、光衰等参数都是相对于在规定的热环境和驱动电流的条件下而言的，如果偏离了该规定的工作点，其光效、光色、光衰及电参数都会偏离预期的使用目标甚至出现照明产品内LED模组或封装的严重色偏离、光衰甚至失效。

2)LED封装模组的结温tj是LED产品的核心参数，当LED模组或封装偏离了规定的工作点时，在没有掌握结温tj与特征点温度tc(tp)及环境温度ta的相互关系曲线时，绝对不可以根据特征点(例如引出脚)温度tc(tp)的变化来估算结温tj，否则因不知道实际结温tj而使照明产品的参数明显偏离预期的指标甚至造成照明产品的严重光衰、变色和早期失效。

[1] 汪延明，徐林炜，谈健，等.InGaN基发光二极管光效下降效应研究进展[J].激光与光电子学进展，2012(49)：15-21.

[2] Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources：IES TM-21-11.

[3] Measuring Luminous Flux and Color Maintenance of LED Packages, Arrays and Modules：IES LM-80-15.

[4] 邱跃龙，李宇翔，吴晗，等.灯温对LED照明产品光电参数的影响[J].光源与照明，2015(2)：25-28.

[5] Electrical and Photometric Measurements of High-Power LEDs：IES LM-85-14.

[6] 魏玥峰，徐敏伟，沈远远. 一种半导体发光二级管热可靠性机理及评价方法的研究[J].光源与照明，2016(1)：4-6.