Análise da influência da temperatura no LED

Breve introdução

Como fonte de luz de quarta geração, o LED (diodo emissor de luz) tem grandes perspectivas de desenvolvimento por causa de suas vantagens de economia de energia, proteção ambiental e longa vida. Mas como o LED é muito sensível à temperatura, o aumento da temperatura da junção afetará a vida, eficiência luminosa, cor da luz (comprimento de onda), temperatura da cor, forma da luz (distribuição da luz), tensão direta, corrente máxima de injeção, luminosidade, cromaticidade, elétrica parâmetros e confiabilidade do LED. Neste artigo, a influência do aumento da temperatura nos parâmetros fotoelétricos e na confiabilidade dos LEDs é analisada em detalhes, de modo a facilitar o desenvolvimento de chips de LED e design de dispositivos e desenvolvimento de produtos de iluminação LED.

A alta temperatura causará danos permanentes ao LED

(1) Quando a temperatura de trabalho do LED excede a temperatura do rolamento do chip, a eficiência luminosa do LED diminui rapidamente, resultando em deterioração e danos óbvios da luz.

 

(2) A maioria dos LEDs são embalados com resina epóxi transparente. Se a temperatura da junção exceder a temperatura de transição da fase sólida (geralmente 125 ℃), o material da embalagem se transformará em borracha e o coeficiente de expansão térmica aumentará drasticamente, resultando em circuito aberto e falha do LED.

O aumento da temperatura encurtará a vida útil do LED

A vida útil do LED é representada pela diminuição de sua luz, ou seja, com o passar do tempo, o brilho diminui cada vez mais até que finalmente se apaga. Geralmente, o tempo de atenuação do fluxo luminoso do LED de 30% é definido como seu tempo de vida. Geralmente, as razões para a decadência da luz LED são as seguintes:

 

1. defeitos em materiais de chip de LED irão proliferar e se propagar rapidamente em alta temperatura até que invadam a região luminosa, formando um grande número de centros compostos não radiativos, o que reduz seriamente a eficiência luminosa do LED. Além disso, em alta temperatura, os micro defeitos no material e as impurezas em rápida expansão da interface e da placa elétrica também serão introduzidos na região emissora de luz, formando um grande número de níveis de energia profundos, que também irão acelerar o decadência de luz de dispositivos LED.
2. Em alta temperatura, a resina epóxi transparente fica desnaturada e amarela, o que afeta seu desempenho de transmissão de luz. Quanto mais alta for a temperatura de trabalho, mais rápido esse processo continuará, o que é outra razão principal para o declínio da luz do LED.

3. A degradação da luz dos fósforos também é uma das principais razões para a degradação da luz do LED, porque os fósforos se deterioram seriamente em alta temperatura. Portanto, a alta temperatura é a principal causa da degradação da luz do LED e encurta a vida útil do LED.

Diferentes marcas de atenuação de luz LED são diferentes, geralmente os fabricantes de LED darão um conjunto de curva de atenuação de luz padrão. Por exemplo, a curva de decaimento de luz do Luxeon K2 da empresa lumiled Philips mostra quando a temperatura da junção aumenta de 115 ℃ para 135 ℃, sua vida útil será reduzida de 50.000 horas para 20.000 horas.

 

A atenuação do fluxo luminoso do LED causada pela alta temperatura é irrecuperável, e o fluxo luminoso antes que a atenuação irrecuperável da luz não ocorra é chamado de “fluxo luminoso inicial” do LED.

 O aumento da temperatura reduzirá a eficiência luminosa do LED

As razões para a influência da temperatura na eficiência luminosa do LED incluem os seguintes aspectos:

 

(1) com o aumento da temperatura, a concentração de elétrons e lacunas aumentará, o gap diminuirá e a mobilidade do elétron diminuirá.

 

(2) conforme a temperatura aumenta, a probabilidade de recombinação da radiação de elétrons e buracos no poço de potencial diminui, resultando em recombinação de não radiação (gerando calor), reduzindo assim a eficiência quântica interna do LED.

 

(3) o aumento da temperatura faz com que o pico da onda azul do chip mude para a direção da onda longa, de modo que o comprimento de onda de emissão do chip não corresponda ao comprimento de onda de excitação do fósforo, e também reduz a eficiência de extração do branco Luz externa LED.

(4) com o aumento da temperatura, a eficiência quântica do fósforo diminui, a saída de luz diminui

es, e a eficiência de extração de luz externa do LED diminui.

 

(5) o desempenho da sílica gel é muito afetado pela temperatura ambiente. Com o aumento da temperatura, o estresse térmico dentro da sílica gel aumenta, resultando na diminuição do índice de refração da sílica gel, o que afeta a eficiência luminosa do LED.

Em geral, a diminuição do fluxo luminoso com o aumento da temperatura da junção é reversível. Ou seja, quando a temperatura retornar à temperatura inicial, o fluxo de saída de luz terá um crescimento restaurador. Isso ocorre porque alguns parâmetros do material mudarão com a temperatura, o que levará às mudanças dos parâmetros do dispositivo de LED e afetará a saída de luz do LED. Quando a temperatura retorna ao estado inicial, as alterações dos parâmetros do dispositivo LED desaparecem e a saída de luz LED retorna ao estado inicial. Por este motivo, o fluxo luminoso do LED pode ser dividido em “lúmen frio” e “lúmen quente”, que representam respectivamente a saída de luz do LED à temperatura ambiente e a uma determinada temperatura.

 

Geralmente, a relação entre o fluxo luminoso do LED e a temperatura da junção pode ser expressa pela equação (1)

Entre eles, Φ (T1) representa o fluxo luminoso (lm) na temperatura de junção T1, Φ (T2) representa o fluxo luminoso (lm) na temperatura de junção T2, K é o coeficiente de temperatura (1 / ℃) e ΔT é o diferença na temperatura da junção do LED, ou seja, ΔT = T2-T1.

 

Em geral, os valores podem ser determinados por experimentos. Por exemplo, para LEDs baseados em InGaAlP, os valores de △ são mostrados na Tabela 1.

Categoria de material LED	Coeficiente de temperatura (1 / ℃)
InGaAlP / GaAs @ laranja vermelho	9.52 x 10-3
InGaAlP / GaAs @ yellow	1.11 x 10-1
InGaAlP / GaP @ vermelho brilhante alto	9.52 x 10-3
InGaAlP / GaP @ amarelo	9.52 x 10-2

(Coeficiente de temperatura do LED com diferentes materiais)

O coeficiente de temperatura K do efeito da luz do LED deve ser inferior a 2,0 × 10-3, de modo que a saída de luz do LED causada pela temperatura não seja muito reduzida. Por exemplo, a saída óptica do LED InGaN é cerca de 11% menor do que a do LED InGaN quando a temperatura de junção é 25 ℃.

No momento, os coeficientes de temperatura dos LEDs brancos baseados em GaN estão principalmente entre 2,0 × 10-3 e 4,0 × 10-3, e alguns até chegam a 5,0 × 10-3. Se o valor K do LED for muito grande, devemos prestar mais atenção ao controle da temperatura da junção.

A influência da temperatura no comprimento de onda (cor da luz) do LED

O comprimento de onda de emissão do LED pode ser dividido em comprimento de onda de pico e comprimento de onda principal. O comprimento de onda de pico é o comprimento de onda com a maior intensidade de luz, enquanto o comprimento de onda principal pode ser determinado pelas coordenadas de cromaticidade X e Y, refletindo a cor percebida pelos olhos humanos. Obviamente, a mudança do comprimento de onda do LED causada pela temperatura da junção levará diretamente a uma percepção diferente da cor do LED. Para um dispositivo LED, o valor do gap do material emissor de luz determina diretamente o comprimento de onda ou a cor do dispositivo. À medida que a temperatura aumenta, o gap do material diminui, resultando em um comprimento de onda mais longo e um desvio para o vermelho da cor.

Geralmente, a variação do comprimento de onda com a temperatura da junção pode ser expressa como a equação (2):

Entre eles, λ (T2) representa o comprimento de onda (nm) na temperatura de junção T2, λ (T1) representa o comprimento de onda (nm) na temperatura de junção T1, K representa o coeficiente de mudança de comprimento de onda com a temperatura, geralmente 0,1 ~ 0,3nm / K ΔT = T2-T1.

 

Influência da temperatura na tensão direta do LED

A tensão direta é um parâmetro importante para determinar o desempenho do LED. Seu tamanho depende das características dos materiais semicondutores, tamanho do chip, junção do dispositivo e processo de fabricação do eletrodo. Em comparação com a corrente direta de 20 mA, a tensão direta do InGaAlP – LED é de 1,8 ~ 2,2 V e a do InGaN – LED é de 3,0 ~ 3,5 V. Na pequena aproximação de corrente, a queda de tensão direta dos dispositivos LED pode ser expressa pela equação (3):

Onde Vf é a tensão direta, If é a corrente direta, Io é a corrente de saturação reversa, q é a carga do elétron, K é a constante de Boltzmann, Rs é a resistência em série en é um parâmetro que caracteriza a perfeição de P Junção / N, entre 1 e 2. No lado direito da fórmula 3, apenas a corrente de saturação reversa Io está intimamente relacionada à temperatura, e o valor de Io aumenta com o aumento da temperatura da junção, resultando em uma diminuição na direção valor de tensão Vf. O experimento apontou que na condição de corrente de entrada constante, para um determinado dispositivo LED, a relação entre a queda de tensão direta em ambas as extremidades e a temperatura pode ser expressa pela fórmula (4):

Na fórmula (4), Vf (T2) e Vf (T1) representam a queda de tensão direta quando a temperatura da junção é T2 e T1, respectivamente. K é o coeficiente de queda de tensão com a temperatura, geralmente entre 1,5 e 2,5 mV / K, ΔT = T2-T1.

 

Quando a corrente é fixa, a tensão direta do led diminuirá quando a temperatura aumentar. Como a relação entre a tensão direta e a temperatura é quase linear, a maioria dos instrumentos de teste de resistência térmica de led usa essa característica para medir a resistência térmica ou temperatura de junção.

Uma temperatura muito alta limita a corrente de injeção máxima do LED

Conforme a temperatura aumenta, o gap do material diminui, resultando na diminuição da corrente máxima de injeção.

 

Além disso, a temperatura também afetará a curva de distribuição da luz, a temperatura da cor e a reprodução das cores do LED.

 

A temperatura afeta o índice de refração de materiais transparentes, o que mudará a distribuição espacial da luz do LED, ou seja, a curva de distribuição da luz.

 

Se a temperatura for muito alta, o pico da luz azul mudará e o pico do fósforo ficará plano e deteriorado, o que levará à alta temperatura da cor e baixa renderização da cor do LED.

 

Resumindo, a lâmpada LED de alta potência gera uma grande quantidade de calor, levando a uma alta temperatura de trabalho e uma queda acentuada no desempenho. Somente compreendendo profundamente as características de temperatura dos LEDs e desenvolvendo chips de LED de baixa resistência térmica e produtos de aplicação de LED é que a superioridade dos LEDs pode ser verdadeiramente refletida.