LED熱特性及可靠性
LED熱特性及可靠性
主講人：郭偉玲
日 期：2018.3.30
郭偉玲 ，北京工業大學教授，光電子技術教育部重點實驗室 副主任， 天津大學半導體物理與器件學士;北京工業大學微電子學與固態電子學碩士和博,99年至01年曾在香港大學從事OLED研究工作。目前主要研究方向：1、半導體激光器和發光二極體的研製;2、GaN功率電子器件研製;3、半導體器件熱特性和可靠性研究。設計製備了雙波長激光器、高壓LED晶元和微顯示器件；承擔了國家科技支撐計劃、863、北京市科委重大專項等項目30餘項，承擔了多項大型產業化研究項目。作為骨幹參與項目20餘項；發表論文90 余篇，SCI/EI 檢索50餘篇；申請發明專利27項；獲國家重點新產品獎1項、北京市技術發明一等獎1項、省部級科技進步二等獎3項。作為主編出版《LED器件與工藝技術》專著一部。任半導體照明課題組組長，兼任《照明工程學報》副主編、科技部第三代半導體材料及應用專家。
聯繫方式：67392123-837, guoweiling@bjut.edu.cn
本次大家談將會邀請到北京工業大學 郭偉玲教授為大家分享話題：LED熱特性及可靠性。
各位專家，企業家，朋友，大家晚上好，非常高興與各位行業專家一同分享話題：LED的熱特性及可靠性。
我會分上面幾部分來介紹。
我們先從基本概念開始,為什麼LED的參數都對溫度特別敏感,原因是半導體材料本身的特性決定的,比如GaN的禁帶寬度與溫度的關係。高溫的時候GaN的禁帶寬度與溫度近似線性關係。
現在圖片好了，LED材料的載流子濃度也和溫度關係密切。
這是晶格常數和溫度的關係, 左圖是GaN單晶層材料晶格常數a和c隨溫度升高而增大,右圖是GaN體材料和薄層材料的晶格常數和藍寶石材料晶格常數的偏差隨溫度的變化,顯然高溫的時候偏差小而低溫時偏差大,外延設計的時候就要考慮到這種高低溫的差異。
光譜與溫度的關係是基於波長與禁帶寬度成反比的關係，如果我們發現一個現象，最後都能回歸到基本原理和公式。
峰值波長隨溫度升高線形增大，即紅移。
這個左圖是我們做的一個高顯指的白光LED光譜隨溫度的變化, 右圖是一個RGB器件在3個溫度下的光譜,隨著溫度升高,光譜的強度變低,位置紅移,這必然導致所有的光度學和色度學參數的變化,下一頁的表格就給出了這些參數的變化。
這個表格不僅給了每個參數隨溫度的變化，還提到了等功率的問題，因為高溫電壓下降，整體功率會下降，為了等功率就要提高電流。
正向壓降和溫度的關係，是從LED的I-V方程里可以得到 Vf=AT+B, 正向電壓隨溫度升高線性下降. 低溫電壓升高,對最高工作電壓提出要求。
這是不同材料的器件的Vf-T曲線，斜率就是每個器件的溫度係數。
由於光譜會隨溫度變化，因此輸出光功率,光通量,光效都會隨溫度升高而下降, 這個圖的100%的位置取在室溫，低溫光通量會增加，但電壓也會增加。反之，高溫光通量會下降，但電壓也下降。下降速率的不同是由於InGaN和AlGaInP材料的特性決定的。
LED壽命和溫度成指數衰減關係, 比如別人的燈具壽命4萬小時, 你的只有1萬多, 其實是因為人家的LED結溫是63度, 你的是74度，只有11度的差距，壽命可差了2倍多。既然結溫這麼重要,怎麼來評價呢？LED的熱阻Rth是評價其熱特性的重要參數.表示單位功率的界面溫差。
在這個圖的垂直界面上可以測算每部分的熱阻，瞬態熱阻測量法也可以直接測出各部分熱阻。
舉個例子，對cree的這個器件，器件做好基本熱阻就確定了, 但隨著功率增大結溫會升高，而且這個例子里看晶元到熱沉的熱阻並不大（Rthjb），熱沉到環境的熱阻更大（Rthba）。所有為了降低成本而選擇大電流的做法是非常錯誤的。
熱阻的測試方法有紅外熱像儀法, 正向壓降法, 波長漂移法等等. 瞬態的正向壓降法可以測出各個界面的熱阻, 進口設備可以測，我們這邊有人可以定做這個測試設備。
穩態的正向壓降法最簡單，自己都可以搭平台測試，要注意的是溫度係數測量時測試電流的大小和測結溫時穩定時間。
這是我們自己做的高壓LED進行的紅外測試，紅外的優點是可以看分布，找到最高溫度點。
在LED熱阻定義中考慮和不考慮光功率的問題有很多討論，我們也做了一些測試，因為一個器件的熱阻從晶元到環境各個部分都會影響，考慮光功率會出現光效高而熱阻高的情況，對於沒有理論基礎的用戶就會比較暈，所以還是建議不考慮好一些。既然溫度這麼重要，我們也給聯盟提了「LED變溫和變電流參數測試標準」。
我們希望晶元、封裝公司能夠給應用客戶提供上述兩個表格，有了這兩個表格，設計人員才能在成本、性能和可靠性方面權衡，設計出好的產品。這個後面還會舉例說明。
上面這個圖要說明的是，你買的時候光效高，不能說明你用的時候光效也高，還要看隨著溫度的衰減速度。
這個是可靠性概念最基本的圖，要做統計分布的都可以參考。
這是phillip公司給出的LED壽命預測圖，我們也希望一些LED的大公司能夠給客戶提供這樣的一些圖。高溫會指數關係縮短壽命，電流會負平方關係縮短壽命。就是所謂的阿倫尼吳斯和艾倫模型。
這是cree和lumiled公司的burn in試驗表格，他們的新品都要經過嚴格的老化才會投放市場。LED可靠性也是一個很複雜的綜合工作，我們也做了不少研究。
加速壽命試驗、靜電打擊、系統失效機理分析。
新的產品會有新的問題，比如這是我們分析一個公司的高壓LED，在大電流下發生了電遷移。
除上面的工作，我在2010年就做了800X600 的microLED display，現在也做一些功率器件。
回到正題，我們來做個總結，如何提高系統的效率：是要分別提高圖中的1、2、3、4的，特別的是提出了單獨的熱效率。
這是2010年青島的一家路燈公司產品出了問題找我分析，這裡面他用的電流800，我們建議的是500性價比最好。另外他的光學系統、散熱都嚴重的降低了效率。
拿這個燈舉例：比如同一款LED在350mA, 130lm/W； 100mA, 190lm/W,要做1200lm燈具, 可以用前者9W9隻，也可以用後者6W 18隻，但後者不僅更節能，壽命還更長，結溫更低，電池和太陽能板的容量都可以下降。
所以，我覺得LED產業要想發展的更好，就要把LED用好，而目前距離用好還有很大的距離。比如為什麼一個房間不直接用3V 1W的LED射燈，而要轉換到220V，希望照明設計人員能和LED產品直接對接，出更好的節能創新產品。希望我們的LED行業創新不斷，廣東省光電技術協會越辦越好！謝謝大家！
本文為廣東省光電技術協會原創
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