近年來，LED技術得到迅猛發展，其在信號指示、照明、背光源、顯示等方面得到廣泛的應用。隨著芯片技術的提高，LED已經進入大功率的時代。現在 1W 級的大功率LED正被照明行業使用，并顯示出了光明的前景。LED功率及光效的提高，使得LED燈具代替傳統照明方式成為可能。發光二極管的核心部分是由 p型半導體和n型半導體組成的芯片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的p-n結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能，LED就是利用注入式電致發光原理制作的。
由于目前LED量子效率低，在工作過程中會產生大量的熱，大功率LED的熱效應尤為明顯。如果這些熱量不能及時的散發出去，就會使LED中p-n結的溫度(結溫)迅速升高，導致芯片載流子有效復合幾率下降，出射光子的數目減少，取光效率降低，還會使得LED芯片的發射光譜發生紅移，這對利用藍光激發YAG發光粉來取得白光的LED照明系統是非常不利的，因此LED的散熱成為 LED照明技術發展的重大課題，解決LED照明系統的散熱問題迫在眉睫。
COB技術是裸芯片貼裝技術之一，半導體芯片貼裝在印刷線路板上，芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實現。在大功率LED燈具制造過程中，通常的做法是利用COB的方法將LED芯片封裝在鋁質或者銅質基板上，利用自動焊線機將芯片與基板上的電路連接，再將基板與外部電路連接在一起。基板固定在鋁質散熱器上將熱量散發出去。因此，散熱器質量的好壞直接影響著LED燈具的壽命、效率和出光質量。
對于制造性能可靠，高亮度LED系統，熱管理是一個關鍵技術。解決LED照明系統的散熱問題，必須預先知道溫度對大功率LED照明系統的光電參數的影響。國內外許多學者對LED芯片的熱阻方面做了大量的研究，但對于商用照明的白光LED的散熱方面的研究卻很少。本文就照明用大功率白光LED燈具中，光源光通量、電學參數等光電參數受溫度的影響做出分析。
2 測試系統及實驗
2.1 實驗選材與儀器
本文采用的是1Wx3串聯封裝的白光LED照明模塊，其結構如圖1所示。芯片選用晶元光電制造的45mil藍寶石襯底InGaN芯片。發光粉與硅膠以一定比例混合制成發光粉涂層。導熱膏選用TIG78040型導熱膏，其熱導率為4.0W/mK。基板材質為鋁質。選取4 只不同規格的鋁合金(6063)圓柱形鰭片散熱器，編號為1-4號，其中1號散熱器經過氧化處理，2-4號散熱器未經過氧化處理。規格分別為 Φu03A630mmxH47mm，Φu03A653mmxH30mm，Φu03A645mmxH54mm，Φu03A644mmxH64mm。利用PMS-50plus紫外- 可見-近紅外光譜分析系統記錄光電參數。并用TC-2008多路溫度測試儀記錄溫度。
圖1 通用照明LED模塊結構示意圖
2.2 實驗過程與數據采集
將LED光源安裝在散熱器上，把TC-2008多路溫度測試儀的熱電偶安裝在散熱器內部以測量散熱器的溫度，測試點為鋁質散熱器與基板相接處。將上述裝置安裝好后放入積分球，利用350mA恒流電源驅動，以10s為周期記錄溫度與光電參數。測試系統結構如圖2所示。在穩恒電流驅動下的LED模塊，熱量由能夠很好的滿足散熱要求的鋁基板傳輸到鰭片散熱器上，再依靠鰭片散熱器散發出去。LED模塊工作時散熱器溫度會迅速升高，連接在一起的TC- 2008多路溫度測試儀會記錄散熱器溫度的瞬時值，同時，PMS-50光譜分析系統會記錄下相應的光電參數。
圖2 LED光電參數測試系統結構示意圖
3 結果與分析
3.1 溫度對光通量的影響
對于正裝大功率LED，芯片側表面和上表面散熱能力差，熱量絕大部分是依靠熱傳導將熱量傳到散熱器，利用散熱器的對流將熱量散掉。因此，LED散熱器質量的好壞直接影響著LED中p-n結的溫度，LED的衰減主要取決于結溫。
所以，設計和使用合理的散熱器對于降低大功率LED的光衰有著重要的意義。如圖3所示，以350mA電流驅動LED光源，其溫度會在一段時間內迅速上升，并且維持在熱平衡溫度上。其原因主要是由于LED開始通電時會產生大量的熱量，但芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)的熱導率很低 (4.0W/mK)，這些熱量傳到散熱器上需要一定的時間，所以會有一段溫度急劇上升的曲線，當基板和散熱器溫度相同時，就達到了一種熱平衡狀態。此時，基板和散熱器的溫度不再變化，并將維持下去。這一熱平衡溫度取決于散熱器的形狀和大小，如圖所示，四只散熱器樣品達到熱平衡狀態的時間和最后的溫度是不同的，其熱平衡溫度分別為59.8，49.0，47.4，44.4℃。
圖3 LED模塊溫度隨時間的變化圖
實驗還發現，在熱平衡之前，光通量會有一急劇下降的趨勢，如圖4所示。四只散熱器樣品光通量在熱平衡時其值分別為 167.9，174.9，173.3，172.4lm。在這個過程中，LED模塊在各個散熱器樣品上達到熱平衡所用的時間和光通量達到穩定的時間趨于一致。在這個過程中，散熱器溫度的高低對LED模塊輸出的光通量有直接的影響。
1號散熱器熱平衡溫度最高，最后輸出的光通量最低，2、3、4號散熱器熱平衡溫度較接近，熱平衡時穩定輸出的光通量值也相近。表明照明用大功率 LED的光通量具有如下規律：在接通電源時的最初一段時間內，光通量呈下降趨勢，隨后光通量將穩定在一熱平衡值附近，其大小隨所選取的散熱器不同而異。
圖4 LED模塊光通量隨時間的變化
為了便于研究溫度對光通量的影響，繪制出光通量對溫度的曲線，如圖5所示。在光通量隨溫度變化的曲線圖中，光通量與溫度呈現出線性關系，并且四只散熱器樣品的曲線斜率幾乎相同，但是截距不同。
對圖5四條曲線進行線性擬合，得到它們的光通量溫度系數K分為-0.35227，-0.30690，-0.31457，- 0.31763lm/℃。擬合的結果表明，四只散熱器樣品的光通量隨溫度的變化趨勢一致。由此我們推斷，對于同種芯片和同種材料的散熱器，LED光通量的溫度系數與散熱器的大小和形狀無關。利用散熱器溫度來計算照明用白光LED光通量的方程：
式中，Φu03A6(t)表示在散熱器溫度為t時LED模塊的光通量;K表示光通量溫度系數，根據本文所選用的芯片與散熱器，其值為(-0.33±0.02)lm/℃;t0表示散熱器的初始溫度;Φu03A60表示LED模塊的初始光通量。
圖5 LED光通量隨溫度的變化曲線
由圖3、圖4、圖5可知，對于LED模塊：1)散熱器的溫度經一段時間后會達到熱平衡狀態，其時間的長短取決于散熱器的大小和形狀。2)散熱器的熱平衡溫度決定LED輸出的光通量，可以利用散熱器熱平衡溫度根據上述公式計算LED模塊光通量。3)散熱器的大小、形狀是影響熱平衡溫度的重要因素。 4)在LED模塊中，光通量與溫度成線性關系，對同種材料的散熱器，其大小、形狀對光通量溫度系數K影響不大。
3.2 溫度對電學參數的影響
對于單色LED芯片，在輸入電流恒定的條件下，很多半導體器件的結電壓與溫度具有良好的線性關系。發光材料、襯底材料、發光波長、芯片尺寸都會影響LED的電壓溫度系數，但是對于同類芯片，其電壓溫度系數基本一致。在本實驗中采用商用大功率白光LED，研究散熱器溫度對其電學參數的影響，根據 PMS-50光譜分析系統記錄的數據，將電壓隨溫度的變化繪制成曲線圖，如圖6所示。利用350mA恒流驅動的LED，不考慮LED系統中歐姆接觸引起的壓降，此時的驅動電壓計算方法為
圖6 LED正向電壓隨溫度的變化
式中，n為理論因子，其值會隨著正向電壓變化情況有很大不同。Io為反向飽和電流。k為玻耳茲曼常數。如圖6所示，在本實驗中，驅動電流IF=350mA保持不變，隨著溫度升高，驅動電壓下降，說明反向飽和電流在快速增大。
從圖6可以發現，在溫度升高的過程中，正向電壓呈下降的趨勢，散熱器溫度與驅動電壓表現出線性關系。通過線性擬合，電壓溫度系數分別為 -0.0056539，-0.0065506，-0.0067925，-0.0069680V/℃。正向電壓的下降程度由于散熱器的型號不同而不同。2、 3、4號散熱器由于體積相對較大，而最后的熱平衡溫度較低(圖3)，所以在整個過程中，LED的正向電壓下降幅度小;1號散熱器由于體積較小，穩定時的熱平衡溫度較高，所以在這個過程中，LED兩端的電壓變化較大。同時，四樣品的功率和光效也呈現出了降低的趨勢，在達到熱平衡后，其功率和光效呈現出穩定狀態，如圖7(a)所示。
圖7 LED模塊的功率(a)和光效(b)變化趨勢
由于p-n結產生的熱量不能及時散發出去，導致電子與空穴的復合幾率降低，發光效率降低，圖7(b)為四樣品的發光效率變化趨勢。由圖5與圖 6，LED照明系統光通量、電壓與溫度都具有線性關系，在350mA恒流驅動條件下，其發光效率與溫度同樣具有線性關系，如圖8。經線性擬合，光效溫度系數分別為-0.073556，-0.05342，-0.054793，-0.055203lm·℃·W-1。
圖8 LED發光效率與溫度的關系
4 結論
照明用大功率白光LED溫度對光電參數的影響進行研究。利用不同型號的散熱器來控制LED模塊的熱平衡溫度，分析了溫度對其光電參數的影響。研究發現散熱器的大小、形狀決定了LED模塊熱平衡溫度;在LED模塊電源接通時，LED光通量、電壓、功率、光效均有急劇下降的一段時間，最終穩定在熱平衡值附近，其值大小與LED模塊熱平衡溫度有關。研究還發現：對于照明用大功率白光LED系統，光通量、驅動電壓和發光效率均與溫度呈現出線性關系，通過線性擬合，總結出了鋁合金(6063)散熱器下的光通量溫度系數、電壓溫度系數和光效溫度系數。
