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探究白光LED的光衰原因

(1) 荧光粉在较高温度下的性能衰退

  LED用的荧光粉受光激发效率随温度的变化关系,似乎还没有相关资料。但已有充分的事实可以证明,温度升高,确实影响到荧光粉的性能和寿命。

有荧光粉厂家做了测试,在温度为80度时,荧光粉的激发效率降低了2%,冷却后又恢复。而这仅仅是做很短的时间的一个测试而已。已说明温度升高,荧光粉的性能下降。至于不可恢复的性能衰退,则是一个累计的过程,需要一定的时间。

  我们也时常会遇到这样的事情,对白光LED使用或老化一段时间,发现LED更亮了,见图一。目前,这种状况对于小功率LED,一般在1000小时之内发生(这里是指1000小时的光通量可能大于初始值,2008年中期后的产品及贴片产品可接近或达到1000小时)。对于小功率封装的LED,这种状况可能维持到2000小时。这种状况可能由下列情况产生:

  A:荧光粉和混合的胶作用,使荧光粉的性能降低,在温度的初期作用下,使荧光粉的性能恢复;

  B:荧光粉和混合的胶作用,使荧光粉的性能提高。

  C:蓝光芯片的初始一段时间性能有增强。

  在试验中发现,在初始一段时间内,白光LED的光通量既有一开始就上升的,也有一开始就下降的。这种状况在相同的红光芯片在不同厂家封装时也有发生。所以,仅以短时间的实验是很难断定是荧光粉的问题,还是封装材料和封装工艺的问题。

 但是,在小功率蓝光LED的寿命试验中发现,普遍存在初始一段时间光通量上升的现象,如图2,一般光通量上升期在200小时左右。而插件白光的光通量上升期一般在100小时左右。由此也可以推断,白光LED应该是荧光粉的性能首先衰退。

  小功率白光LED过了那个短暂的光通量提升期后,情况就很不乐观了,开始像没有翅膀的飞机,结果将不言而喻。大功率白光LED,一般也是在100小时左右光通量上升,之后到6000小时之间处于不是稳定的状态,随时间推移,某些产品的光通量有较大幅度的上升和下降的摆动。到了6000小时以后,基本上开始坚定不移地一路下滑。目前一般的大功率白光产品在1.5~2万小时到达生命的终点(光衰达到50%)。

  (2) 蓝光LED自身的快速衰退

  就芯片相比较而言,蓝光LED的寿命是最差的,小功率插件蓝光LED在20mA工作下,寿命7000~10000小时左右。而小功率插件红光LED甚至在50mA下工作8000小时还没有光衰!同样的封装,红光消耗的功率是蓝光的1.8倍而性能没有恶化。黄光、绿光的寿命都远高于1万小时。

  所以,蓝光芯片自身寿命就差,先天的不足导致由它构成的白光LED的寿命更差。

  就芯片的材料来看,蓝光和绿光LED芯片,主要是外延材料掺杂不同,衬底一般都是蓝宝石,衬底的导热能力向相同的。所以,外延部分的材料结构决定了他们的耐受温度的能力。这应该是芯片改进重点。

  在芯片的外延材料结构没有那么快改善的情况下,只有像这样,通过置换衬底材料来改进导热能力。

  (3) LED封装底座(支架)材料及其他材料的导热不良

  插件型的小功率LED,芯片固定用支架材料一般是铁质,从散热的角度看,铁质材料是很差的。同时,支架向外引出的部分,截面积很小,这也增加了热阻。即使是食人鱼支架,也同样存在截面积小的问题。材质和结构,决定了小功率插件封装导热能力很差。

白光LED的光衰退问题,主要是热引起的,与LED热路径相关的材料都要被考虑。上面已经讨论了底座问题,剩下的就是固晶胶、配粉的胶、保护胶(透镜)的问题。

  有资料表明,使用银浆固晶比用环氧树脂寿命长,但初始光通比环氧树脂低近1/3。

  使用环氧树脂作为配粉胶比用硅胶寿命短,但初始光通量相比高出25%。

  (4) 紫外辐射对LED的影响

  紫外线对LED的影响,主要是对芯片材料、荧光粉和封装胶体的影响。受到影响最大的是封装胶体。一般LED不会对向太阳,进入到LED内部照射到荧光粉和芯片的紫外线只能是一些漫反射光线,所以,紫外线对芯片和荧光粉的作用并不是很强的。

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