白光LED衰減的光譜分析

 

       白光LED與白熾燈及熒光燈相比具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長、環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)，采用白光LED取代白熾燈及熒光燈照明將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。自20世紀(jì)90年代中后期白光LED的問世以來，白光LED引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，日本、美國、歐盟、韓國等國家相繼制定了國家發(fā)展計(jì)劃大力支持白光LED的研究、積極推動白光LED應(yīng)用，計(jì)劃用半導(dǎo)體照明替代白熾燈。以Lumileds、Cree、Osram、Nichia等公司為代表的企業(yè)，在白光LED的研究和產(chǎn)業(yè)化方面取得了較大進(jìn)展。在350 mA電流驅(qū)動下Lumileds LUXEON I白光LED光通量可達(dá)45 lm；Cree XLamp7090白光LED光通量可達(dá)50lm；Osram Golden DRAGON白光LE D光通量可達(dá)39 lm；Niehia NCCW 系列白光LED光通量可達(dá)50 1m。近年來，白光LED在手機(jī)、中小尺寸LCD背光源、汽車照明等領(lǐng)域已有大量應(yīng)用。目前白光LED已經(jīng)開始進(jìn)入照相機(jī)閃光燈、裝飾照明、礦井照明等領(lǐng)域，可以預(yù)見在未來的幾年內(nèi)，白光LED將逐步進(jìn)入更加廣泛的照明領(lǐng)域。
       隨著白光LED應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，除白光LED發(fā)光效率外，其工作壽命同時(shí)也成為關(guān)注的焦點(diǎn)之一。對支架式白光LED的研究發(fā)現(xiàn)，不同的封裝材料如支架、固晶膠、包封材料、熒光粉等對白光LED的光衰有著不同的影響[1]，并通過加速老化的方法研究了支架式白光LED衰減特性和壽命[2]。為了促進(jìn)大功率LED產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的發(fā)展，大功率LED特性的研究逐漸成為半導(dǎo)體行業(yè)的焦點(diǎn)之一，我公司在大功率LED的芯片鍵合材料、熱阻特性等方面已有一定的研究[3-6 ]。本文通過研究PLCC-4型和大功率白光LED的光譜來分析白光LED的衰減特性，為大功率白光LED的器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

       白光LED的實(shí)現(xiàn)方式目前主要有三種：藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光粉方式、RGB三合一方式和紫外光LED激發(fā)多色熒光粉方式。但由于壽命和效率的問題紫外光LED激發(fā)多色熒光粉方式很少采用，目前應(yīng)用較廣泛的為藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光粉方式。實(shí)驗(yàn)考察了①采用藍(lán)光LED+YAG熒光粉方式封裝的PLCC-4型白光LED；②藍(lán)光LED+熒光粉晶片方式封裝的PLCC-4型白光LED；③RGB三合一方式封裝PLCC-4型白光LED；④藍(lán)光LED+YAG熒光粉方式封裝的大功率白光LED(Φl0金屬線路板封裝)。① 、② 、③類PLCC-4型白光LED在室溫環(huán)境中以20 mA直流電老化和測試；④類大功率白光LED在室溫環(huán)境中以350 mA直流電老化和測試。測試儀器為浙江三色儀器有限公司生產(chǎn)的SPR-920D光譜光度測試儀。

       PLCC-4型白光LED經(jīng)過8周時(shí)間的老化，其光譜變化情況如圖1所示，其中(a)為采用YAG熒光粉封裝；(b)為采用熒光粉晶片封裝；(c)為采用RGB三合一方式封裝。

      大功率白光LED經(jīng)過4周時(shí)間的老化，其光譜變化情況如圖2所示。

       從圖1、圖2中可以看出，采用熒光粉封裝的白光LED的衰減包括藍(lán)光和黃綠光部分的衰減，采用RGB三合一方式封裝的白光LED衰減主要表現(xiàn)為藍(lán)光的衰減，紅、綠光的衰減很微小。

       由于白光是由多種單色光混合而成的，因此白光中單色光的衰減情況可以反映出白光的衰減情況。光譜曲線反映了各單色光的能量分布，則光譜曲線所包含的面積可反映其總的輻射能量，曲線所包含面積的對比則可反映其光譜能量的變化。從光譜曲線可以看到，YAG熒光粉封裝的白光LED光譜可以分為兩段，在波長為400～495 nm可視為藍(lán)光段，495 nm以上的波段可視為黃綠光段。設(shè)白光LED在老化前的光譜曲線函數(shù)為
       則藍(lán)光段的光譜能量為：
       黃綠光段的光譜能量為：

       設(shè)白光LED在老化后的光譜曲線函數(shù)為
       則藍(lán)光段的光譜能量為：
       黃綠光段的光譜能量為：

       由于白光LED的光譜曲線為非規(guī)則光滑曲線，直接計(jì)算積分將有一定困難，其積分可采用光譜曲線所包含的面積近似代替，通過計(jì)算可得采用YAG熒光粉封裝的白光LED在經(jīng)過8周老化前后藍(lán)光及黃綠光部分光譜能量為：

        則藍(lán)光部分衰減幅度為：

        黃綠光部分衰減幅度為：
        采用光譜光度測試儀測試時(shí)波長間隔為5 nm，采用上述計(jì)算原理計(jì)算結(jié)果如表1所示。

 

 

 

 

       從以上的計(jì)算可以看出，采用YAG熒光粉及熒光晶片封裝PLCC4型白光LED，其衰減過程中，黃綠光部分的衰減與藍(lán)光部分的衰減大致相當(dāng)，表明此時(shí)白光的衰減基本上是由藍(lán)光的衰減所引起的。采用RGB LED封裝的PLCC-4型白光LED其衰減主要表現(xiàn)為藍(lán)光部分的衰減，黃綠光部分的衰減幾乎可以忽略。而Power白光LED表現(xiàn)出與PLCC-4型白光LED不同的特性，從計(jì)算可以看出黃綠光的衰減比藍(lán)光的衰減多了10％ 以上。由于黃綠光部分是由藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉而發(fā)出的光，因此黃綠光部分的衰減可能的原因?yàn)樗{(lán)光部分的衰減及熒光粉的衰減�？梢酝茰y，一方面由于藍(lán)光的衰減而導(dǎo)致白光的衰減，同時(shí)藍(lán)光的衰減導(dǎo)致激發(fā)能的衰減而致使熒光粉黃綠光發(fā)射的減少；另一方面由于熒光粉轉(zhuǎn)換效率降低也導(dǎo)致黃光發(fā)射的減少。引起熒光粉量子效率降低的因素有溫度猝滅、濃度猝滅、雜質(zhì)猝滅等，在摻雜一定的情況下，溫度猝滅是引起熒光粉量子效率降低的主要因素。PLCC-4型白光LED熱阻約為300℃／W，在30℃環(huán)境30 mA電流驅(qū)動的工作狀態(tài)下，芯片的結(jié)溫約為60℃ ；金屬線路板封裝大功率白光LED熱阻約為20℃／W，在30℃環(huán)境350 mA電流驅(qū)動的工作狀態(tài)下，芯片的結(jié)溫 也約為60℃ 。而在實(shí)際應(yīng)用中，各類白光LED將焊接在PCB板上，PLCC-4型白光LED焊接到線路板后其系統(tǒng)熱阻變化很小，但焊接Power白光LED所使用的PCB板將對系統(tǒng)熱阻產(chǎn)生較為明顯的影響。由于PowerLED的發(fā)熱量相對于PLCC-4型LED大，系統(tǒng)的熱阻將對Power LED上的熱量產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)系統(tǒng)的熱阻超過50℃／W時(shí)，在30℃環(huán)境350 mA電流驅(qū)動的工作狀態(tài)下，芯片的結(jié)溫 將超過80℃ 。由于熒光粉的衰減在PLCC-4型白光LED上并未表現(xiàn)或表現(xiàn)的并不明顯，而Power白光LED與PLCC-4型白光LED最根本的區(qū)別僅在于兩類器件的熱阻不同。因此，Power白光LED黃綠光部分的衰減快于藍(lán)光部分的衰減，其原因可以歸結(jié)為藍(lán)光的衰減及熒光粉的溫度猝滅。

       藍(lán)光和黃綠光的衰減同時(shí)影響著白光的光學(xué)特性，由于藍(lán)、綠、紅三種顏色光的比例發(fā)生了變化，將導(dǎo)致白光色度坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)等特性發(fā)生變化。在我們的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，色度坐標(biāo)、色溫的變化具有一定的共性，采用熒光粉封裝的白光LED和采用RGB三合一方式封裝的白光LED都表現(xiàn)為色度坐標(biāo)逐步紅移，色溫降低，顯色指數(shù)有波動。從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著白光LED光發(fā)射的衰減，白光LED的顯色指數(shù)有降低的趨勢。
      因此，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展白光LED產(chǎn)業(yè)和推動白光LED應(yīng)用過程中，需要采取對策減小藍(lán)光芯片本身的衰減、提高器件的散熱性能、改善應(yīng)用產(chǎn)品的散熱結(jié)構(gòu)，并降低熒光粉的溫度猝滅效應(yīng)。

       通過對比試驗(yàn)觀察白光LED的老化光譜曲線，分析采用熒光粉封裝的白光LED和采用RGB三合一方式封裝的白光LED衰減的機(jī)理及衰減過程中色度參數(shù)變化的規(guī)律。通過光譜能量曲線分析，采用YAG熒光粉、晶片、RGB LED封裝的PLCC-4型白光LED的衰減過程基本相同，主要是由藍(lán)光的衰減所引起；Power白光LED的衰減是由藍(lán)光的衰減及熒光粉的衰減所引起，因藍(lán)光的衰減而引起的白光衰減至少占80％。通過分析可以進(jìn)一步推斷：系統(tǒng)在散熱條件足夠理想附隋況下，白光LED的衰減主要由藍(lán)光的衰減引起，而隨著系統(tǒng)溫度的升高，熒光粉的衰減將開始出現(xiàn)，并將加劇白光LED的衰減。

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