LED照明系統(tǒng)的研究與設計.doc

常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文常州信息職業(yè)技術學院學生畢業(yè)設計（論文）報告系 別： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 微電子技術 班 號： 學 生 姓 名： 學 生 學 號： 設計（論文）題目： led照明系統(tǒng)的研究與設計 指 導 教 師： 設 計 地 點：常州信息職業(yè)技術學院 起 迄 日 期： 2010.5.42010.7.3 畢業(yè)設計（論文）任務書專業(yè) 微電子技術 班級 姓名 一、課題名稱： led照明系統(tǒng)的研究與設計 二、主要技術指標1、光效，理論上最大光效：683lm/w；2、色溫分級：暖色（5300k）；3、照度，低照度（約100200lx以下）用暖色溫，中照度（約200750lx）用中色溫；4、led的顏色；5、led的電流：一般小功率的led的正向極限電流多在20ma。但大功率led的功率至少在1w以上，目前比較常見的有1w、3w、5w、8w和10w。1w led的額定功率為350ma,3w led的750ma；6、led的正向電壓：led的正極接電源正極,負極接電源負極；7、led的反向電壓：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞；8、led發(fā)光強度：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(度)，單位為坎德拉（cd）；9、led光通量：光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量。單位為流明(lm)；10、led光照度：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度.，單位為勒克斯(lx)；11、led的使用壽命：led一般可以使用50,000小時以上； 三、工作內(nèi)容和要求：1、論述led的發(fā)展史2、研究led器件的光學特性、熱學特性、電學特性和工作原理。3、led照明系統(tǒng)的電路設計4、分析pn結溫度升高對led性能的影響，討論led燈具散熱的重要性，研究led燈具的散熱途徑。5、分析led照明系統(tǒng)模型并分析其組成部分燈具、光源、控制器。最后，對全文的工作進行總結。 四、主要參考文獻： 1 劉恩科，朱秉升，羅晉生等 .半導體物理學西安交通大學出版社 第7版,180-364 2 王曉明，郭偉玲，高國，沈光地led 新一代照明光源現(xiàn)代顯示，2005版，68-1203 趙清泉，夏曉玲半導體發(fā)光二極管的應用及其前景大眾科技，2005版，35-89 4 周太明，電器照明設計.上海：復旦大學出版社，2001 年11 月 ，24-140 學 生（簽名） 年 月 日 指 導 教師（簽名） 年 月 日 教研室主任（簽名） 年 月 日 系 主 任（簽名） 年 月 日畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目led照明系統(tǒng)的研究與設計一、 選題的背景和意義：目前，傳統(tǒng)的石化能源與經(jīng)濟、環(huán)境的矛盾越來越突出。能源是經(jīng)濟與社會發(fā)展的基本動力，但由于常規(guī)能源的有限性和分布不均勻性，造成世界上大部分國家的能源供應不足，不能滿足經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要。發(fā)展可再生能源已成為全球課題。而綜觀可再生能源種類，風能、生物能、太陽能等，太陽能的利用前景最好，潛力最大。從led出現(xiàn)以來，人們一直在努力實現(xiàn)固體光源。隨著led制造工藝的不斷進步和新型材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)及應用，發(fā)白色光的led固體光源性能不斷完善并進入實用階段。如果能在固體照明領域節(jié)省一半的能源，則會對人類的節(jié)約能源作出巨大的貢獻。led照明技術在這個領域中將發(fā)揮重要的作用。二、 課題研究的主要內(nèi)容：1、led的發(fā)展史2、led的結構和工作原理3、led光學特性、熱學特性、電學特性等各性能的研究4、led照明系統(tǒng)的散熱性研究5、led照明系統(tǒng)的電路圖設計6、介紹led照明系統(tǒng)的組成部分及其工作原理7、簡要介紹led照明系統(tǒng)的應用三、 主要研究（設計）方法論述：首先定下這一課題，然后完成開題報告，給自己定下一個比較合理的時間進度。這是完成論文的保障。然后才著手完成整篇論文。多數(shù)資料都是從網(wǎng)上搜索到的內(nèi)容。將搜索到的內(nèi)容進行一個簡單的整合。在此之前先確立了一個大體框架結構，這樣所搜索到的內(nèi)容就可以很方便的有步驟的嵌套進去。本文首先對led發(fā)展進行論述，包括其產(chǎn)生、發(fā)展等等方面，這一方面介紹的比較簡略。然后又比較全面的對led的工作原理及l(fā)ed照明系統(tǒng)的組成進行介紹和闡述。接下來是著重對led照明系統(tǒng)的設計和各種性能研究進行闡述，最后，完成對整個led照明系統(tǒng)的設計。四、設計（論文）進度安排：時間（迄止日期）工 作 內(nèi) 容2010.5.42010.5.23確定論文題目，收集相關資料，完成開題報告。2010.5.242010.5.31論文的整體構思，完成第一章到第三章的內(nèi)容撰寫。2010.6.12010.6.5完成中期檢查報告。2010.6.6201.6.25完成整篇論文的撰寫。2010.6.262010.7.3根據(jù)老師的指導對論文進行修改。五、指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日六、系部意見： 系主任簽名： 年 月 日目錄摘要abstract第1章 前言.1第2章 led的發(fā)展及其基本知識12.1 led的發(fā)展歷程12.2 led的工作原理、特性及其分類3第3章 led照明系統(tǒng)的散熱性研究73.1 led的結溫73.1.1 led結溫的產(chǎn)生73.1.2 結溫對led的影響83.2 led的熱阻103.2.1 led照明的熱阻模型及其構成特點113.2.2 熱阻對led芯片尺寸的影響123.2.3 常用熱阻測試方法123.2.4 減少led熱阻值方法133.2.5 led照明燈具散熱系統(tǒng)研究14第4章 led照明系統(tǒng)的電路設計164.1 照明用led主要技術特性164.2 led驅(qū)動電路技術174.2.1 led驅(qū)動電路的基本原理174.2.2 led驅(qū)動電路的要求194.2.3 led驅(qū)動電路的設計21第5章 led照明系統(tǒng)的組成285.1 led的照明燈具285.1.1 led燈具的特點285.1.2 led燈具的功能295.1.3 led燈具的基本介紹295.1.4 led燈具設計的指標305.2 光源315.3 驅(qū)動器33第6章 led照明系統(tǒng)的簡單應用34第7章 結束語37答謝辭參考文獻摘 要在當今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為大勢所趨。同時，國家也大力倡導節(jié)能減排，已結束的2008年北京奧運會和正在舉辦的2010年上海世博會都不約而同地以綠色節(jié)能為主題，這就給中國led照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的歷史機遇。led與傳統(tǒng)光源相比，具有節(jié)能、環(huán)保、響應時間短、效率高、體積小、壽命長、抗震性好等多項優(yōu)勢，因而受到人們的青睞,也成為當前各國半導體照明領域研究的熱點。本文圍繞led用于照明燈的散熱設計、電路設計、燈具設計、照明系統(tǒng)設計等關鍵技術進行研究,具體完成的工作歸納如下：1.研究了led器件的光學特性、熱學特性、電學特性。分析了led的工作原理，對各項性能的研究。2.分析了pn結溫度升高對led性能的影響，討論了led燈具散熱的重要性,研究了led燈具的散熱途徑。分析了led的熱阻及其模型，熱阻的測試和減小熱阻的方法。3.分析了led照明系統(tǒng)的設計，研究了led照明系統(tǒng)的電路設計、燈具設計，討論了驅(qū)動電路的工作原理和設計要求、燈具的設計功能和指標，通過燈具、光源、驅(qū)動器組成了一個照明系統(tǒng)。最后，對全文的工作進行了總結。關鍵詞：led；照明系統(tǒng)；驅(qū)動電路；散熱；abstractin todays environment of global energy shortage, energy conservation has become a trend. the state advocate energy saving, has ended the 2008 beijing olympic games and is being held in world expo 2010 shanghai coincidentally, both the green energy theme this to the development of chinas led lighting industry brought great historical opportunity . compared with the traditional light source led, energy saving, environmental protection, response time, high efficiency, small size, long life and good number of earthquake, and therefore, by the people of all ages, has become the national semiconductor lighting in the field of research. this paper focuses on led lighting for the thermal design, circuit design, lighting design, lighting design, key technology research, the specific work completed as follows: 1. of the optical characteristics of led devices, thermal properties, electrical properties. the working principle of the led, on the various properties. 2. analysis of the pn junction temperature on the led performance, discussed the importance of led heat lamps, heat lamps of the led channels. analysis and model the thermal resistance of led, thermal resistance and reduce the thermal resistance test methods. 3. analysis of the led lighting system design, research the led lighting system, circuit design, lighting design, to discuss the driver circuit operating principle and design, lighting design features and targets, through the lamp, light source, the drive to form a lighting system. finally, the paper summarizes the work.keywords: led；lighting system；drive circuit；cooling第1章 前言 led被認為是21 世紀的照明光源。led發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，同樣亮度下，led能耗為白熾燈的10%，熒光燈的50%。led壽命可達10萬小時，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。用led 替代白熾燈或熒光燈，環(huán)保無污染。使用安全可靠，便于維護。我國照明用電占總發(fā)電量的12%。目前，公共建筑的照明燈具控制大多采用手動開關，經(jīng)常出現(xiàn)沒有及時開關的現(xiàn)象，從而造成大量的能源浪費和使用上的不便。另外，不必要的使用，也會縮短燈具的使用壽命。第2章 led的發(fā)展及其基本知識 圖2-1 led結構圖led（light emitting diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。led的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是p型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是n型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“p-n結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向p區(qū)，在p區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是led發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成p-n結的材料決定的。 2.1 led的發(fā)展歷程圖2-2led發(fā)展史歷程1907年henry joseph round 第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實際應用；研究被摒棄了。二十年代晚期bernhard gudden和robert wichard 在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光。再一次因發(fā)光暗淡而停止。1936年,george destiau出版了一個關于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告。隨著電流的應用和廣泛的認識，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個術語。 led光源的正式問世是在上世紀60年代，當時所用的材料是gaasp，發(fā)紅光（p=650nm），在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。 70年代中期，引入元素in和n，使led產(chǎn)生綠光（p=555nm）、黃光（p=590nm）和橙色光（p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 80年代初，出現(xiàn)了gaalas的led光源，使得紅色led的光效達到10流明/瓦。 90年代初，發(fā)紅光、黃光的gaalinp和發(fā)綠、藍光的gainn兩種新材料的開發(fā)成功，使led的發(fā)光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的led在紅、橙區(qū)（p=615nm）的光效達到100流明/瓦，而后者制成的led在綠色區(qū)域（p=530nm）的發(fā)光效率可以達到50流明/瓦。 led以其固有的特點，如省電、壽命長、耐震動，響應速度快、冷光源等特點，廣泛應用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領域，在我們的日常生活中處處可見，家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮度差、價格昂貴等條件的限制，無法作為通用光源推廣應用。 近幾年來，隨著人們對半導體發(fā)光材料研究的不斷深入，led制造工藝的不斷進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應用，各種顏色的超高亮度led取得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光led的出現(xiàn)，使led應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度led將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。 目前在美國，戶外照明所消耗的電量約占其總發(fā)電量的4.4%。正是基于這一情況，美國眾議院最近提出了一份新議案，要求逐步淘汰能效低下的舊技術(如白熾燈和鹵素燈)，為能效更高、更具成本效益的新照明技術(如高亮度led)的發(fā)展鋪平道路。在全球范圍內(nèi)，上至政府機構、工業(yè)和商業(yè)領域，下至普通大眾都在積極尋求降低能耗的有效途徑。最初的嘗試主要放在容易實現(xiàn)的目標上，比如選擇適當?shù)淖≌魺岵牧?、使用太陽能板以及?jié)約能源等。如今，已有相對完善的法律規(guī)定，要求我們必須使用高能效的白色家電、適配器和充電器、消費類電子產(chǎn)品以及辦公設備。近些年來，隨著高亮度led成本的不斷下降，人們也開始對諸如標準家用燈泡等以前所接受的產(chǎn)品重新進行評估。在許多國家(包括美國、德國、英國、愛爾蘭和澳大利亞)，新制定的能效標準已上升為法律，將有效禁止白熾照明的繼續(xù)使用。美國眾議院加利福尼亞州第36號選區(qū)議員jane harman在2009年3月26日發(fā)表演講，提出了一項“戶外照明能效法案”，該法案計劃通過解決街道照明問題來逐步淘汰標準燈泡。新提案獲得眾議院通過后，第一期標準將會于2011年制定完成，隨后的標準將分別于2013年和2015年制定完成。屆時，美國能源部將會進一步提高能效標準。該法案還要求戶外照明燈的亮度必須是可控制的，以便于用戶更改它們的發(fā)光量，原因是人們在黃昏和深夜時分所需要的亮度水平是不同的。這一功能非常重要，因為它將賦予城市、縣鎮(zhèn)和其他用戶對其用電水平更大的控制權。這項法案參照了加利福尼亞州已實施的相關法律以及其他州早已通過的戶外照明標準。led燈最早亮相街頭要追溯到上世紀90年代，那時，城市當局開始使用固態(tài)照明設計來替換白熾交通信號燈。為了實現(xiàn)led交通信號燈在其街道照明系統(tǒng)中的能源及維護節(jié)省，許多城市紛紛開展了范圍廣泛的led路燈試驗。2.2 led的工作原理、特性及其分類（一）led發(fā)光原理 發(fā)光二極管是由-族化合物，如gaas（砷化鎵）、gap（磷化鎵）、gaasp（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是pn結。因此它具有一般p-n結的i-n特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由n區(qū)注入p區(qū)，空穴由p區(qū)注入n區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光，如圖2-3所示。圖2-3 led發(fā)光原理假設發(fā)光是在p區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近pn結面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。 理論和實踐證明，光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度g有關，即1240/eg（mm） 式中eg的單位為電子伏特（ev）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導體材料的eg應在3.261.63ev之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。 （二）led的特性 1極限參數(shù)的意義 （1）允許功耗pm:允許加于led兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，led發(fā)熱、損壞。 （2）最大正向直流電流ifm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 （3）最大反向電壓vrm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。 2電參數(shù)的意義 （1）光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。 圖2-4 led光譜分布和峰值波長 由圖2-4可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長0的光強最大，該波長為峰值波長。 （2）發(fā)光強度iv：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）w/sr時，則發(fā)光1坎德拉（符號為cd）。由于一般led的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(mcd)作單位。 （3）光譜半寬度:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔. （4）半值角1/2和視角：1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。 半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。圖2-5 led半功率角圖2-5給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線（法線）ao的坐標為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 （5）正向工作電流if：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應根據(jù)需要選擇if在0.6ifm以下。 （6）正向工作電壓vf：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在if=20ma時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓vf在1.43v。在外界溫度升高時，vf將下降。 （7）v-i特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關系可用圖2-6表示。圖2-6 led v-i特性 在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由v-i曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流ir10a以下。 （三）led的分類 1按發(fā)光管發(fā)光顏色分 按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。 根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。 2按發(fā)光管出光面特征分 按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作t-1；把5mm的記作t-1（3/4）；把4.4mm的記作t-1（1/4）。 由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類： （1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。 （2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為2045。 （3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為4590或更大，散射劑的量較大。 3按發(fā)光二極管的結構分 按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。 4按發(fā)光強度和工作電流分 按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的led（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。 一般led的工作電流在十幾ma至幾十ma，而低電流led的工作電流在2ma以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。 除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。第3章 led照明系統(tǒng)的散熱性研究led在工作時會大量發(fā)熱，散熱不良將導致芯片結溫迅速上升，環(huán)氧樹脂炭化變黃，led加速光衰，降低了led的壽命，因而要解決散熱問題。常用鋁質(zhì)基來給led散熱，這就牽涉到絕緣問題，如果絕緣不好會導致大量led不通或者損毀。另外，用于隧道、偏遠地區(qū)等潮濕、灰塵大的場合還要考慮放水、防塵等工藝。led器件的散熱途徑主要是熱傳導和熱對流。3.1 led的結溫led是個光電器件，其工作過程中只有15%25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使led的溫度升高。在大功率led中，散熱是個大問題。例如，1個10w白光led若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8w的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率led的器芯溫度會急速上升，當其結溫（tj）上升超過最大允許溫度時（一般是150），大功率led會因過熱而損壞。因此在大功率led燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。3.1.1 led結溫的產(chǎn)生led的基本結構是一個半導體的p-n結。實驗指出，當電流流過led器件時，p-n結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把p-n結區(qū)的溫度視之為結溫。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把led芯片的溫度視之為結盟。在led工作時，可存在以下四種情況促使結溫不同程度的上升：1、器件不良的電極結構，窗口層襯底或結區(qū)的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成led器伯的串聯(lián)電阻。當電流流過p-n結時，同時也會流過這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。2、由于p-n結不可能極端完美，器件的注入效率不會達到100%，也即是說，在led工作時除p區(qū)向n區(qū)注入電荷（空穴）外，n區(qū)也會向p區(qū)注入電荷（電子），一般情況下，后一類的電荷注入不會產(chǎn)生光電效應，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結合，最終也會變成熱。3、實踐證明，出光效率的限制是導致led結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長與器件制造工藝已能使led極大多數(shù)輸入電能轉(zhuǎn)換成光輻射能，然而由于led芯片材料與周圍介質(zhì)相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內(nèi)部產(chǎn)生的極大部分光子（90%）無法順利地溢出界面，而在芯片與介質(zhì)面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。4、顯然，led器件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此p-n結處產(chǎn)生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，pcb與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關材料的導熱能力將直接影響器件的熱散失效率。一個普通型的led，從p-n結區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300-600/w之間，對于一個具有良好結構的功率型led器件，其總熱阻約為15-30/w。巨大的熱阻差異表明普通型器件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦級甚至更高。3.1.2 結溫對led的影響（1）對led光輸出的影響實驗指出，led的光輸出均明顯依賴于器件的結晶。當led的結溫升高時，器件的輸出光強度將逐漸減小，而光結溫下降時，光輸出強度將增大。表（3-1）列出了相對于25而言100結溫時不同波長響應的ingaalp與ingan led的光輸出通量的相對變化值。這種變化的數(shù)字表達式如式（1-1）所示 v(t2 )= v(t1)e-kt (1-1)其中v(t2 )與v(t1)分別表示結溫t2與t1的光通量輸出，k為溫度系數(shù)，t= t2 - t1 。一般情況下，k值可由實驗測定，對于ingaalp led,k值約為110-2，隨發(fā)光波長的變短略有增加。式（1-2）指出了光輸出通量結溫變化的另一種表示形式t2=t1e-( t2- t1 /t0) (1-2) 表3-1 100結溫時相對于25結溫led光通量的相對變化led材料100/25ingaalp590nm20%620nm30%640nm42%ingan綠70%青80%藍或白90% 這里t0表一種特征溫度，t值與材料有關。實驗指出，對于紅色的ingaalp led，t0 =85，對于琥珀色ingaalp led，t0 55。而對于ingan led，t0 值約為840，表明ingan器件的溫度系數(shù)遠小于發(fā)紅、黃光的ingaalp器件，也即光通量隨溫度增加而減小的速率比ingaalp小得多。 一般情況下，光輸出通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的，也即當溫度回復到初始溫度時，光輸出通量會有一個恢復性的增長。這種效應的發(fā)生機制顯然是由于材料的一些相關參數(shù)會隨溫度變化，從而導致器件參數(shù)的變化。如隨溫度的增加，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會變小，電子遷移率也將減小。這些參量的變化必定引致器件輸出光通量的改變。然而當溫度恢復至初態(tài)時，器件參數(shù)的變化也將隨之消失，輸出光通量也會回復至初態(tài)值。（2）對發(fā)光波長和顏色的影響led的發(fā)光波長一般可分成峰值波長與主波長二類，前者表示光強最大的波長，而主波長可由x、y色度坐標決定，反映了人眼可感知的顏色。顯然，結溫所引致的led發(fā)光波長的變化將直接造成人眼對led發(fā)光顏色的不同感受。對于一個led器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。ingaalp與ingan材料屬iii-v族化合物半導體，它們的性質(zhì)與gaas相仿，當溫度升高時，材料的禁帶寬度將減小，導致器件發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。通?？蓪⒉ㄩL隨結溫的變化表示如下：（t2）=（t1）+tk（nm/） （1-3） 其中：（t2） 結溫t2時的波長 （t1） 結溫t1時的波長 kd，kp 主波長與峰值波長隨溫度的變化系數(shù)表3-2 led波長偏移系數(shù)器件顏色kdkp單位ingaalp紅+0.03+0.2nm/琥珀+0.04+0.15nm/ingan綠0.040.05nm/青藍深藍表3-2指出了ingaalp與ingan器件主波長與峰值波長的k值，由表可知，對于ingan與ingaalpled，峰值波長隨溫度的變化要大于主波長隨溫度的變化，其中ingaalpled尤甚。人眼對不同波長的顏色感知靈敏度是存在著很大差異的，在藍、綠、黃區(qū)域，很小的波長變化就將引致人眼感覺上的變化，從而對藍、綠、黃器件的溫升效應提出了更高的要求，一般來說，2-5nm的波長變化人眼就可以感覺到，而對紅光波長的變化，人眼的感覺就要相對遲鈍一些，但也能感覺到15nm的波長差異。為定量地表明人眼對不同波長顏色的感知程度，有些公司的產(chǎn)品將顏色倉的波長間隔分得很細，僅為2-3nm，但對于紅色區(qū)域，其間隔擴大到15nm。這就是說，為什么對黃色交通信號燈的顏色標定與均勻度的要求較高，而紅色交通信號燈的顏色要求相對要低得多。（3）led的正向電壓與結溫之間存在的關系正向電壓是判定led性能的一個重要參量，它的數(shù)值取決于半導體材料的特性、芯片尺寸以及器件的成結與電極制作工藝。相對于20ma的正向電流，通常ingaalp led的正向電壓在1.8v2.2v之間，而發(fā)藍、綠光的ingan led的正向電壓處在3.0v3.5v之間。在小電流近似下，led器件的正向壓降由式（1-4）表示： v1 =（nkt/q）in（i1 /i0）+rsif (1-4)式中v1 為正向電壓、if為正向電流，i0 為反向飽和電流，q為電子電荷，k是玻爾茲曼常數(shù)，rs是串聯(lián)電阻，n是表征p-n結完美性的一個參量，處在1-2之間。分析式（1-3）的右邊發(fā)現(xiàn)，只是反向飽和電流i0與溫度密切相關，i0 值隨結溫的升高而增大，導致正向電壓 v1 值下降，實驗指出，在輸入電流恒定的情況下，對于一個確定的led器件，二 正向壓降與溫度的關系可由式（1-5）表示： vft =vft0+k（t-t0 ） (1-5)式中vft與v ft0分別表示結溫為t與t0時的正向壓降，k是壓降隨溫度變化的系數(shù)對于ingaalp與ingaalp與ingan led其k值大致可由表1-3所示。 表3-3 ingaalp與ingan led的電壓溫度系數(shù)器件顏色k單位ingaaep紅-2mv/琥珀ingan綠-2mv/綠藍綠藍深藍白溫度的變化是可恢復的，但在高溫情況下，由于結區(qū)缺陷與雜質(zhì)的大量增殖與集聚，也將造成額外復合電流的增加，而使正向電壓下降，甚至出現(xiàn)惡性循環(huán)。通常，恒流是led工作的較好的模式，如在恒壓條件下，由于溫升效應使正向電壓下降與正向電增加，并形成惡性循環(huán)，最終導致器件損壞。3.2 led的熱阻通常將二個節(jié)點間單位熱功率輸運所產(chǎn)生的溫度差定義為該二個節(jié)點間的熱阻。其數(shù)學表達式為： r0=t/pd （1-6）其中r0為節(jié)點1與2之間的熱阻，t為節(jié)點1與2之間的溫差，pd為二點間的熱功率流，熱阻的單位為/w，即二點間流過單位熱功率流（w）所產(chǎn)生的溫度差。顯然，熱阻r0越大，散熱能力越差；反之，r0越小，散熱能力越強。當電功率w=vfif施加到led上后，在器件的p-n結處將會產(chǎn)生大量的熱，致使芯片溫度迅速升高。由于器件良好的熱特性，大部分熱量將通過銀漿、管殼、散熱基板、pcb散發(fā)到周圍環(huán)境中去，從而抑制了器件芯片的升溫。類同于電學中的電阻特性，熱阻也存在著相同的運算法則。當n個熱阻r01，r02r0n相串聯(lián)時，系統(tǒng)的總熱阻為所有熱阻值的相加，即 r0總= r01+ r02+ r03+r0n （1-7）當n個熱阻r01、r02、r03r0n相并聯(lián)時，系統(tǒng)總熱阻的倒數(shù)等于各個熱阻的倒數(shù)之和。即 1/r0總= 1/r01+ 1/r02+ 1/r03+1/+r0n （1-8）顯然，熱阻是熱學中的一個重要參量，實驗上，只要我們測得二節(jié)點間的熱功率流以及二個節(jié)點處的溫度，我們就可根據(jù)式（1-6）求得該二個節(jié)點間的熱阻。同樣，只要知道某系統(tǒng)二個節(jié)點間的熱阻與熱功率流數(shù)值，我們就可以求得二點間的溫差，并且可以根據(jù)某點處的溫度，求得另一個節(jié)點的溫度值。3.2.1 led器件的熱阻模型及其構成和特點 從led器件的結構，可以建立它的熱阻構成的模型。圖3-1是一個典型的led器件結構示意圖。由圖知，暫不計led芯片有源層到襯底間的熱阻，則芯片內(nèi)部主要是襯底的熱阻，我們用rs來表示；第二，襯底與引線支架間由于存在粘結層，因此襯底到支架有一個粘結材料引人的熱阻，用rx來表示；第三，安放芯片的支架到自由空間的熱阻rf，這三個熱阻構成led芯片pn結到空氣之間的總熱阻r，于是： r =rs+rx+rf （1-9） (1)襯底到支架的熱阻。假定芯片襯底是一個200m的正方形，銀膠的厚度為100m,已知銀膠的導熱系數(shù)為20w/m*k,可求得芯片襯底到支架的熱阻為：rx=h/銀膠*s=0.1mm/20w/m*k*0.2mm*0.2mm125/w(2)led襯底的熱阻。 若led襯底是gaas，則gaas18w/m*k,當厚度為0.2mm時，襯底的熱阻：rs=0.2mm/18w/m*k*0.2*0.2*10-8m2138/w(3)支架的熱阻。鐵支架到空氣的熱阻可求得為4.2/w，這個led的總熱阻r=rs+rx+rf=267/w。這個led當使用環(huán)境溫度為65時，它最多能承受的電功率小于0.2w。上面討論中，還未計人芯片有源層本身的熱阻，只是這一層比較薄，盡管也是gaas材料，由于厚度公幾十微米，其熱阻較襯底45倍，約在30/w左右?？梢钥闯?，普通封裝的led其總熱阻在300/w左右，只適用于小功率使用。根據(jù)上述的熱阻模型，led的熱阻的主要貢獻在于襯底和襯底到支架間的粘合材料引起的熱阻，對于功率led要降低熱阻除加大襯底面積（即芯片面積）外，用高導熱系數(shù)材料作襯底，及用高導熱系數(shù)的合金材料作粘結料是降低led熱阻的主要途徑。例如，用導熱系數(shù)為75w/m*k的硅材料作襯底，在芯片面積為1mm2,硅襯底厚度為0.8mm時，襯底的熱阻rs為：rs=h/si*s=0.3*10-3/75*1*10-64/w這就比常規(guī)0.2mm*0.2mm面積的gaas襯底熱阻低得多。若再用純錫（sn）作襯底與支架的焊料時，粘結層熱阻rx就為：rx=h/si*s=0.2*10-3/76w/m*k*1*10-62.6/w這樣，功率led的總熱阻有望可以控制在46/w以內(nèi)， 此時熱阻主要貢獻在于芯片材料本身。目前已有熱阻低于40/w的封裝，但這要求led芯片在襯底材料和粘合材料上改進，前者用硅作襯底，后者用ausn或鉛錫（pbsn）等合金材料用合金工藝來將芯片粘結在引線支架上，取代常規(guī)的銀膠。3.2.2 熱阻對led芯片尺寸的影響 l 倒裝焊更有利于散熱，但凸焊點的熱阻還需減小。l 導熱銀膠的熱阻有待改善。l 封裝材料方面，傳統(tǒng)的環(huán)氧膠高溫性能不佳。圖3-2 熱阻對led芯片影響功率芯片尺寸的增加受限于器件導熱能力；常規(guī)的工藝與材料，則芯片功率1瓦較為合適；單個器件功率的增加將以縮短壽命為代價；3.2.3 常用熱阻測試方法根據(jù)led的熱阻公式：r= t / w （1-10）式中，t結=t t環(huán)境 ，w為輸入電功率，一般情況下，w=v*i，其中v是外加電壓，i為正向電流。由于式（1-10）中，t 是可以測得的，w也可通過計算求得。因此我們只要測出pn結t，就可以求得led的總熱阻值r，一個簡單而直接的辦法是采用微型熱偶或紅外測溫顯微鏡，直接測得led芯片表面的溫度，并將此溫度視為芯片結溫。然而，此方法顯然有些粗糙，并且對于一個現(xiàn)成的led管難于直接測量芯片表面的溫度。通常可利用確定電流下的正向偏壓與結溫之間正比變化的關系來判定led的結溫。根據(jù)pn結的電流公式，led的vf可以表示為： vf=kt/q*inif/if(0)=kt/q*c （1-11）式中用c=in if/if(0)，當if為常數(shù)（即恒流情況下）時c為常數(shù)。對（1-11）式求溫度t的導數(shù)可以得： dvf / dt = k / q * c （1-12） 對一個led來講，（1-12）式是線性關系，大量測試證明led的vf溫度系數(shù)：dvf/dt 1.8 mv/2mv范圍內(nèi)的負溫度系數(shù)，基本上是一個可預知的數(shù)。一般可取dvf/dt=2mv