LED封裝步驟、壽命預測、參數(shù)講解

　　采用這種方法得出的結溫，肯定要比用熱電偶測量散熱器的溫度再來推算其結溫要準確很多。

　　6．如何來預測這個燈具的壽命。

　　從結溫來推測壽命好像應該很簡單，只要查一下圖1的曲線，就可以知道對應于95度結溫時的壽命就可以得到LED的壽命為2萬小時了。但是，這種方法用于室內的LED燈具還有一定的可信度，如果應用到室外的LED燈具，尤其是大功率LED路燈，那里還有很多不確定因素。最大的問題是LED路燈的散熱器的散熱效率的隨時間而降低。這是由于塵土、鳥屎的積累而使得其散熱效率降低。也還因為室外有很強烈的紫外線，也會使LED的壽命降低。紫外線主要是對封裝的環(huán)氧樹脂的老化起很大作用，假如采用硅膠，可以有所改善。紫外線對熒光粉的老化也有一些壞作用，但不是很嚴重。

　　不過，這種方法用來相對比較兩種散熱器的散熱效果是比較有效的。很明顯，伏安特性左移越小的散熱器，其散熱效果就越好。另外，對于預測室內LED燈具的壽命也還是有一定的準確度的。

　　LED主要參數(shù)與特性

　　LED是利用化合物材料制成pn結的光電器件。它具備pn結結型器件的電學特性：I-V特性、C-V特性和光學特性：光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。本文將為你詳細介紹。

　　1、LED電學特性

　　1.1 I-V特性

　　表征LED芯片pn結制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線性、整流性質：單向導電性，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。

圖1 LED I-V特性曲線

　　如圖1：

　?。?） 正向死區(qū)：（圖oa 或oa′段）a點對于V0 為開啟電壓，當V＜Va，外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場，此時R很大；開啟電壓對于不同LED其值不同，GaAs 為1V，紅色GaAsP 為1.2V，GaP 為1.8V，GaN 為2.5V。

　?。?）正向工作區(qū)：電流IF 與外加電壓呈指數(shù)關系：

IF = IS (e qVF/KT –1)

IS為反向飽和電流。V＞0 時，V＞VF 的正向工作區(qū)IF 隨VF 指數(shù)上升：

IF = IS e qVF/KT

　　（3）反向死區(qū) ：V＜0 時pn 結加反偏壓V= - VR 時，反向漏電流IR（V= -5V）時，GaP 為0V，GaN 為10uA。

　?。?）反向擊穿區(qū) V＜- VR ，VR 稱為反向擊穿電壓；VR 電壓對應IR 為反向漏電流。當反向偏壓一直增加使V＜- VR 時，則出現(xiàn)IR 突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同，各種LED 的反向擊穿電壓VR 也不同。

　　1.2 C-V特性

　　鑒于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 結面積大小不一，使其結電容（零偏壓）C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函數(shù)關系（如圖2）。由1MHZ 交流信號用C-V 特性測試儀測得。

圖2 LED C-V特性曲線

　　1.3 最大允許功耗PFm

　　當流過LED的電流為IF、管壓降為UF 則功率消耗為P=UF×IF. LED工作時，外加偏壓、偏流一定促使載流子復合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊?，使結溫升高。若結溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta，則當Tj＞Ta 時，內部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量（功率），可表示為P = KT（Tj – Ta）。

　　1.4 響應時間

　　響應時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢。現(xiàn)有幾種顯示LCD（液晶顯示）約10-3~10-5S，CRT、PDP、LED 都達到10-6~10-7S（us 級）。

　　1.響應時間從使用角度來看，就是LED點亮與熄滅所延遲的時間，即圖3中tr 、tf 。圖中t0 值很小，可忽略。

圖3

　　② 響應時間主要取決于載流子壽命、器件的結電容及電路阻抗。LED 的點亮時間——上升時間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經歷的時間。LED 熄滅時間——下降時間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經歷的時間。

　　不同材料制得的LED 響應時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應時間＜10-9S，GaP 為10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ 高頻系統(tǒng)。

　　2、LED光學特性

　　發(fā)光二極管有紅外（非可見）與可見光兩個系列，前者可用輻射度，后者可用光度學來量度其光學特性。

　　2.1 發(fā)光法向光強及其角分布Iθ

　　2.1.1 發(fā)光強度（法向光強）是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能。LED 大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。

　　2.1.2 發(fā)光強度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否）

　?、?為獲得高指向性的角分布（如圖4）

圖4

　?、?LED 管芯位置離模粒頭遠些；

　?、?使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭；

　?、?封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。

　　采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。

　?、?當前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2 角)圓形LED：5°、10°、30°、45°。

　　2.2 發(fā)光峰值波長及其光譜分布

　?、?LED 發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(shù)亦隨之而定。

　　LED 的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。

圖5 LED光譜分布曲線

1.藍光InGaN/GaN 2.綠光GaP：N 3.紅光GaP：Zn-O

4.紅外GaAs5.Si 光敏二極管6.標準鎢絲燈

圖5繪出幾種由不同化合物半導體及摻雜制得LED 光譜響應曲線。其中

　?、?是藍色InGaN/GaN 發(fā)光二極管，發(fā)光譜峰λp = 460～465nm；

　?、?是綠色GaP:N 的LED，發(fā)光譜峰λp