LED封装步骤、寿命预测、参数讲解

　　采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。

　　6．如何来预测这个灯具的寿命。

　　从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图1的曲线，就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到LED的寿命为2万小时了。但是，这种方法用于室内的LED灯具还有一定的可信度，如果应用到室外的LED灯具，尤其是大功率LED路灯，那里还有很多不确定因素。最大的问题是LED路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使LED的寿命降低。紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。

　　不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。很明显，伏安特性左移越小的散热器，其散热效果就越好。另外，对于预测室内LED灯具的寿命也还是有一定的准确度的。

　　LED主要参数与特性

　　LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本文将为你详细介绍。

　　1、LED电学特性

　　1.1 I-V特性

　　表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

图1 LED I-V特性曲线

　　如图1：

　　（1） 正向死区：（图oa 或oa′段）a点对于V0 为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs 为1V，红色GaAsP 为1.2V，GaP 为1.8V，GaN 为2.5V。

　　（2）正向工作区：电流IF 与外加电压呈指数关系：

IF = IS (e qVF/KT –1)

IS为反向饱和电流。V＞0 时，V＞VF 的正向工作区IF 随VF 指数上升：

IF = IS e qVF/KT

　　（3）反向死区 ：V＜0 时pn 结加反偏压V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为0V，GaN 为10uA。

　　（4）反向击穿区 V＜- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V＜- VR 时，则出现IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR 也不同。

　　1.2 C-V特性

　　鉴于LED 的芯片有9×9mil (250×250um)，10×10mil，11×11mil (280×280um)，12×12mil (300×300um)，故pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ 交流信号用C-V 特性测试仪测得。

图2 LED C-V特性曲线

　　1.3 最大允许功耗PFm

　　当流过LED的电流为IF、管压降为UF 则功率消耗为P=UF×IF. LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj – Ta）。

　　1.4 响应时间

　　响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-3~10-5S，CRT、PDP、LED 都达到10-6~10-7S（us 级）。

　　1.响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图3中tr 、tf 。图中t0 值很小，可忽略。

图3

　　② 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。LED 的点亮时间——上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 熄灭时间——下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

　　不同材料制得的LED 响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间＜10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在10~100MHZ 高频系统。

　　2、LED光学特性

　　发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。

　　2.1 发光法向光强及其角分布Iθ

　　2.1.1发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。

　　2.1.2 发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）

　　⑴ 为获得高指向性的角分布（如图4）

图4

　　① LED 管芯位置离模粒头远些；

　　② 使用圆锥状（子弹头）的模粒头；

　　③ 封装的环氧树脂中勿加散射剂。

　　采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右，大大提高了指向性。

　　⑵ 当前几种常用封装的散射角(2θ1/2 角)圆形LED：5°、10°、30°、45°。

　　2.2 发光峰值波长及其光谱分布

　　⑴ LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。

　　LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

图5 LED光谱分布曲线

1.蓝光InGaN/GaN 2.绿光GaP：N 3.红光GaP：Zn-O

4.红外GaAs5.Si 光敏二极管6.标准钨丝灯

图5绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED 光谱响应曲线。其中

　　① 是蓝色InGaN/GaN 发光二极管，发光谱峰λp = 460～465nm；

　　② 是绿色GaP:N 的LED，发光谱峰λp