LED产品温度与寿命相互关系

版权：源磊科技             作者:张少锋              日期：2012年9月24日

    概述.

    能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。尤其在电力资源日趋紧张的趋势下，世界各国均不约而同地开始了新型照明光源的探索，研究发现，LED : (Light Emitting Diode的缩写)，即发光二级管作为光源，具有绿色、节能、环保、响应时间快、长寿命、的特点，理论上耗能是白炽灯的10%，荧光灯的50%；寿命是荧光灯的10倍、白炽灯的100倍；同时，LED白光光源无紫外光、红外光等辐射，其采用固体树脂硅胶封装，结构坚固，不易损坏，可回收利用等特点。专家指出，LED 半导体光源将在明领域掀起一场革命；于是，一股LED 照明热潮席卷全球，掀起了照明行业“第二次革命”，世界各国和地区都纷纷制订了自己的“半导体照明计划”，并由政府部门进行强制照明节能推动。我国政府也在大力推广并制定了相应的半导体照明更换计划.

    但目前推广的效果不容乐观，如“十城万盏”中近90%企业生产的产品都夭折了，究其原因就在于忽视了产品在使用过程中温度和寿命的相关问题。故由此展开对LED产品使用过程中温度与寿命的研究讨论.

    第一节 LED温度寿命中相关术语详解.

    PN结: 采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成空间电荷区PN结。PN结具有单向导电性。

    Tj:  P/N结的温度.

    当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

    Rth热阻：介质对热量传导，散发的阻力.

    体现介质的热传导性，跟介质的材质，截面面积有直接的关系.

    系数K：K=△VF/△T的比值，即电压随温度变化的系数。

    对LED 以I0 恒流供电，在结温为T1 时，电压为V1，而当结温升高为T2 时，整个伏安特性左移，电流I0 不变，电压变为V2。这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以mV/ºC 表示。对于普通硅二极管，这个温度系数大约为-2mV/C.

    第二节 LED结温热阻计算方法详解.

Ta: 环境温度                                Rsa：铝基散热装置的热阻

Ts: 散热装置的温度.                         Rms：铝基板到铝散热装置的热阻

Tm: 铝基板的温度.                           Rcm：引脚到铝基板的热阻

Tc: 引脚的温度.                             Rjc：PN结到引脚的热阻

Tj：芯片PN结最大能承受之温度( 100-130℃ )  Rja：PN结点到环境的热阻

L50: LED光源亮度降至50%的寿命

L70: LED光源亮度降至70%的寿命

结温计算的过程：

 方法一：

       Tj = Ta + Rja * P

       P = IF * VF     P：发热功率

      （热阻串联公式 Rja = （Rjc + Rcm + Rms + Rsa）

(热阻并联公式)Rja = （Rjc + Rcm + Rms ）/ N + R sa     N:LED的颗数  

PN结点温度等于环境温度与热功率和总热阻乘积之和. 

比如：已知引脚温度：25℃，产品为 1 W 大功率 ，电压：3.3 V   电流 : 350 Ma    热阻是 5℃/W ，那产品的结温是多少呢？

计算方法如下：

Tj = Ts + 3.3 * 0.35 * 5 = 25  +  8.25  =  33.25℃

     也就是说，在环境温度25℃的情况下，LED正常工作时的结温是 33.25 ℃.

那热阻怎么计算呢？

    Rja = △T / P = (Tj – Ta) / （IF * VF ） 

还是按照上面的条件，反推回去.

    Rja = ( 33.25 – 25 ) / (0.35 * 3.3 ) = 8.25 / 1.155 = 5℃/ W

方法二：

可以通过电压法测试出产品的结温：

     其主要思想是：特定电流下 LED 的正向电压 VF 与 LED 芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的VF值,就可以确定该 LED 电压与温度的关系斜率,即电压温度系数 K 值,单位是 mV/°C 。K 值可由公式K=△Vf/△Tj 求得。K 值有了,就可以通过测量实时的 Vf 值,计算出芯片的温度(结温)Tj 。   

举例说明：常温25°C   0.1mA    测试电压值为2.495V,

高温 85°C   0.1mA    测试电压值为2.345V

常温25°C    20mA   测试电压初始值为 3.2346V  稳定值：3.2V

K=(2.495-2.345)/(25-85)=0.15/-60=-2.5mV/°C

    

 Tj = 25 + ( 3.2346 -3.2 ) /| - 0.0025| = 25 + 13.84 = 38.84°C

由此推算处此产品热阻为：

            Rth = ( 38.84 – 25 ) / 3.2 * 0.02 = 216 ℃/ W

第三节 LED结温与寿命的推算方法详解.

 

LED寿命的定义：

     LED的寿命表现为它的光衰，也就是随着时间的变化LED的亮度由初始亮度渐渐变暗直到熄灭的过程.通常定义为亮度衰减30%的时间(L70)为LED的寿命.

     结温控制的越低,LED的寿命越长，反之LED的寿命越短，如果超出LED允许的最高结温，可能会直接导致LED死灯失效.

老化推算的过程及相关条件：
     第一，首先分别在55℃ ，70℃ ，85℃ 三个条件下持续烧测3000小时.

     第二，利用烧测的3000小时数据资料，算出此款产品在不同温度下的平均故障率λ.

     第三，利用λt算出exp(-λt)不同时间的相对光强维持率，分别记录70%，50%时的寿命值，就是LED的寿命了.

单一结温下的寿命推测曲线：

不同结温条件下的寿命推测曲线：