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倒裝LED燈絲燈的光學性能詳解
2022-06-20

　　倒裝LED燈絲因其倒裝和平面涂覆工藝以及360°立體發(fā)光的特點成為市場研究的重點。長期以來，國內(nèi)外的專家致力于LED的發(fā)光均勻性的研究，但其實LED是一個光、電、熱相互影響的綜合系統(tǒng)，其輸出的光學性能會受到輸入的電流和結(jié)點溫度的影響。 　　LED的PN結(jié)中注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，將電能直接轉(zhuǎn)換為光能，但是在這個過程中，會產(chǎn)生大量的熱，如果這些熱量無法及時散開，就會導致PN結(jié)的溫度迅速上升，從而影響到倒裝LED燈絲的發(fā)光性能。 　　本文研究倒裝LED燈絲在不同直流電流驅(qū)動下的光通量、色溫等輸出光性能隨輸入電流和溫度變化的規(guī)律，比較初態(tài)和穩(wěn)態(tài)（點亮30min之后）的光通量、色溫等，分析溫度對于光學性能的影響。 　　1.樣品制備與測試 　　1.1 樣品制備 　　將倒裝LED芯片通過固晶機固定于白陶瓷基板上，陶瓷基板尺寸為60 mm×1.2 mm×0.38 mm，芯片尺寸為12 mil×26 mil，用兩層體涂覆方式對燈絲進行點膠。取6根上述方法制備的燈絲，將6根燈絲串聯(lián)在一起，樣品如圖1所示。 　　 　　1.2 測試 　　采用型號為ZWL-9200的中為積分球測量光通量、色溫和色坐標。被測LED采用固定夾具置于積分球中心，LED發(fā)射的光經(jīng)積分球內(nèi)部白色漫反射層，漫反射一部分光線通過積分球表面的通光孔徑光纖傳輸?shù)轿⑿投嗤ǖ拦庾V儀，光譜儀采集的數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到計算機進行處理和顯示，光源采用恒流源供電。 　　 　　2.分析與討論 　　采用中為的積分球進行測試。將樣品點亮，放進積分球，測試得到瞬態(tài)色溫，光通量和色品坐標等。點亮30 min后，再次進行測量得到穩(wěn)態(tài)的光學性能。隨后，將瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)進行分析和比較，得出結(jié)論。 　　2.1 光通量分析 　　 　　光通量隨電流的變化如圖2所示，無論是在初態(tài)還是穩(wěn)態(tài)，光通量都隨電流的增加而增加。這是因為PN結(jié)是發(fā)光二極管的核心部分，電流增加后，注入到發(fā)光區(qū)的電子和空穴數(shù)量增加，發(fā)生輻射復合的數(shù)量也會增加，從而導致LED的光通量增加。理論上，LED 的光通量隨電流的增大而線性增大。 　　但是，如圖2所示，在初態(tài)且電流為10~25 mA的時候，光通量隨電流的變化是1條斜率K=18左右的直線，電流與光通量幾乎呈線性關(guān)系，而在25~30 mA的時候，斜率K=16.113 2，有了明顯的下降。 　　由此可以看出，在初態(tài)時，電流和光通量幾乎成線性關(guān)系，在30 mA點亮時，因為LED芯片趨于飽和狀態(tài)，才導致斜率有了明顯的下降。在穩(wěn)態(tài)時，相鄰兩點之間的斜率依次為K1=17.591 2，K2=16.557 8，K3=15.113 2，K4=13.668 4， 光通量與電流不再成線性關(guān)系，而且隨著電流的增加，光通量增加的量越來越小（斜率逐漸減少），這是因為電流的上升導致結(jié)溫上升，且燈絲沒有及時散熱，從而導致結(jié)溫對光通量造成影響，產(chǎn)生光衰。由此可見，熱量會導致芯片老化，而芯片老化是光通量下降的根本原因。 　　根據(jù)圖2初態(tài)和穩(wěn)態(tài)的比較，可以發(fā)現(xiàn)點亮30min之后（即穩(wěn)態(tài)），燈絲的光通量均有所下降，且下降趨勢隨著電流的增加也越來越明顯。10 mA驅(qū)動時，穩(wěn)態(tài)的光通量為瞬態(tài)的99.8%，15 mA驅(qū)動時，穩(wěn)態(tài)的光通量為瞬態(tài)的98%，20 mA驅(qū)動時，穩(wěn)態(tài)的光通量為瞬態(tài)的95%，25 mA驅(qū)動時，穩(wěn)態(tài)的光通量為瞬態(tài)的92.7%， 30 mA驅(qū)動時，穩(wěn)態(tài)的光通量為瞬態(tài)的91%。 　　由此可見，當輸入電流較小時，光通量隨溫度升高而減少的現(xiàn)象不清晰，但隨著電流的逐漸加大，光衰現(xiàn)象非常明顯。因為隨著溫度的升高，LED 的電光轉(zhuǎn)換效率下降，即輸入相同的電功率所產(chǎn)生的可見光的量在減少，所以光通量也減少。 　　2.2 色溫分析 　　 　　根據(jù)圖3和圖4所示，初態(tài)和穩(wěn)態(tài)不同電流下的色溫，落點均在bin區(qū)內(nèi)，而且落點集中，符合國際標準。進入穩(wěn)態(tài)之后，色坐標落點仍然十分集中，沒有明顯的漂移。色坐標的漂移主要因素是熒光粉性能的老化，而過高的熱量又是導致熒光粉性能老化的首要因素。由此可以看出，倒裝LED燈絲具有良好的散熱性，從而保證倒裝LED燈絲的穩(wěn)定和可靠。而色坐標微小的漂移與熒光粉的顆粒，攪拌均勻度，芯片亮度等原因有關(guān)。 　　 　　根據(jù)圖5所示，在穩(wěn)態(tài)情況下倒裝燈絲的色溫均上升，在10 mA時，增長量為0.39%，在15 mA時，增長量為0.48%，在20 mA時，增長量為0.68%，在25 mA時，增長量為0.77%，在30 mA時，增長量為0.77%。 　　色溫的增量隨著電流增大最后趨于飽和，說明熒光粉的熱猝滅效應大于芯片，熱輻射的溫度大于芯片的溫度。而色溫隨電流的增加而增加，是因為隨著電流的增加，倒裝燈絲中的芯片發(fā)出的藍光增多，而熒光粉層的厚度是一定的，則出射的白光中藍光成分增加，從而使燈絲的色溫增加，當LED芯片發(fā)出的藍光趨于飽和狀態(tài)時，色溫的增加也將變得緩慢。 　　英國物理學家凱爾文（Kelvin）于1848年在一次物理實驗中發(fā)現(xiàn)了光色與溫度的關(guān)系。他把黑體（又稱絕對黑體，也稱完全輻射體）放在密封容器中加熱，以絕對零度（-273.16℃）為計算起點，溫度每升高1℃，色溫相應提高1K。 　　溫度與電流也成線性關(guān)系，因此，色溫與電流也成線性關(guān)系，但是根據(jù)圖5所示，無論初態(tài)還是穩(wěn)態(tài)在15 mA時，斜率從4.5左右瞬間下降到1.4左右，發(fā)生了一個突變，由此可見，電流的增大，溫度的上升不僅能夠激發(fā)LED芯片的藍光，還會造成LED芯片的衰減，而且溫度對于LED衰減的影響將遠大于其所激發(fā)的藍光。 　　2.3 溫度分析 　　運用熱電偶測量點亮30 min之后燈絲的平均溫度。根據(jù)公式Tj=Ths+RjPheat=Ths+RjKhPd，式中Rj為LED的內(nèi)部熱阻，Tj為結(jié)溫，Kh為發(fā)熱系數(shù)， 由此可以看出，燈絲的平均溫度從一定程度上反映燈絲內(nèi)部的結(jié)溫。 　　 　　從圖6中可以看出，溫度隨著電流的增加而增加，且溫度與電流幾乎成一種線性關(guān)系，關(guān)系式為T=0.908I+22。由此說明，電流的增加并不會導致溫度突然的上升而燒壞燈絲，但是電流的增加所產(chǎn)生的熱量對于倒裝LED燈絲的光學特性會產(chǎn)生一定的影響。 　　3.結(jié)論 　　倒裝LED燈絲是一個光，電，熱互相作用的混合系統(tǒng)，其輸出光特性受輸入電流的影響。通過研究和分析在不同直流電流的驅(qū)動下倒裝LED燈絲的光通量、色溫等輸出光性能隨輸入電流和溫度變化的規(guī)律，得到以下結(jié)論： 　　在不同直流電流的驅(qū)動下，倒裝LED燈絲的色溫隨著電流的增加而增加，色坐標比較穩(wěn)定，而光通量會受到較大的影響；且這種影響，在輸入較小的電流時并不明顯，在輸入較大電流時，光通量會有明顯的下降；電流的增加會導致溫度的上升，過多的熱量加速芯片和熒光粉的老化，從而使得倒裝LED燈絲的光學性能下降，光衰明顯。因此，倒裝LED燈絲具有良好的散熱是一個關(guān)鍵。

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