为什么要减低白光LED照明设计光衰?

关注:261发表时间:2018-06-25 10:09:06
 LED光衰影响因素
为了提高白光LED的可靠性,降低成本,各国科学家对白光LED的老化机理进行了深入的研究,认为白光LED的光衰是受到深能级和非辐射复合中心的增加、接触电极金属的电迁移和退化、散热不良导致的电极缓慢或灾变性失效的影响,另外封装材料的老化、荧光粉老化、静电等因素对其影响也是不可忽视的。
从LED的正常使用看,造成白光LED光衰的最主要因素就是热。如小功率LED的光衰明显比大功率LED的光衰大的原因就是因为大功率LED除了俩个电极外,还自带有专门的散热结构,用于提高散热效果,而小功率LED由于体积及成本原因,几乎没有专门的散热结构,仅靠俩个电极和外部连接,散热能力差。
热量的来源主要有:材料正常的电阻在通电时产生的焦耳热,PN结产生的热,还有工艺中带来的寄生电阻产生的焦耳热,还有光被吸收后产生的热。所产生的热量不能及时散发而使得温度升高,持续的高温加速了白光LED各个组分材料的性能衰退,从而影响使用寿命。
各材料对白光LED光衰的影响
蓝光LED芯片自身的快速衰退引起器件光输出的衰减
通过研究LED芯片结构和材料,发现芯片材料中的深能级缺陷和非辐射复合中心的增加对LED的老化具有重要的影响。在电流加速寿命实验中,芯片中的不稳定化合物分解成浅层受主,构成了新的能级,使发光效率降低。而且通过实验发现,芯片上的缺陷和错位使器件的反向漏电流增加,降低了发光效率和可靠性,而工艺经过优化、缺陷和位错较少的LED具有光衰较少。
所以科学家改善了芯片的衬底材料和外延制作工艺,减少缺陷和位错,有效的改善了芯片质量。
芯片通电产生的高温会造成LED的发光效率急剧降低,因此,使用散热性好的衬底,如用铜衬底代替蓝宝石衬底等,扩大散热面积,使散热性得到改善,从而提高光通量,明显改善可靠性。
灌封材料的热退化造成光输出的衰减
电子灌封胶种类非常多,从材质类型来分,目前使用最多最常见的主要为3种,即环氧树脂灌封胶、普通折射率有机硅灌封胶、高折射率有机硅灌封胶。
环氧树脂灌封胶
环氧树脂的分子结构中含有2个或2个以上的环氧基并在适当的化学试剂存在下能形成三维网状固化物。

环氧树脂及其固化物具有以下优良的性能特点:
(1)力学性能高:环氧树脂及其固化物具有很强的内聚力,分子结构紧密,所以它的力学性能高;
(2)附着力强:固化体系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团,赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝土、木材等极性基材优良的附着力,而且环氧树脂固化时的收缩率低,产生的内应力小,这也是有助于提高附着力;
(3)工艺性好:固化时基本不产生低分子挥发物,且选用不同的固化剂,环氧树脂体系几乎可以在0~180度范围内固化;
(4)稳定性好,抗化学药品性优良、电绝缘性优良、固化收缩率小:一般为1%~2%;
但环氧树脂也存在一些缺点:
(1)耐热性达不到LED的要求:环氧固化物的耐热性一般为80~100度。是因为在加热条件下环氧基和醚中的C-O很容易被氧化成醛或酮。
(2)耐侯性差:环氧树脂中一般含有芳香醚键,会吸收紫外线后氧化产生羟基并形成发色团进而使树脂变色;
环氧树脂灌封胶的这两个缺点将导致其灌封的LED产生严重的光衰。
普通折射率有机硅灌封胶
普通折射率有机硅灌封胶:是以带支链的甲基乙烯基硅氧烷为基础树脂、线性甲基乙烯基硅氧烷为活性稀释剂、甲基含氢硅氧烷为交联剂,配合铂金催化剂、温敏抑制剂、各种添加剂等制得的双组分加成型硅胶电子灌封材料。
相对于环氧树脂,甲基类有机硅灌封材料具有更好的性能:
(1)更好的耐热性:有机硅材料是半有机半无机材料,其主链Si-O为无机链段,键能高达422.5KJ/mol,而环氧树脂的C-C键和C-O键的键能分别只有347KJ/mol和351KJ/mol,因此有机硅材料在高温下不容易断链分解,在200~250℃下长期使用不分解、不变色,交联固化后短时间能耐350~500℃。并且甲基类有机硅还赋予材料较好的热稳定性、脱膜性、憎水性、耐电弧性,故而硅氧烷的热稳定性相当的好。
(2)更好的耐侯性:甲基有机硅材料对紫外线几乎不吸收,苯基也仅吸收280nm以下的光线,故LED本身所发出的光或太阳光照射对甲基有机硅材料的影响较小,即使在紫外线强烈照射下,硅树脂也耐泛黄,不引起游离基反应,也不易产生氧化反应。
(3)更好的电绝缘性能:有机硅树脂的电击强度达90~98KV 2。它的介电常数较小,且随温度的升高而下降,这一特性使硅树脂用作高压绝缘有特别重要的意义。同时,硅树脂的耐电弧及耐电晕性能也十分突出,其耐耐电弧性能(180s)是环氧树脂(90s)的俩倍。
但甲基类有机硅材料也有性能需要改进的地方:
(1)力学性能:受分子结构及分子键作用力大小决定,甲基有机硅灌封胶的弯曲、抗张、抗冲击、耐擦伤等性能较差。
(2)耐化学性:强碱能断裂Si-O-Si键。且硅树脂耐溶剂性能较差,几分钟可导致树脂膜完全破坏。
(3)防透湿透氧:虽然甲基有机硅灌封胶由于有机基团在硅氧主链的侧基排列,具有优良的憎水性能,但其分子链段柔软,甲基体积小,链段间会存在一定的空隙,所以其透湿透氧性相对较大,通过实验发现,甲基有机硅灌封胶对冷水的抵抗力较强,对沸水的抵抗力较弱,对水蒸气,尤其是高压水蒸汽的抵抗力很差,这也导致镀银层的氧化及芯片老化的加速,从而加速LED光衰。
相对其他类型的灌封胶,甲基类有机硅材料的热稳定性及紫外稳定性优异,可应用于湿度低、散热要求不高的室内照明领域。
高折射率有机硅灌封胶
相对于环氧树脂灌封胶和普通折射率有机硅灌封胶,高折射率有机硅灌封胶具有更加优越的性能:
(1)更高的折射率:甲基有机硅灌封胶的折光指数通常只有1.41左右,而苯基有机硅灌封材料折射率较高,折光指数能达到1.5以上。甲基有机硅灌封胶的折光指数与芯片的折光指数相差较大不利于芯片的光输出。而研究表明,使用高折射率、高耐紫外能力、高耐热老化能力,低应力的苯基有机硅灌封材料,可以明显的提高LED的光输出和使用寿命。
(2)更好的力学性能及防透湿透氧性能:由于高折射率有机硅灌封材料主要是通过在分子结构中引入苯环来提高材料的折射率,由于苯环体积大,且一般市面上的高折射率灌封胶大多为立体状的有机硅树脂,而不是线性硅油,大大降低灌封材料的透湿透氧率和线性膨胀系数,有效的提高了其硬度、抗冲击、耐擦伤等性能,而透湿透氧率的降低,芯片不容易受到腐蚀,支架表面的镀银层也不容易氧化、硫化变黑,不易降低支架表面的反光能力,从而延缓光衰,延长LED的使用寿命。
但现在高折射率有机硅灌封胶也不是完美的,如:
(1)耐侯性:由于苯环的存在,其共轭大π键在游离氧的攻击下,或者在紫外线照射下,容易氧化变色,影响灌封材料的透光率。研究表面,在合成苯基硅树脂时,通过调节单体的投料比,减少硅羟基及硅甲氧基的残留,可以增加材料的稳定性,另一方面,也可以优化有机硅材料的纯化工艺,减少低聚物、单体及副产物的残留,对材料稳定性提升也有较大帮助。
(2)折射率难再提高:从有机硅化学结构和组成的角度来看,由于苯环体积大,不可能大量引入,追求更高折射率是研发领域的又一大难题,目前最前沿的是使用高折射率的超细改性纳米粒子来达到,香港骏码科技集团技术团队在美国工程院院士汪正平教授带领下已开展该项研究,并取得很好的进展。
荧光粉性能衰退造成光输出的衰减
其他
除了以上LED自身导致光衰的原因外,还有外部因素导致LED光输出的衰减。LED是怕热的,温度越高,LED寿命越短,光衰越大。所以我们在设计灯具的时候,尽量减少热量的产生,加速热量的散发,提高材料的热稳定性,从而减少光通量的减少,延长LED灯珠的使用寿命。
另外,用户不了解LED的性能参数,不恰当地给LED供电,小于额定电流会造成灯珠的光强达不到要求,而超过额定电流,灯珠的光强是上去了,但产生了大量的热量,超出材料的传热能力,导致了材料老化的加速,从而导致灯具光输出的衰减。
结语
综上所述,无论是芯片的老化、硅胶的老化、荧光粉性能的下降、供电的不当、使用环境的恶劣等等造成LED灯具光衰的因素,都有热量的影子,所以LED灯具***的敌人其实就是热!所以,减少热量的产生,加速热量的导出,提高材料的耐热性,是LED灯具减少光衰,提高其使用寿命的三个研究方向。

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