白光LED衰减的光谱分析

 

       白光LED与白炽灯及荧光灯相比具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、环保等显著优点，采用白光LED取代白炽灯及荧光灯照明将产生巨大的经济效益和社会效益。自20世纪90年代中后期白光LED的问世以来，白光LED引起了世界范围内的广泛关注，日本、美国、欧盟、韩国等国家相继制定了国家发展计划大力支持白光LED的研究、积极推动白光LED应用，计划用半导体照明替代白炽灯。以Lumileds、Cree、Osram、Nichia等公司为代表的企业，在白光LED的研究和产业化方面取得了较大进展。在350 mA电流驱动下Lumileds LUXEON I白光LED光通量可达45 lm；Cree XLamp7090白光LED光通量可达50lm；Osram Golden DRAGON白光LE D光通量可达39 lm；Niehia NCCW 系列白光LED光通量可达50 1m。近年来，白光LED在手机、中小尺寸LCD背光源、汽车照明等领域已有大量应用。目前白光LED已经开始进入照相机闪光灯、装饰照明、矿井照明等领域，可以预见在未来的几年内，白光LED将逐步进入更加广泛的照明领域。
       随着白光LED应用领域的不断扩展，除白光LED发光效率外，其工作寿命同时也成为关注的焦点之一。对支架式白光LED的研究发现，不同的封装材料如支架、固晶胶、包封材料、荧光粉等对白光LED的光衰有着不同的影响[1]，并通过加速老化的方法研究了支架式白光LED衰减特性和寿命[2]。为了促进大功率LED产业化和应用的发展，大功率LED特性的研究逐渐成为半导体行业的焦点之一，我公司在大功率LED的芯片键合材料、热阻特性等方面已有一定的研究[3-6 ]。本文通过研究PLCC-4型和大功率白光LED的光谱来分析白光LED的衰减特性，为大功率白光LED的器件设计和应用提供参考。

       白光LED的实现方式目前主要有三种：蓝光LED激发YAG荧光粉方式、RGB三合一方式和紫外光LED激发多色荧光粉方式。但由于寿命和效率的问题紫外光LED激发多色荧光粉方式很少采用，目前应用较广泛的为蓝光LED激发YAG荧光粉方式。实验考察了①采用蓝光LED+YAG荧光粉方式封装的PLCC-4型白光LED；②蓝光LED+荧光粉晶片方式封装的PLCC-4型白光LED；③RGB三合一方式封装PLCC-4型白光LED；④蓝光LED+YAG荧光粉方式封装的大功率白光LED(Φl0金属线路板封装)。① 、② 、③类PLCC-4型白光LED在室温环境中以20 mA直流电老化和测试；④类大功率白光LED在室温环境中以350 mA直流电老化和测试。测试仪器为浙江三色仪器有限公司生产的SPR-920D光谱光度测试仪。

       PLCC-4型白光LED经过8周时间的老化，其光谱变化情况如图1所示，其中(a)为采用YAG荧光粉封装；(b)为采用荧光粉晶片封装；(c)为采用RGB三合一方式封装。

      大功率白光LED经过4周时间的老化，其光谱变化情况如图2所示。

       从图1、图2中可以看出，采用荧光粉封装的白光LED的衰减包括蓝光和黄绿光部分的衰减，采用RGB三合一方式封装的白光LED衰减主要表现为蓝光的衰减，红、绿光的衰减很微小。

       由于白光是由多种单色光混合而成的，因此白光中单色光的衰减情况可以反映出白光的衰减情况。光谱曲线反映了各单色光的能量分布，则光谱曲线所包含的面积可反映其总的辐射能量，曲线所包含面积的对比则可反映其光谱能量的变化。从光谱曲线可以看到，YAG荧光粉封装的白光LED光谱可以分为两段，在波长为400～495 nm可视为蓝光段，495 nm以上的波段可视为黄绿光段。设白光LED在老化前的光谱曲线函数为
       则蓝光段的光谱能量为：
       黄绿光段的光谱能量为：

       设白光LED在老化后的光谱曲线函数为
       则蓝光段的光谱能量为：
       黄绿光段的光谱能量为：

       由于白光LED的光谱曲线为非规则光滑曲线，直接计算积分将有一定困难，其积分可采用光谱曲线所包含的面积近似代替，通过计算可得采用YAG荧光粉封装的白光LED在经过8周老化前后蓝光及黄绿光部分光谱能量为：

        则蓝光部分衰减幅度为：

        黄绿光部分衰减幅度为：
        采用光谱光度测试仪测试时波长间隔为5 nm，采用上述计算原理计算结果如表1所示。

 

 

 

 

       从以上的计算可以看出，采用YAG荧光粉及荧光晶片封装PLCC4型白光LED，其衰减过程中，黄绿光部分的衰减与蓝光部分的衰减大致相当，表明此时白光的衰减基本上是由蓝光的衰减所引起的。采用RGB LED封装的PLCC-4型白光LED其衰减主要表现为蓝光部分的衰减，黄绿光部分的衰减几乎可以忽略。而Power白光LED表现出与PLCC-4型白光LED不同的特性，从计算可以看出黄绿光的衰减比蓝光的衰减多了10％ 以上。由于黄绿光部分是由蓝光激发YAG荧光粉而发出的光，因此黄绿光部分的衰减可能的原因为蓝光部分的衰减及荧光粉的衰减。可以推测，一方面由于蓝光的衰减而导致白光的衰减，同时蓝光的衰减导致激发能的衰减而致使荧光粉黄绿光发射的减少；另一方面由于荧光粉转换效率降低也导致黄光发射的减少。引起荧光粉量子效率降低的因素有温度猝灭、浓度猝灭、杂质猝灭等，在掺杂一定的情况下，温度猝灭是引起荧光粉量子效率降低的主要因素。PLCC-4型白光LED热阻约为300℃／W，在30℃环境30 mA电流驱动的工作状态下，芯片的结温约为60℃ ；金属线路板封装大功率白光LED热阻约为20℃／W，在30℃环境350 mA电流驱动的工作状态下，芯片的结温 也约为60℃ 。而在实际应用中，各类白光LED将焊接在PCB板上，PLCC-4型白光LED焊接到线路板后其系统热阻变化很小，但焊接Power白光LED所使用的PCB板将对系统热阻产生较为明显的影响。由于PowerLED的发热量相对于PLCC-4型LED大，系统的热阻将对Power LED上的热量产生明显的影响，当系统的热阻超过50℃／W时，在30℃环境350 mA电流驱动的工作状态下，芯片的结温 将超过80℃ 。由于荧光粉的衰减在PLCC-4型白光LED上并未表现或表现的并不明显，而Power白光LED与PLCC-4型白光LED最根本的区别仅在于两类器件的热阻不同。因此，Power白光LED黄绿光部分的衰减快于蓝光部分的衰减，其原因可以归结为蓝光的衰减及荧光粉的温度猝灭。

       蓝光和黄绿光的衰减同时影响着白光的光学特性，由于蓝、绿、红三种颜色光的比例发生了变化，将导致白光色度坐标、色温、显色指数等特性发生变化。在我们的试验中发现，色度坐标、色温的变化具有一定的共性，采用荧光粉封装的白光LED和采用RGB三合一方式封装的白光LED都表现为色度坐标逐步红移，色温降低，显色指数有波动。从试验结果来看，随着白光LED光发射的衰减，白光LED的显色指数有降低的趋势。
      因此，半导体行业发展白光LED产业和推动白光LED应用过程中，需要采取对策减小蓝光芯片本身的衰减、提高器件的散热性能、改善应用产品的散热结构，并降低荧光粉的温度猝灭效应。

       通过对比试验观察白光LED的老化光谱曲线，分析采用荧光粉封装的白光LED和采用RGB三合一方式封装的白光LED衰减的机理及衰减过程中色度参数变化的规律。通过光谱能量曲线分析，采用YAG荧光粉、晶片、RGB LED封装的PLCC-4型白光LED的衰减过程基本相同，主要是由蓝光的衰减所引起；Power白光LED的衰减是由蓝光的衰减及荧光粉的衰减所引起，因蓝光的衰减而引起的白光衰减至少占80％。通过分析可以进一步推断：系统在散热条件足够理想附隋况下，白光LED的衰减主要由蓝光的衰减引起，而随着系统温度的升高，荧光粉的衰减将开始出现，并将加剧白光LED的衰减。

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[1]Wu Haibin，Wang Changling．Experimental research on influence of packing materials of white LED on its luminous decay[J]．Acta Optica Sinica(光学学报)，2005，25(8)：1091-1094(in Chinese)．

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[6]Li Binqian，Bu Liangji，Fan Guanghan．A new method measuring thermal resistance of power LED[J]．Semiconductor Optoelectronics(半导体光电)，2003，24(1)：22．24(in Chinese)．Spectroscopic Analysis of W hite LED Attenuation