白光LED與白熾燈及熒光燈相比具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長(cháng)、環(huán)保等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，采用白光LED取代白熾燈及熒光燈照明將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。自20世紀90年代中后期白光LED的問(wèn)世以來(lái)，白光LED引起了世界范圍內的廣泛關(guān)注，日本、美國、歐盟、韓國等國家相繼制定了國家發(fā)展計劃大力支持白光LED的研究、積極推動(dòng)白光LED應用，計劃用半導體照明替代白熾燈。以L(fǎng)umileds、Cree、Osram、Nichia等公司為代表的企業(yè)，在白光LED的研究和產(chǎn)業(yè)化方面取得了較大進(jìn)展。在350 mA電流驅動(dòng)下Lumileds LUXEON I白光LED光通量可達45 lm；Cree XLamp7090白光LED光通量可達50lm；Osram Golden DRAGON白光LE D光通量可達39 lm；Niehia NCCW 系列白光LED光通量可達50 1m。近年來(lái)，白光LED在手機、中小尺寸LCD背光源、汽車(chē)照明等領(lǐng)域已有大量應用。目前白光LED已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入照相機閃光燈、裝飾照明、礦井照明等領(lǐng)域，可以預見(jiàn)在未來(lái)的幾年內，白光LED將逐步進(jìn)入更加廣泛的照明領(lǐng)域。
       隨著(zhù)白光LED應用領(lǐng)域的不斷擴展，除白光LED發(fā)光效率外，其工作壽命同時(shí)也成為關(guān)注的焦點(diǎn)之一。對支架式白光LED的研究發(fā)現，不同的封裝材料如支架、固晶膠、包封材料、熒光粉等對白光LED的光衰有著(zhù)不同的影響[1]，并通過(guò)加速老化的方法研究了支架式白光LED衰減特性和壽命[2]。為了促進(jìn)大功率LED產(chǎn)業(yè)化和應用的發(fā)展，大功率LED特性的研究逐漸成為半導體行業(yè)的焦點(diǎn)之一，我公司在大功率LED的芯片鍵合材料、熱阻特性等方面已有一定的研究[3-6 ]。本文通過(guò)研究PLCC-4型和大功率白光LED的光譜來(lái)分析白光LED的衰減特性，為大功率白光LED的器件設計和應用提供參考。

       白光LED的實(shí)現方式目前主要有三種：藍光LED激發(fā)YAG熒光粉方式、RGB三合一方式和紫外光LED激發(fā)多色熒光粉方式。但由于壽命和效率的問(wèn)題紫外光LED激發(fā)多色熒光粉方式很少采用，目前應用較廣泛的為藍光LED激發(fā)YAG熒光粉方式。實(shí)驗考察了①采用藍光LED+YAG熒光粉方式封裝的PLCC-4型白光LED；②藍光LED+熒光粉晶片方式封裝的PLCC-4型白光LED；③RGB三合一方式封裝PLCC-4型白光LED；④藍光LED+YAG熒光粉方式封裝的大功率白光LED(Φl0金屬線(xiàn)路板封裝)。① 、② 、③類(lèi)PLCC-4型白光LED在室溫環(huán)境中以20 mA直流電老化和測試；④類(lèi)大功率白光LED在室溫環(huán)境中以350 mA直流電老化和測試。測試儀器為浙江三色儀器有限公司生產(chǎn)的SPR-920D光譜光度測試儀。

       PLCC-4型白光LED經(jīng)過(guò)8周時(shí)間的老化，其光譜變化情況如圖1所示，其中(a)為采用YAG熒光粉封裝；(b)為采用熒光粉晶片封裝；(c)為采用RGB三合一方式封裝。

      大功率白光LED經(jīng)過(guò)4周時(shí)間的老化，其光譜變化情況如圖2所示。

       從圖1、圖2中可以看出，采用熒光粉封裝的白光LED的衰減包括藍光和黃綠光部分的衰減，采用RGB三合一方式封裝的白光LED衰減主要表現為藍光的衰減，紅、綠光的衰減很微小。

       由于白光是由多種單色光混合而成的，因此白光中單色光的衰減情況可以反映出白光的衰減情況。光譜曲線(xiàn)反映了各單色光的能量分布，則光譜曲線(xiàn)所包含的面積可反映其總的輻射能量，曲線(xiàn)所包含面積的對比則可反映其光譜能量的變化。從光譜曲線(xiàn)可以看到，YAG熒光粉封裝的白光LED光譜可以分為兩段，在波長(cháng)為400～495 nm可視為藍光段，495 nm以上的波段可視為黃綠光段。設白光LED在老化前的光譜曲線(xiàn)函數為
       則藍光段的光譜能量為：
       黃綠光段的光譜能量為：

       設白光LED在老化后的光譜曲線(xiàn)函數為
       則藍光段的光譜能量為：
       黃綠光段的光譜能量為：

       由于白光LED的光譜曲線(xiàn)為非規則光滑曲線(xiàn)，直接計算積分將有一定困難，其積分可采用光譜曲線(xiàn)所包含的面積近似代替，通過(guò)計算可得采用YAG熒光粉封裝的白光LED在經(jīng)過(guò)8周老化前后藍光及黃綠光部分光譜能量為：

        則藍光部分衰減幅度為：

        黃綠光部分衰減幅度為：
        采用光譜光度測試儀測試時(shí)波長(cháng)間隔為5 nm，采用上述計算原理計算結果如表1所示。

 

 

 

 

       從以上的計算可以看出，采用YAG熒光粉及熒光晶片封裝PLCC4型白光LED，其衰減過(guò)程中，黃綠光部分的衰減與藍光部分的衰減大致相當，表明此時(shí)白光的衰減基本上是由藍光的衰減所引起的。采用RGB LED封裝的PLCC-4型白光LED其衰減主要表現為藍光部分的衰減，黃綠光部分的衰減幾乎可以忽略。而Power白光LED表現出與PLCC-4型白光LED不同的特性，從計算可以看出黃綠光的衰減比藍光的衰減多了10％ 以上。由于黃綠光部分是由藍光激發(fā)YAG熒光粉而發(fā)出的光，因此黃綠光部分的衰減可能的原因為藍光部分的衰減及熒光粉的衰減�？梢酝茰y，一方面由于藍光的衰減而導致白光的衰減，同時(shí)藍光的衰減導致激發(fā)能的衰減而致使熒光粉黃綠光發(fā)射的減少；另一方面由于熒光粉轉換效率降低也導致黃光發(fā)射的減少。引起熒光粉量子效率降低的因素有溫度猝滅、濃度猝滅、雜質(zhì)猝滅等，在摻雜一定的情況下，溫度猝滅是引起熒光粉量子效率降低的主要因素。PLCC-4型白光LED熱阻約為300℃／W，在30℃環(huán)境30 mA電流驅動(dòng)的工作狀態(tài)下，芯片的結溫約為60℃ ；金屬線(xiàn)路板封裝大功率白光LED熱阻約為20℃／W，在30℃環(huán)境350 mA電流驅動(dòng)的工作狀態(tài)下，芯片的結溫 也約為60℃ 。而在實(shí)際應用中，各類(lèi)白光LED將焊接在PCB板上，PLCC-4型白光LED焊接到線(xiàn)路板后其系統熱阻變化很小，但焊接Power白光LED所使用的PCB板將對系統熱阻產(chǎn)生較為明顯的影響。由于PowerLED的發(fā)熱量相對于PLCC-4型LED大，系統的熱阻將對Power LED上的熱量產(chǎn)生明顯的影響，當系統的熱阻超過(guò)50℃／W時(shí)，在30℃環(huán)境350 mA電流驅動(dòng)的工作狀態(tài)下，芯片的結溫 將超過(guò)80℃ 。由于熒光粉的衰減在PLCC-4型白光LED上并未表現或表現的并不明顯，而Power白光LED與PLCC-4型白光LED最根本的區別僅在于兩類(lèi)器件的熱阻不同。因此，Power白光LED黃綠光部分的衰減快于藍光部分的衰減，其原因可以歸結為藍光的衰減及熒光粉的溫度猝滅。

       藍光和黃綠光的衰減同時(shí)影響著(zhù)白光的光學(xué)特性，由于藍、綠、紅三種顏色光的比例發(fā)生了變化，將導致白光色度坐標、色溫、顯色指數等特性發(fā)生變化。在我們的試驗中發(fā)現，色度坐標、色溫的變化具有一定的共性，采用熒光粉封裝的白光LED和采用RGB三合一方式封裝的白光LED都表現為色度坐標逐步紅移，色溫降低，顯色指數有波動(dòng)。從試驗結果來(lái)看，隨著(zhù)白光LED光發(fā)射的衰減，白光LED的顯色指數有降低的趨勢。
      因此，半導體行業(yè)發(fā)展白光LED產(chǎn)業(yè)和推動(dòng)白光LED應用過(guò)程中，需要采取對策減小藍光芯片本身的衰減、提高器件的散熱性能、改善應用產(chǎn)品的散熱結構，并降低熒光粉的溫度猝滅效應。

       通過(guò)對比試驗觀(guān)察白光LED的老化光譜曲線(xiàn)，分析采用熒光粉封裝的白光LED和采用RGB三合一方式封裝的白光LED衰減的機理及衰減過(guò)程中色度參數變化的規律。通過(guò)光譜能量曲線(xiàn)分析，采用YAG熒光粉、晶片、RGB LED封裝的PLCC-4型白光LED的衰減過(guò)程基本相同，主要是由藍光的衰減所引起；Power白光LED的衰減是由藍光的衰減及熒光粉的衰減所引起，因藍光的衰減而引起的白光衰減至少占80％。通過(guò)分析可以進(jìn)一步推斷：系統在散熱條件足夠理想附隋況下，白光LED的衰減主要由藍光的衰減引起，而隨著(zhù)系統溫度的升高，熒光粉的衰減將開(kāi)始出現，并將加劇白光LED的衰減。

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