原因分析:
1、熒光粉在較高溫度下的性能衰退
LED用的熒光粉受光激發效率隨溫度的變化關系,似乎還沒有相關資料。但已有充分的事實可以證明,溫度升高,確實影響到熒光粉的性能和壽命。
有熒光粉廠家做了測試,在溫度為80度時,熒光粉的激發效率降低了2%,冷卻后又恢復。而這僅僅是做很短的時間的一個測試而已。已說明溫度升高,熒光粉的性能下降。至于不可恢復的性能衰退,則是一個累計的過程,需要一定的時間。
我們也時常會遇到這樣的事情,對白光LED使用或老化一段時間,發現LED更亮了。目前,這種狀況對于小功率LED,一般在1000小時之內發生(這里是指1000小時的光通量可能大于初始值,2008年中期后的產品及貼片產品可接近或達到1000小時)。對于小功率封裝的LED,這種狀況可能維持到2000小時。這種狀況可能由下列情況產生:
A:熒光粉和混合的膠作用,使熒光粉的性能降低,在溫度的初期作用下,使熒光粉的性能恢復;
B:熒光粉和混合的膠作用,使熒光粉的性能提高。
C:藍光芯片的初始一段時間性能有增強。
在試驗中發現,在初始一段時間內,白光LED的光通量既有一開始就上升的,也有一開始就下降的。這種狀況在相同的紅光芯片在不同廠家封裝時也有發生。所以,僅以短時間的實驗是很難斷定是熒光粉的問題,還是封裝材料和封裝工藝的問題。
但是,在小功率藍光LED的壽命試驗中發現,普遍存在初始一段時間光通量上升的現象,一般光通量上升期在200小時左右。而插件白光的光通量上升期一般在100小時左右。由此也可以推斷,白光LED應該是熒光粉的性能首先衰退。
小功率白光LED過了那個短暫的光通量提升期后,情況就很不樂觀了,開始像沒有翅膀的飛機,結果將不言而喻。大功率白光LED,一般也是在100小時左右光通量上升,之后到6000小時之間處于不是穩定的狀態,隨時間推移,某些產品的光通量有較大幅度的上升和下降的擺動。到了6000小時以后,基本上開始堅定不移地一路下滑。目前一般的大功率白光產品在1.5~2萬小時到達生命的終點(光衰達到50%)。
2、藍光LED自身的快速衰退
就芯片相比較而言,藍光LED的壽命是最差的,小功率插件藍光LED在20mA工作下,壽命7000~10000小時左右。而小功率插件紅光LED甚至在50mA下工作8000小時還沒有光衰!同樣的封裝,紅光消耗的功率是藍光的1.8倍而性能沒有惡化。黃光、綠光的壽命都遠高于1萬小時。
所以,藍光芯片自身壽命就差,先天的不足導致由它構成的白光LED的壽命更差。
就芯片的材料來看,藍光和綠光LED芯片,主要是外延材料摻雜不同,襯底一般都是藍寶石,襯底的導熱能力向相同的。所以,外延部分的材料結構決定了他們的耐受溫度的能力。這應該是芯片改進重點。
在芯片的外延材料結構沒有那么快改善的情況下,只有像這樣,通過置換襯底材料來改進導熱能力。
3、LED封裝底座(支架)材料及其他材料的導熱不良
插件型的小功率LED,芯片固定用支架材料一般是鐵質,從散熱的角度看,鐵質材料是很差的。同時,支架向外引出的部分,截面積很小,這也增加了熱阻。即使是食人魚支架,也同樣存在截面積小的問題。材質和結構,決定了小功率插件封裝導熱能力很差。
白光LED的光衰退問題,主要是熱引起的,與LED熱路徑相關的材料都要被考慮。上面已經討論了底座問題,剩下的就是固晶膠、配粉的膠、保護膠(透鏡)的問題。
有資料表明,使用銀漿固晶比用環氧樹脂壽命長,但初始光通比環氧樹脂低近1/3。
使用環氧樹脂作為配粉膠比用硅膠壽命短,但初始光通量相比高出25%。
4、紫外輻射對LED的影響
紫外線對LED的影響,主要是對芯片材料、熒光粉和封裝膠體的影響。受到影響最大的是封裝膠體。一般LED不會對向太陽,進入到LED內部照射到熒光粉和芯片的紫外線只能是一些漫反射光線,所以,紫外線對芯片和熒光粉的作用并不是很強的。