LED燈泡的光熱耦合研究

陳 躍， 鄒 軍， 石明明， 楊 磊， 楊 忠，湯 雄， 徐 慧， 李 超， 陳狄飛

(1.上海應用技術大學 理學院，上海 201418；2.浙江億米光電科技有限公司，浙江 嘉興 314100；3.上海厚睦萊電器科技有限公司，上海 201601；4.上海亮威照明科技股份有限公司，上海 200127；5.邵陽市亮美思照明新科技有限公司，湖南 邵陽 422000; 6.杭州士蘭明芯科技有限公司，杭州 310018；7.浙江美科電器有限公司，浙江 紹興 312300)

自從1879年愛迪生發明電燈以來，照明工程發展迅速。發明了高效率藍光LED芯片的3位科學家于2014年榮獲諾貝爾物理學獎[1]。LED燈泡因長壽命、節能、環保、寬色溫、快速啟動等特性在日常生活中得到了廣泛的應用，靈敏多變的形式提高了人們的生活品質[2-5]。LED燈泡散發的光和熱都產生于LED芯片，通過多種封裝材料、接口，傳輸或傳導[6]。透射光的一部分沿著光的傳播轉化為熱量，反過來，熱量的積累導致光輸出的降低[7]，是LED系統的影響因素，它直接影響 LED 的壽命、亮度輸出和發光效率。積累的熱量對LED的可靠性和使用壽命有負面影響，因此熱管理是封裝和應用的關鍵[8]。

從微觀角度看，發光是一種輻射躍遷，熱是一種非放射性躍遷。這2個因素相互競爭，相互作用。實際上，LED系統的熱因子和光度因子是緊密聯系在一起的。然而，現有的研究大多只單獨研究光和熱，忽略了光熱轉換的本質。只有對LED燈泡內的光熱耦合進行深入研究才能進一步掌握LED光熱轉換的特點和規律。因此，需要對LED器件的光學和熱學個性展開耦合研討，并對光致發光器件的光熱相互作用進行深入分析，以提高光熱轉換效率。

由于熒光粉與硅膠混合并被覆抹在芯片的表面,導致藍光發射效率降低,從而導致LED燈泡的發光效率降低[9-10]。而目前LED燈泡的光熱耦合研究主要集中在LED芯片和LED熒光粉，因此本文從這兩個方面入手，對目前LED燈泡光熱耦合研究進展和研究方法進行了評述。

1 LED芯片的光熱耦合

LED 芯片的有源層將電能轉化為光能，而大部分的電能都轉化為熱量。以白光 LED光源為例，當下白光LED燈泡中電轉換為光的效率普遍約為40%，但是大部分的電能仍是以熱能的方式流失,熱能經過基板散發到外延器件，利用在外延器件外表流動的空氣散發熱量[11-12]。LED芯片在經過長時間工作后自身會發熱，而熒光粉以及硅膠緊密貼合在LED芯片的周圍,致使熒光材料受熱從而發生老化,熒光粉的光衰持續增強[13]。即隨著時間的推移LED芯片光熱耦合關系越發清晰，同時芯片本身產生的熱量不能及時流失,縮短了芯片的使用壽命,進而縮短了LED的應用壽命[14-15]。早在2005年，Narendran等[16]驗證了LED燈泡的應用時間隨著 LED芯片節點溫度的逐步增加表現為逐漸下降。人們對LED燈泡的封裝和散熱狀況也展開了大量的研討[17-23]，利用了多組 LED 燈泡封裝模塊進行了可靠性實驗探究,在室溫不變的情況下，讓設計LED燈泡進行長時間的運行并隨時檢測LED的光衰[17]，文獻[18]中還對LED 燈泡的多種故障原因進行了研究。隨著LED燈泡照明的逐漸產量化、規模化，以Hui等[24]為代表所提出的LED燈泡的光-電-熱理論較為綜合和全面，很多研究人員深入研究了LED光-熱領域內互相作用的耦合關系，并獲得了一些較為成熟的耦合模型[25]。其模型示意圖，如圖1所示。

圖1 LED系統熱模型[25]

楊華[26]詳細論述了溫度在LED芯片光效方面的作用:當LED工作溫度提高時，LED藍光芯片的發射波長紅波逐漸增多，藍光芯片所激發的波長與被熒光粉所激發波長二者不再匹配，從而LED燈泡的發光效率會逐漸降低。此外，導致LED藍光芯片的發光效率降低的另一個原因是，隨著LED藍光芯片的工作溫度逐步升高，藍光芯片的輻射重疊率會明顯下降。對于一個芯片，其光通量可表示為φ=EP電，而且，由LED燈泡中芯片的電功率與溫度的關系可知，電功率會隨著溫度的升高而降低。由文獻[26-29]研討結果能夠看出,當正向的電流I恒定時,發光效率會隨著溫度表現出近似線性的遞減，表現為LED藍光芯片所產生的光通量與工作溫度的關系為反比關系，如圖2所示。

圖2 LED芯片的發光效率隨溫度的變化曲線[26]

而且還進一步探討出,當電流I不變時,光效E與LED芯片結溫Tj表現出近似線性遞減的關系,如圖3所示。

圖3 LED芯片光效與結溫關系[27]

隨著LED芯片結溫的升高,LED燈泡的光效將隨之下降。正向電流不變化時光效與LED芯片結溫的關系可表示為

E=E0[1+ke(Tj-T0)]

式中：ke為光效隨溫度的變化率，ke<0；Tj為LED芯片的結溫；T0為結溫25 ℃；E0為LED藍光芯片結溫25 ℃時匹配的固定光效。

根據圖2研究結果，該研究得出了藍光芯片光熱耦合關系如下所示：

E=76.11-0.189T+0.002×T2-

1.742×10-5T3

二者耦合的相關系數為 0.999 67。式中E為LED藍光芯片發光的效率；T為LED燈泡的工作溫度。

田傳軍等[30]也對溫度LED芯片的光功率之間的耦合關系進行了深入研究，如圖4所示。

圖4 LED芯片的光通量隨溫度的變化曲線[30]

圖4表明了溫度與光功率二者之間的關系,闡明了隨著溫度的逐步升高,LED光功率表現為逐漸下降。LED燈泡的光功率與熱功率相加可等于LED燈泡的電功率，可以論述為

P熱=P電-P光

LED燈泡中的電能轉換為光能的效率η[26],其定義可以表示為LED燈泡的輸出光功率與輸入電功率二者之比,一般可以描述為:η=P光/P電。在電流不變的狀況下,不斷改變LED燈泡的工作溫度,能夠觀察到LED在不同工作溫度下的電能轉化為光能的效率為η，如圖5所示。

圖5 電光轉換效率隨溫度的變化曲線[26]

由圖5可見，在電流穩定的狀態下,LED燈泡的電光轉換效率η與工作溫度表現為反比例關系。由于P光=ηP電，隨著溫度的增加，η在下降，P電也在下降，因而LED燈泡的光功率有著逐步降低的趨向。

2 LED燈泡中熒光粉的光熱耦合

目前LED燈泡的生產中所用到的熒光粉是光致發光原理,在這種材料光致發光的過程中常常發生的能量轉化有2種，即輻射躍遷和非輻射躍遷。輻射躍遷是電子從高能級向較低能級躍遷時，釋放一定的能量，伴隨著放出光子輻射。而非輻射躍遷是指在許多過程中,原子或分子中的電子由較高能級躍遷至低能級并不發出電磁輻射。二者的關系相互競爭,而且在發光和發熱二者之間是相互耦合的,因此有必要進一步對LED 燈泡的熒光粉的光熱耦合關系做深入分析[31-32]。Yan 等[33]指出，熒光粉溫度是影響LED壽命和功能的要害要素。首次發現發光材料的最高溫度可達 315.9 ℃，導致熒光粉淬滅，甚至發生硅氧烷碳化。熒光粉溫度過高會引起局部應力，材料性能下降。熱猝滅效應導致熒光粉量子轉換效率降低，發光效率降低[34]，即熒光粉內存在光熱耦合關系。Hu等[35]對庫貝爾卡-芒克理論進行了修正，考慮了摻雜硅膠的熒光體在LED燈泡工作過程中的光與熱轉換過程。根據目前LED 燈泡熒光粉中顆粒元素的光散射原理,進一步研究得到熒光粉的光致發熱過程,創立了LED 燈泡熒光粉的光熱耦合模型,模型表示如下：

對于熒光粉薄層，經過研究可以將光能量分布表示為：

ηcon[EB(z)+FB(z)]

ηcon[EB(z)+FB(z)]

經過計算可以得到藍光與黃光的邊界條件為：

基于此,可以得到光能量的分布,LED 燈泡中熒光粉光致發熱與入侵深度z的關系可以表達為

Qphos(z)=(1-ηcon)aB[EB(z)+FB(z)]+

aY[EY(z)+FY(z)]

于是基于LED 燈泡中單層及多層熒光粉光散射模型建立了熒光粉的光-熱耦合模型,得到了熒光粉光致發熱與入侵深度z的函數關系Qphos(z),如下列公式所示：

Qphos(z)=2(1-ηcon)aB[Aeaz+Be-az]+

圖6 熒光層中入侵深度z的前向散射和后向散射函數[27]

如圖 6所示，藍光和黃光的后向散射光能f(z)可以表示為FB(z)和FY(z)[27]。藍光和黃光前向散射光能量E(z)可表示為EB(z)和EY(z)。z表示入侵深度，E0表示入侵能量。

由圖6可見，隨著入射光深度的逐步加深，熒光體的產熱量顯著減少。這種現象意味著侵入深度越小產生的熱量越多，侵入深度越大產生的熱量越少。產生這種現象的原因是熒光粉層離芯片較近(入侵深度較小)，會有較多的光被散射、吸收和轉換。他們還分析了熒光粉參數(厚度、粒度、濃度、反轉效率等)對其影響[27]。圖7也能夠發現，熒光體的熱產生隨著量子效率的增加而減少。也就是說，其吸收了較多的藍光從而變成黃光導致熱量減少。LED燈泡熒光粉濃度和厚度二者對歸一化的熒光粉光致發熱的影響，如圖7所示。

圖7 熒光粉發熱量隨濃度、厚度的變化曲線[32]

在該論述的計算中,熒光粉的濃度從0.05 g/cm3增加到1.0 g/cm3，厚度從0.1 mm 增加到0.3 mm。從圖7可見，由于光照而產生的熱量會隨著熒光粉厚度或濃度的提高而逐步提高。而且當LED燈泡中熒光粉濃度在很低的水平時,熒光粉濃度對由光照而轉化成熱量的效率的影響很大;但是當熒光粉層的濃度過大時,對其影響系數就會降低。從該研究中還可以看出，決定LED燈泡中熒光粉量大小的最關鍵的2個因素就是熒光粉本身的濃度和厚度。也可以明確得出LED 燈泡中的熒光粉自身量越大,會有越多的光轉化為熱量[36]。

LED 燈泡中熒光粉顆粒尺寸和轉化效率對歸一化的熒光粉光致發熱的影響，如圖8所示。

圖8 熒光粉發熱量隨顆粒尺寸、轉化效率的變化曲線[32]

由圖8可見，隨著LED轉化效率的逐步增加,熒光粉中由于光照產生的熱量會相應的減少,隨著LED燈泡中熒光粉的顆粒尺寸逐步變大，熒光粉由光照產生的熱量，會先出現一個最大值，然后再逐步減小。這個出現的最大值所對應的便是臨界尺寸。出現這種狀況的原因是散射系數會隨著其顆粒尺寸的變化而變化。隨著LED 燈泡中熒光粉中顆粒的增大，導致晶體在不同方向的物理化學特性的差異會明顯增加;而隨著LED 燈泡中熒光粉顆粒逐漸減小,熒光粉的散射光照強度在不同角度上的衰減則比較平緩。當其尺寸很小時,發熱量也會減小。當熒光粉的顆粒尺寸逐步臨近臨界尺寸時，會導致LED 燈泡發熱量增加。當LED 燈泡中熒光粉顆粒尺寸>臨界尺寸時，大部分入射光都會發生于電子入射方向，散射角<90°的散射,導致散射事件的產生概率降低,所以轉化的熱量又減少了。如圖9所示。

除此之外，文獻[32]中還首次發現LED 燈泡封裝中“熱點轉移”現象并給出解釋，探討了降低熒光粉溫度的方法。

此外，在前人研究基礎上，Ye等[37]建立了一個電-熱-光-色綜合模型(electrothermal light-color，EeTeLeC)，用于預測在原位溫度熱管理下的光學性能。還可用于分析熒光粉厚度和顆粒密度變化引起的熱性能和光質量變化。該模型是基于成熟的電熱(electro-thermal，EeT)模型以及熱釋光(thermoluminescence，TeLeC)模型，綜合考慮了特定芯片和熒光粉的光譜、色度、光通量、色溫和顯色指數隨工作溫度、熒光粉顆粒密度和熒光粉層厚度的變化等重要參數的影響，得到的綜合動態模擬方法，如圖10所示。

經過實驗論證，結果表明,隨著亮度的變動，熒光粉的溫度升高，從70 ℃升高到99 ℃。這些熒光粉(直接熒光粉和多發光二極管封裝)可以直接將熱量從芯片傳導到熒光粉，因此可以獲得相對恒定的熒光粉溫度。偏磷光體樣品的溫度從 70 ℃ 上升到 99 ℃，基本呈線性增長。根據芯片溫度和熒光粉溫度，計算了光通量。總的來說，光通量隨著高溫區的增加而增加，也就是說，更多的轉換產生更多的光通量。

3 結果與討論

LED燈泡作為第四代光源已經被國內外市場普遍性接受，而要進一步做到LED燈泡的高效高可靠就不得不考慮LED燈泡的光熱耦合效應，具體研究內容如下：

LED芯片光熱耦合方面,明確了隨著時間推移LED芯片光熱耦合關系也越發明顯,同時LED芯片熱量不能及時流失,縮短了LED的使用壽命。而Hui等[24]所提出的LED的光電熱理論所需求的參數較多且較難獲取。此外,LED燈泡的控制對象往往是正向電流,所以該研究應用完成仍然有多種不便因素。因此，接下來重點應研發散熱性能更好的新型LED芯片，這對于提高LED燈泡高可靠性具有重要意義。

LED熒光粉的光熱耦合研究，根據修正的庫貝卡爾-芒克理論計算了熒光粉的光致發熱，但研究僅限于宏觀層面，并沒有光學和熱學相互滲透到熒光粉的光致發光和發熱過程中。此外，也缺乏對熒光粉的微觀能量轉換的研究。因此，從微觀角度量子水平研究熒光材料，是深入分析與研究熒光體的光致發光和熱發酵的主要研究方向。然而，這種將LED系統中電學、光學、熱學和顯色行為聯系起來的理論主要集中在探討如何提高LED顯色設計上，盡管多方面考慮了對LED顯色的影響，但也并沒有在給定的熱設計條件下獲得最大的光通量提高LED顯色的效果。這種光-電-熱-色綜合理論模型主要集中在如何提高LED的顯色上設計上，卻忽略了熒光粉的溫度，并沒有研究熱與光之間的強耦合關系。

4 結 語

從LED燈泡中的芯片與熒光粉兩個方面入手，探討了關于LED燈泡內光熱耦合的研究歷程及其最新研究成果。探討了當前LED燈泡光熱耦合中LED芯片的光-熱耦合、LED熒光粉光-電-熱耦合以及修正的庫貝爾卡-芒克理論等多種光熱耦合理論與模型的研究進展，并且對研究方法進行評述，明確了建立完善的LED光熱強耦合模型是研究LED光熱耦合從而提高發光效率的重要研究手段。