LED芯片发光发热性能测试分析

LED芯片越亮，发热量越大，还是芯片越暗，发热量越大？遇到这个问题，相信很多人都会认为是芯片越暗，发热量越大，因为更多都能量转化成了热能。但是，事实并非如此，LED芯片越亮，发热量可能越大，也可能会越小，这是因为电流密度大小会决定芯片的光功率和热功率大小，同时温度也会影响芯片的发光效率。那么应该如何分析LED芯片的发光发热性能并加以利用？下面我们将通过金鉴显微光热分布测试系统进行测试分析，和大家一起一探究竟。

案例分析（一）芯片发光与发热并不成正比

以下是对同一颗芯片，通过金鉴自研发的显微光热分布测试系统在不同电流下的测试数据，如图所示为芯片亮度和温度随电流的变化关系曲线。我们发现芯片发光与发热并不成正比。

1. 随着加载电流的增大，芯片亮度逐渐增加，达到最大值后开始出现衰减，而芯片温度却是随着电流的增大而急剧增加！

2. 在大电流下，再增加电流，芯片并不会变的更亮，甚至会变暗。这是因为LED芯片存在高驱动电流下“量子效率下降”（Efficiency Droop）的问题。这也是制约高功率LED照明应用，发展高效、功率照明技术的关键瓶颈。

3. 该芯片厂家规定的额定电流为450mA，超电流使用，芯片的确会更亮。但是过度的超电流，产生的将不再是光能，而是热能，这将极大危害LED芯片的寿命。

图一：LED芯片外观图

图二：LED芯片发光强度、表面温度与点亮电流的关系曲线图

灯具厂为什么喜欢超电流？

这里面有几个原因：

1. 过去LED产业还没有显微光热分析设备来研究芯片微观的电流、发光和发热关系，没有在此方面做过深入的研究，只有一些凭感觉的经验值。

2. 芯片厂对于额定电流的规定是鉴于芯片大小，这并不科学，没有考虑到芯片的电流密度会随着外延和芯片工艺，图形设计的改变因素。

3. 灯具厂追求的是高亮度，他们发现超出芯片的额定电流使用，灯具好像也没出什么问题。久而久之，灯具厂对芯片厂提供的额定电流参数不再信任，随意地超电流使用。但这种行为又存在安全隐患，因为超多少完全是跟着感觉走，缺乏测试数据理论的支撑，以至于过度超电流导致烧灯质量事故的出现。

4. 由此可知，利用金鉴显微光热分析设备绘制出LED芯片发光强度、发热与点亮电流的关系曲线图可以指导LED芯片、封装和灯具厂向着规范健康的方向发展。

案例分析（二）

下图是同样的芯片通过金鉴显微光热分布测试系统在不同电流下测试的光热分布图，选取图二中的电流是亮度最高点电流值590mA和最高点两边相同亮度450mA和760mA。从中我们可以清晰观察到，过度的超电流使用，LED光源产热不产光的现象。

1. LED芯片的额定电流为450mA，超电流590mA使用时，亮度提升约9.3%，芯片温度升高41.2℃，约46.2%。

2. 过度超电流760mA使用时，亮度无提升，芯片温度升高122.7℃，约137.6%。过度超电流，亮度不变，温度升高超过2倍！

3. 灯具厂如果要超电流，需选择在在450~590mA这个芯片量子效率较高的这个区间选择，才能够避免产热不产光的现象！

通过金鉴显微光热分布系统，可以芯片厂、封装厂和灯具厂定位最高效率的电流电压，避免盲目的超电流使用导致烧灯现象！

图三：不同电流下芯片光热分布对比

案例分析（三）环境温度影响芯片的发光和发热性能

LED光源的光热性能受温度的影响较大，脱离实际工作温度所测试的结果准确性较差，甚至毫无意义。以下为金鉴显微光热分布测试系统在不同温度下测得的芯片光热分布图对比，同时给出了在不同温度下芯片亮度的变化情况。

1. 温度越高，芯片光分布均匀性越差。这是因为温度影响着材料的性能，高温使得芯片电流扩展能力变差。

2. 随着温度的升高，发光强度呈下降趋势，且温度越高，光衰趋势越大。支架引脚温度由80℃升高到120℃时，LED芯片温度升高约45℃，发光强度衰减高达30.6%！

3. 因此，在非实际使用温度环境下的测试数据，是不准确的！

实际工作温度对于LED芯片的光热性能至关重要！金鉴自主研发的显微热分布测试系统配备有高低温数显精密控温平台，能稳定控制灯珠引脚温度和基板温度，模拟模拟器件实际工作温度进行测试，提供更为真实有效的数据。该测试平台还配备有水冷降温系统，在100s内可将平台温度由100℃降到室温，有效解决了样品台降温困难的问题，该系统还可以稳定控制样品台温度维持在0℃-室温，适用于一些需要保持低温工作的器件。

图四：芯片亮度与环境温度的关系曲线

图五：芯片在不同环境温度下的光热分布对比

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