Влияние величины прямого тока и температуры p-n-перехода в кристалле на срок службы неорганических светодиодов.

[Журнал “Licht”, 2011, №11/12, с.76-80 – Gefärliche Mischung. Wirkungen von Strom und Temperatur auf die LED-Lebensdauer. Авторы статьи: проф., докт. Tran Quoc Khan; асп. Trinh Quang Vinh, Кафедра светотехники Технического университета (Дармштадт, Германия)]

Введение.
Сегодня на рынке уже имеются мощные белые светодиоды (СД), световая отдача которых (η_v) превышает 100 лм /Вт при типовых реальных условиях – прямой ток i = 350 мА и температура запорного слоя (p-n-перехода) t_J = 60°С.

По данным [1], у холодно-белых СД (Т_ц=5000 К) η_v=135 лм/Вт, у тёпло-белых (Т_ц=2700 К) – η_v=105 лм/Вт. Таким образом, по величине η_v белые СД становятся в один ряд с такими высокоэкономичными источниками света, как, например, натриевые лампы (освещение улиц) и люминесцентные лампы нового поколения типа Т16 (Т5). Очевидна также и дальнейшая тенденция к росту η_v у СД для целей освещения.

Весьма отрадно также, что, как показывают измерения [1], целый ряд типов СД с Т_ц=2700-3000 К и 4000-5000 К отличаются очень хорошей цветопередачей.
Таким образом, со светотехнической точки зрения, теперь на базе СД возможно создание качественных осветительных приборов – с высокой η_v и качественной цветопередачей.
Однако, пока еще имеется ряд факторов, замедляющих интенсивное внедрение СД-продуктов в практику освещения: это, прежде всего, цена СД и плохо прогнозируемый их реальный срок службы (τ_сд) при работе в светильниках.

Последний из названных факторов должен стать очень важной задачей для изготовителей СД, производителей светильников и других осветительных приборов. Следует чётко представлять себе, что путь к получению достоверных данных о реальных величинах полезного τ_сд – это весьма длительный процесс.

Поэтому сейчас абсолютно обязательными являются практические и лабораторные исследования этой проблемы и тщательный анализ данных о величине τ_сд белых и некоторых типах цветных СД.
Необходимо признать, что только очень небольшое число игроков рынка светодиодных технологий и исследовательских структур обладают сегодня надёжными данными о величине τ_сд.
Одни из них исследуют τ_сд как критерий надёжности оптоэлектронного прибора, другие подходят более комплексно: светильник со СД рассматривается и анализируется как сложная система, состоящая из излучающего кристалла, оптических элементов, электронной схемы, механических компонентов.

Весьма вероятно, что в том или ином случае оптические и электронные элементы системы могут быть более нестабильны и менее надёжны, чем сам СД-чип, и тогда именно они будут определять срок службы светильника или модуля.

В этой работе, посвященной изучению влияния токовых нагрузок и температуры нагрева на τ_сд и использующей результаты, полученные в собственной лаборатории (Дармштадский Технический университет), авторы попытались ответить на следующие вопросы:

Основы теплопроводности
Как известно, передача тепла от нагретого тела осуществляется за счет трёх физических процессов: излучения, конвенции и теплопроводности.

Рис. 1. Теплопроводность на примере плоскопараллельного тела

Причем последний из названных процессов является доминирующим фактором влияния на тепловой режим СД.
Под теплопроводностью понимается перенос тепла за счет разницы температур в нагретом твёрдом теле или в спокойной жидкости.
В соответствии со вторым законом термодинамики тепло переходит от более нагретой части тела к менее нагретой, причём по закону сохранения энергии потерь тепла не возникает.

Закон теплопроводности Фурье:

P_т = λ_т·А·(t₁ – t₂)/d (1)

где:
P_т – тепловая мощность, Вт;
λ_т – теплопроводность, Вт/(м·град);
А – площадь поверхности, проводящей тепло;
t₁ – температура наиболее нагретой части;
t₂ – температура наиболее холодной части;
d – толщина теплопроводящего тела.
Δt = t₁ - t₂

Тепловое сопротивление при этом определяется как

R_т = d/(λ_т∙А) = Δt/P_т (2)

Коэффициент теплопроводности λ_т определяет способность материалов (алюминий, медь, керамика и др.) проводить тепло. Величина λ_т для керамических элементов охлаждения – 180 Вт/(м·К), для алюминия – 237 Вт/(м·К), для меди – 380 Вт/(м·К), для алмаза – 2300 Вт/(м·К), для углеволокна – 6000 Вт/(м·К).

Температурные зависимости приводятся в настоящей статье по результатам лабораторных измерений.

Тепловое сопротивление светодиодной системы определяется комбинацией R_т ее отдельных компонентов: чипа (кристалла с контактными выводами, подложки, первичного узла теплоотвода, теплопроводной мастики, печатной платы и основного узла охлаждения).

Сегодня на практике для характеристики теплового режима СД используют величину температуры p-n-перехода (t_J – junction temperature), также как и температуру теплового сенсора (теплочувствительного элемента). Он располагается в определенном месте модуля (например, непосредственно под кристаллом СД, на печатной плате, в блоке теплоотвода).
Таким образом, можно определить:

Базовый анализ
При измерениях в лаборатории Технического университета Дармштадта применялся активно темперируемый держатель с элементом Пельтье (рис.2).

Рис.2. Светодиодный узел с элементом Пельтье и активно регулируемой температурой:
1 – светодиод;
2 – печатная плата с металлическим керном, служащим для эффективного и быстрого отвода тепла от кристалла;
3 – температурный сенсор;
4 – теплопоглотитель;
5 – элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока);
6 – охлаждающее тело;
7 – вентилятор.

Температурный сенсор монтировался непосредственно под монтажной платой СД и его t_с использовалась для управления температурным контроллером. Можно было изменять t_с от 10 до 90°С с точностью до 0,1К.
Этот темперированный модуль располагался в отверстии фотометрической сферы (рис.3), которая была спектрофометрически отградуирована в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм. Так измерялась в абсолютных единицах мощность оптического излучения (Р_опт).

Благодаря 4-проводной технологии измерялся прямой ток СД и прямое напряжение.
Разница между электрической мощностью Р_эл и Р_опт определяет тепловую мощность:

P_т = Р_эл – Р_опт (3)

В соответствии со сделанными здесь выводами становятся известными величины Pт и t_с = t₂.

До последнего времени температура p-n-перехода – t_J в кристалле напрямую измерена быть не могла. Однако в последние годы были разработаны несколько методик для точного измерения этой температуры, в том числе и авторами этой работы [3, 4]. В процессе описываемых измерений по этому методу и были измерены величины t_J [3].
Соответственно, они стали известны для каждого СД и в каждой точке измерения.

До сих пор было невозможно достоверно установить соотношение между сроком службы СД – τ_сд и температурой p-n-перехода t_J. По сведениям, имевшимся у авторов, использовались только методы прогнозного моделирования.

На рис.4 приводятся такие кривые временного спада светового потока (Ф_сд, %) для четырёх значений t_J (55, 80, 100 и 125°С) по данным фирмы Seoul Semiconductor.
В контексте настоящей работы τ_сд оценивался тем суммарным временем наработки, по истечении которого Ф_сд снижался на 30%, т.е. до уровня 70% относительно первоначального максимума.

Аппроксимированная кривая на рис.5 математически иллюстрирует зависимость τ_сд = f (t_J); она построена с учётом четырёх кривых на рис.4 при дополнительной и достоверной предпосылке, что при t_J = 150°С происходит мгновенное разрушение СД (τ_сд = 0 ч при t_J = 150°С).

Результаты
В рамках наших исследований были измерены и проанализированы по 4 шт. СД с Т_ц= 2700 К и 5000 К, причём t_J, t_с = t₂, Рэл и Ропт измерялись при различной токовой нагрузке – от 10 до 1000 мА.
Усреднённые данные по четырём СД приводятся на рис.6.

При этом были получены следующие сведения:

Из графиков на рис.7, полученных на базе данных рис. 5 и 6, можно определить сроки службы τ_сд измеренных тёпло-белых и холодно-белых СД в функции температуры t₂ при различных i = 10, 100, 350, 500,700 и 1000 мА.

Отсюда очевидно, что:
с) чем меньше t₂ = t_с , тем больше срок службы τ_сд;
d) при снижении токовой нагрузки τ_сд увеличивается;

e) при равных t₂ = t_с и одинаковых величинах i тёпло-белые СД имеют меньший срок службы τ_сд, чем холодно-белые СД.
Так, при t₂ = 60°С и i = 1000 мА срок службы тёпло-белых СД – τ_сд= 10 000 ч, а у холодно-белых – 15 000 ч.

Итог, изложенный в п. e) очень важен как для учёта при конструировании светильников, так и для конечных потребителей.
Как показали опросы, во многих странах северной Европы население отдаёт предпочтение «тёплому» свету, в том числе и на улицах.
При оборудовании опытных осветительных установок со светодиодными светильниками было установлено, что жители жилых кварталов категорически отклоняют холодно-белый оттенок света.
Но ведь необходимо учитывать, что, как показано выше, холодно-белые СД имеют более высокую светоотдачу η_v и, согласно п. e), при равных условиях эксплуатации их срок службы τ_сд больше, чем у тёпло-белых СД. Эти параметры (η_v и τ_сд) имеют большое экономическое и экологическое значение, которое невозможно игнорировать.

Кроме того, на рынке уже есть светильники, в которых применяется комбинация тепло-белых и холодно-белых СД, смонтированных на единой плате (чтобы было можно осуществлять аддитивное смешение излучений различного спектрального состава).

Известно несколько моделей напольных и подвесных офисных светильников, в которых как прямая, так и отражённая компонента излучения создаются смешанным светом холодно-белых и тёпло-белых СД.

При равных условиях эксплуатации (i, температура платы) в таких светильниках тёпло-белые СД будут стареть значительно быстрее, чем холодно-белые.
Естественно, что после определенного времени наработки такие светильники уже не будут соответствовать требованиям оптимального цветосмешения (цветовая температура излучения будет отличаться от первоначально заданной).

На рис.6 показана взаимосвязь между температурой p-n-перехода t_J и t₂ = t_с при различных силах тока i = 10-1000 мА. Отсюда можно определить разность Δ t = t_J - t₂(t_с) и рассчитать для каждой точки измерения тепловую мощность Рт (Вт) по формуле (3).

Также можно определить и Рт по формуле (2) и представить это тепловое сопротивление в функции температуры t_J (рис.8).

На этом графике видна чёткая корреляция между Рт и t_J (тепловое сопротивление растёт с повышением температуры). Повышенная температура СД затрудняет теплопроводность.
Возникает локальная аккумуляция тепла, которая нагружает как сам чип, так и точки припоя выводов, теплопроводящие места с клеящим компаундом, переход между люминофором и кристаллом. Эта тепловая нагрузка ускоряет химические процессы в люминофорах и в силиконе (связке люминофора), а также убыстряет и окислительные процессы в подводящих металлических контактах. Подобные процессы ведут к старению СД – деградации излучающих свойств кристалла.

На рис.9 приведены усредненные значения лабораторных измерений четырёх белых СД с Т_ц= 2700 К и десяти красных СД при различных величинах i = 100, 350, 700 и 1000 мА.
При равных t_с и одинаковых i температура t_J у красных СД намного выше, чем у тёпло-белых СД: при t_с = 60°С и i = 700 мА температура t_J = 84°С – у белых СД с Т_ц=2700 К, а у красных СД она равна 99°С.

Как следствие этого – срок службы τ_сд красных СД при одинаковой токовой нагрузке и равных t_с намного короче (рис.10):
При t_с = 60°С и i = 700 мА: τ_сд у красных – 10 000 ч. а у тёпло-белых – 17 000 ч.

Эти данные чрезвычайно важны, так как некоторые производители для декоративных целей и осветительных эффектов в шоу-бизнесе используют светильники и прожекторы с разноцветными СД в одном модуле (RGB или RGBW).

Также и в тех случаях, когда требуется высокое качество цветопередачи или динамическое изменение цветовой температуры Т_ц (например, операционные, музейные залы, салоны авиалайнеров, круизных судов и т.д.) фирмы совмещают RGB-модули с белыми СД.
Целый ряд известных изготовителей “Retrofit LED”-ламп (для замены ламп накаливания) располагают на одной плате белые СД и красные СД с доминирующей длиной волны 600 или 625 нм. Этим самым они стараются максимально приблизить излучение этих светодиодных ламп к привычному свету ламп накаливания.

Для всех подобных производителей результаты излагаемых исследований весьма ценны: ведь они, очевидно, ставят перед собой задачу добиться достаточно высокого и равнозначного срока службы для всех комбинаций разноцветных СД.
Естественно, что величина тс на несущей плате должна быть поэтому как можно ниже, а прямые токи не должны превышать 500 мА (ни в коем случае они не быть равными 700 или 1000 мА!).

Для выполнения первого условия (теплоотвод) конструкторам светильников и модулей рекомендуется использовать для изготовления плат – вместо обычно применяемого материала FR4 (стеклоармированного эпоксидного ламината) – керамические или печатные платы с металлическим керном.

Конечно, пониженная токовая нагрузка потребует большего количества СД каждого цвета для того, чтобы получить необходимый суммарный световой поток.
По нашему мнению, это в недалёком будущем будет вполне доступно, так как в ближайшие годы прогнозируется заметное снижение стоимости СД.
Вот реальный путь для того, чтобы в одном световом приборе все типы СД имели бы одинаковую t_с: для интенсивно стареющих красных и тепло-белых СД токовая нагрузка должна быть минимально допустимой, а при ШИМ-управлении желателен больший коэффициент регулирования.

Так как красные СД на базе AlGaAs или AlInGaP относительно нестабильны, целесообразно получать красное излучение с помощью голубого СД с нанесённым на него конверсионным красным люминофором. Эта идея, очевидно, ещё нова для изготовителей СД, однако для будущих вариантов применения разноцветных СД и конструкций светильников со СД её нельзя отбрасывать.
Все измерения и обработка их результатов в лаборатории Дармштадтского университета были проведены вполне корректно, с достаточной точностью для этой научной работы.
Смоделированные кривые на рис. 4 и 5 не могли быть представлены в абсолютных единицах, чтобы отобразить достоверную реальность для всех типов СД.
В соответствии с типовой тенденцией старения они вполне отражают реальность, так что все выводы, сделанные в настоящей статье качественно вполне корректны.
Авторы стремились к тому, чтобы с помощью гибридного анализа смоделированных кривых рис. 4 и 5 и данных лабораторных измерений показать воздействие токовых нагрузок и температур на срок службы СД.
Мы хотели бы этим обратить пристальное внимание на то, что в светильниках, где применяются различные типы СД – холодно-белые, тёпло-белые, трёхцветные (RGB) – могут возникнуть длительные и серьёзные проблемы относительно срока службы.

Последние сведения о тепловых свойствах светодиодов (обзор)
До сих пор производители удовлетворялись процессом «binning» – процедурой отбора, селекции серийных СД по координатам цветности излучения (на цветовом графике МКО), прямому напряжению и световому потоку.
Такая сортировка проводится, как правило, при типовых параметрах измерений (350 мА, 25°С, длительность токовой нагрузки 20 мс).

Однако полученные таким образом величины координат цветности излучения (х/y), светового потока или прямого напряжения справедливы только для начала жизненного цикла СД. Однако изменение этих параметров с течением времени сегодня исследуется только весьма ограниченным числом фирм и научных лабораторий.
Здесь необходимо осветить еще один очень важный аспект. При этих, еще несистематических исследованиях в светотехнической лаборатории университета Дармштадта были измерены тепловые сопротивления четырёх белых СД.

Измерения проводились при 60°С и токах равных 350 и 700 мА (см. табл. 1 и 2).

Таблица 1
 

Таблица2
 

Из табличных данных видно, что 4 белых СД (например, в последовательной цепочке на единой печатной плате) при приблизительно одинаковых температурах t_с и равных токах 350 или 700 мА могут отличаться друг от друга по температуре p-n-перехода: эта разница Δ t_J в данных измерениях была равной от 2,44 К (при токе 350 мА) до 3,52 К (700 мА).
Это различие температур Δ t_J, что при номинальной температуре t_J = 60°С и с учетом кривой на рис.5 величина срока службы τ_сд снизится с 47000 ч до 40 000 ч.

Такая разница в сроке службы (7000 ч) основывается, однако, на гипотетических расчетах, которые не идеально достоверны, но могут всё же иметь большое техническое и экономическое значение для внутренней политики фирмы-изготовителя.

Исследования процессов старения светодиодов, модулей и светильников – это очень длительный и трудоёмкий процесс и может дать результаты только через несколько лет, да и то, если будут вестись экстенсивные полевые испытания при реальных условиях эксплуатации.
Можно сказать, что фундаментальные исследования светодиодов и сама светодиодная отрасль пока еще только в начале этого пути, и упомянутые годы, необходимые для получения надёжных результатов, еще должны окончиться.

Поэтому приведенные в статье данные при определенных предпосылках можно принять в качестве ориентирующего прогноза срока службы. Эти результаты – пока еще единственный инструмент для оценки процесса старения светодиодов.
Как промышленности, так и исследователям предстоит еще кропотливая работа, чтобы собрать и обобщить надежные данные по описанной проблеме.

Послесловие.
Описанные исследования были проведены в рамках проекта "POL – Performance Quality Label", инициированного и поддержанного Федеральным Министерством хозяйства и технологий Германии (BMWi).
Авторы выражают сердечную благодарность за поддержку – ZVEI (Центральному Союзу электротехнической и электронной промышленности) и BMWi.

Литература:
[1] Tran Quoc Khanh, Peter Bodrogi: Farbwiedergabe und Helligkeit. Untersuchungen zu weissen leuchstofkonvertierten LEDs – Zeitschrift “Licht”, 2011, №10

[2] http://de.Wikipedia.org/wiki/Jean_Baptiste_Joseph_Fourier

[3] Tringh QuangVinh, Stefan Brűckner, Tran Quoc Khanh: Accurate measurement of the p-n-Junction Temperature of HP-LEDs – methods and results – Proceedings of the International Symposium forAutomotive Lighting(ISAL). Darmstadt, 28-29 Sept.,2011, p. 809-827.