1 概述
LED光衰是指LED光源經過一段時間的使用之後，其光強度發生不同程度衰減現象，而LED發光強度降低的那部分就稱為LED的光衰。
光衰一般指它的光通量，在對感光鼓表面充電時，隨著電荷在感光鼓表面的積累，電位也不斷升高，最後達到“飽和”電位，就是最高電位。一般工作時都低於最高電位，表面電位會隨著時間的推移而下降，這個過程稱為“暗衰”過程。感光鼓經掃描曝光時，暗區電位仍處在暗衰過程；亮區光導層內載流子密度迅速增加，電導率急速上升，形成光導電壓，電荷迅速消失，光導體表面電位也迅速下降。稱之為“光衰”，最後趨緩。
2 LED光衰因素分析
2.1 LED內部導致光衰
2.1.1 LED晶片部分
LED屬於寬禁帶半導體，通常做LED晶片的時候就是在PN結做兩個電極，也就正負極；當點亮的時候就會發熱，然後影響到晶片的歐姆接觸(GaN與正負極金屬層的接觸），或者長時間高溫條件下晶片內部發生化學遷移也可能導致光衰;若採用的LED晶片質量不好，亮度衰減較快，造成較為嚴重的質量光衰問題。
2.1.2封裝部分
（1）熒光粉的老化：再好的熒光粉也會在長期高溫條件下也會一點點地失效而導致光衰。熒光粉長期使用因高溫、氧氣導致熒光粉沉澱，會引起光衰；目前最廣泛的是藍光晶片激發黃色熒光粉，從而得到白光，因此黃色熒光粉的老化會導致光衰，從而影響白光LED的性能和壽命。
（2）生產工藝存在缺陷：LED晶片散熱不能良好的從PIN腳導出，導致LED晶片溫度過高使晶片衰減加劇。 一個科學的封裝方案能更好地延長白光LED的壽命。首先，白光LED的封裝材料有導電膠和絕緣膠兩種，根據LED晶片不同的電極類型使用不同的封裝材料。LED晶片的L型和V 型電極分別使用導電膠和絕緣膠。其次，使用引腳式的封裝支架，現有兩種支架分別是鐵支架和銅支架。這兩種支架共同點是外表都鍍銀，兩種材料導熱係數不同，導熱效果相差很多。另外封裝的每一道工藝過程都有可能對LED性能產生影響，都可能增加LED 晶片內部的熱阻和電阻。
2.2外部環境導致光衰
2.2.1 LED工作環境溫度
溫度是導致白光LED 器件產生光衰及色衰的根本原因。溫度過高會導致封裝材料的快速老化，因此在晶片、熒光粉等封裝材料的選擇上儘量選用溫度及電應力在其承受範圍之內的材料。
若100pcs白光LED同時點亮工作，它們在板上的間隔只有11.4mm，那麼燈堆周邊的白光LED支架溫度可能不超過45℃，但燈堆中間的LED有可能達到65℃的高溫，這是對LED壽命的考驗；那麼，聚在中間的那些LED的光衰就會快一點，而燈堆周邊的LED，光衰就會慢一點。
2.2.2供電電流
LED是電壓型器件，但是使用恆壓源供電時在LED燈組中加限流電阻，這樣會導致功率大幅度上升，浪費電能。而用恆流源時不僅能節約電能，而且使得LED電流的穩定性更好。在使用恆流源供電時，電流越大，LED的功率隨之上升，出光量越大，但是自身發熱量也就越大，結溫過高會加速熒光粉老化，嚴重影響LED壽命。在設定工作電流時不能超過負荷，應該做一個折中考慮，既保證LED的出光量，也要儘可能降低發熱量，延長壽命。
2.3結溫升高導致光衰
對大功率 LED供電工作時，並不是能全部將電能轉化為光能，大約有70%的電能轉化為了熱能，由於LED工作時散熱量很大，所以在LED工作時必須要有散熱裝置。熱量大部分集中在 PN結上，PN結溫度是影響LED壽命的一個非常重要的參數，結溫升高會使藍光光譜發生紅移，光譜輻射峰值下降。隨著結溫的升高，器件的顯色指數不斷下降，而色溫則表現為先升後降,使LED的光衰加劇、發光效率受到影響,壽命變短。
若不注重散熱的話，會讓光衰程度大大提高。比如，LED晶片本身的熱阻、銀膠以及金線，鋁基板的散熱效果等都會導致光衰的產生。
3 實驗驗證——高溫導致光衰
3.1高溫燃點老化試驗
通過高溫燃點老化試驗來證明高溫導致光衰及色漂現象。
試驗步驟：將5pcs的LED放入到高溫老化箱內，將LED的電流驅動到標準電流的1.2倍，高溫老化箱內溫度設置在 126 ℃，老化時間 288 h，結束後取出 LED冷卻至室溫後進行光電色測試。
3.2判斷標準
對於標稱色溫≤3 000 K的LED燈珠，要求色漂移 ＜ 50 K; 標稱色溫≥4 000 K的LED 燈珠，要求色漂移＜100 K。
圖1高溫燃點老化試驗過程中色溫變化情況
從上圖1中可知開始時5pcs LED的平均色溫為3950 K，到結束時平均色溫增加至4079.75 K，色溫偏129.75 K，整個過程中色溫呈上升趨勢，且隨著時間延長上升趨勢就越明顯。從試驗數據及判斷標準可知，這5pcs LED在高溫老化試驗中是失效的。失效原因在於一方面LED燈珠上的封裝熒光膠在高溫下透光性能明顯變差，同時熒光粉性能也變差，造成光通量下降，色溫漂移[1]，另一方面封裝熒光膠在高溫下氣密性變差，LED 藍光晶片發出的藍光直接從封裝膠的氣孔中射出，導致光衰和色溫漂移。[2]
4 光衰相關的重要概念
4.1光衰與LED壽命的關係
LED器件的壽命與傳統發光半導體器件的壽命定義不同，傳統發光半導體器件的壽命器件技術定義為器件的失效期限，而 LED 器件的壽命指的是器件的光衰，通常定義為 LED 光通量從開始衰減到初始值的70%的時間段為其壽命。
4.2光衰與光通量維持率計算
- N小時的光通量維持率 = N小時的光通量/0小時的光通量×100%。
- N小時的光衰=1-（N小時的光通量/0小時的光通量）
4.3光衰檢測方法
目前，常規的LED晶片封裝廠家一般會在出廠前做實驗以檢驗LED的光衰程度，最常用的方法是將LED晶片在常溫下進行點亮，用恆流源20mA進行供電，經過1000小時進行光強度的測量，最後計算光衰減的百分比。
5 減小光衰的方法
（1）優化LED內部結構，即減少LED的多餘部分，從而提高可靠性及散熱能力和熱阻等，相對應地降低使用時的實際結溫，光衰就會有所減少。
（2）根據以往在實驗室的經驗每一顆LED在進行1000小時以上的各種測試條件下，光衰小於10%都算正常，詳細可參考LED相關的LM80報告。
參考文獻
[1]趙敏,張萬生.白光LED色溫漂移的研究[J].半導體技術，2010,35(S) :214-218．
[2]王煥良,余彬,邱紅平.LED燈珠光衰和失效試驗及原因分析[J].中國照明電器,2018(09):14-17.
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