(好资料)21世纪的节能新光源_——_半导体照明

21世纪的节能新光源 半导体照明 人类照明的历史经历了漫长的发展过程。过去，人们曾长期靠燃烧木材照明；直到1772年燃气照明才进入人们的生活；1879年爱迪生发明白炽灯，从此人类的照明进入了一个崭新的时代。上世纪九十年代末，随着第三代宽禁带半导体材料GaN的突破，半导体技术继引发微电子革命之后又在孕育一场新的产业革命照明革命，其标志是基于半导体发光二极管（LED）的固态照明（亦称“半导体灯”），将逐步代替白炽灯和荧光灯进入普通照明领域。 LED固态照明被认为是21世纪的照明新节能光源，因为在同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长100倍。此外，LED器件是冷光源，具有光效高、工作电压低、耗电量小、体积小、可平面封装、易于开发轻薄型产品、结构坚固且寿命很长等特点。LED光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。因此，半导体灯具有节能、环保、寿命长、免维护、易控制等特点。无论从节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，LED作为新型照明光源都具有替代传统照明光源的极大潜力。半导体照明技术不仅可以应用于白光通用照明，在其它很多方面已经得到了广泛的应用，如各种仪器仪表的指示光源、装饰照明（景观、家居、休闲、商用装饰）、汽车等各类交通工具照明、交通信号显示、背景显示、电子屏幕、军用照明及旅游、轻工业产品等。如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，必将在照明领域引发一场革命。 很多国家已经为照明革命的到来做了充分的准备。日本、美国、欧盟、韩国等相继推出国家半导体照明计划。目前，美、日、欧盟皆有官方成立专案，编制预算与计划推行白光LED照明。日本的21世纪“光计划”计划从19982002年耗费50亿日元推行白光照明，并到2006年完成用白光LED照明替代50的传统照明；欧盟的“彩虹计划”则在2000年7月启动，其计划是通过欧洲共同体的补助金来推广白光LED的应用；美国的“国家半导体照明计划”则是从2000年到2010年，其计划耗资5亿美元，到2010年前后，用半导体灯代替55的白炽灯和荧光灯，这样每年可以节约350亿美元。2003年我国半导体照明工程全面启动，在材料、芯片、封装和应用产业化支撑技术方面取得较大突破。我国已在上海、大连、厦门、南昌等个城市设立为国家半导体照明产业化基地。面对半导体照明市场的巨大诱惑，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团纷纷与半导体公司合作，成立半导体照明企业，并提出要在2010年前使半导体灯的发光效率再提高8倍，价格降低到1。一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战已经在全球打响。美国能源部预测，到2010年仅在美国，半导体照明就可形成一个500亿美元的大产业。目前，我国能源危机日益严峻，而半导体照明可显著达到节能目的。现在我国每年照明耗电为2000亿千瓦时，占全国用电总量的12。由于同样亮度下，半导体灯用电量仅为白炽灯的1/10，只要有一半的白炽灯被半导体灯取代，每年就能为国家节省用电近1000亿度，相当于一个三峡工程的发电量。而一个半导体灯正常情况下可以使用50年，即使长命百岁的人，一生也只需2只灯。而且，半导体灯不仅可以发出各种颜色，它也不存在荧光灯难以解决的频闪问题，这才是真正意义上的绿色照明。一、LED简介 LED（Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。 LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。 二、LED光源优点高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06 瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 多变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生25625625616777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。 利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件“高新尖”技术具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。三、LED结构和技术 LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，现我国LED产业发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。 在LED产业链接中，上游是LED衬底晶片及衬底生产，中游的产业化为LED芯片设计及制造生产，下游归LED封装与测试，研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路，从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带，只有封装好的才能成为终端产品，才能投入实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。1. LED封装的特殊性 LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。 一般情况下，LED的发光波长随温度变化为02-03nm，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1，LED的发光强度会相应地减少1左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙LED光效已达到100lmW，绿LED为501mW，单只LED的光通量也达到数十lm。LED芯片和封装不再沿袭传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。 2.产品封装结构类型 LED产品封装结构的类型有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED，应用设计更灵活，已在LED显示市场中占有一定的份额，有加速发展趋势。固体照明光源有部分产品上市，成为今后LED的中、长期发展方向。3.引脚式封装 LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，典型的传统LED安置在能承受01W输入功率的包封内，其90的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中，如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂，其光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸，例如，圆形按直径分为2mm、3mm、44mm、5mm、7mm等数种，环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。 花色点光源有多种不同的封装结构：陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能，引脚可弯曲成所需形状，体积小；金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯，适作电源指示用；闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装，可自行产生较强视觉冲击的闪烁光；双色型由两种不同发光颜色的管芯组成，封装在同一环氧树脂透镜中，除双色外还可获得第三种的混合色，在大屏幕显示系统中的应用极为广泛，并可封装组成双色显示器件；电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装，可直接替代524V的各种电压指示灯。面光源是多个LED管芯粘结在微型PCB板的规定位置上，采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成，PCB板的不同设计确定外引线排列和连接方式，有双列直插与单列直插等结构形式。点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸，供市场及客户适用。 LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩阵管组成各种多位产品，由实际需求设计成各种形状与结构。以数码管为例，有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构，连接方式有共阳极和共阴极两种，一位就是通常说的数码管，两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大，用料省，组装灵活的混合封装特点，一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳，将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上，每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区，用压焊方法键合引线，在反射罩内滴人环氧树脂，与粘好管芯的PCB板对位粘合，然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种，前者采用散射剂与染料的环氧树脂，多用于单位、双位器件；后者上盖滤色片与匀光膜，并在管芯与底板上涂透明绝缘胶，提高出光效率，一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯，然后划片分割成单片图形管芯，粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。单条七段式将已制作好的大面积LED芯片，划割成内含一只或多只管芯的发光条，如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上，经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化，可采用双列直插式封装，大多是专用产品。LED光柱显示器在106mm长度的线路板上，安置101只管芯(最多可达201只管芯)，属于高密度封装，利用光学的折射原理，使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像，完成每只管芯由点到线的显示，封装技术较为复杂。半导体pn结的电致发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光，同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光，只能在封装时借助荧光物质，蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉，间接产生宽带光谱，合成白光；或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。这两种方法都取得实用化，日本2000年生产白光LED达1亿只，发展成一类稳定地发白光的产品，并将多只白光LED设计组装成对光通量要求不高，以局部装饰作用为主，追求新潮的电光源。 4.表面贴装封装 在2002年，表面贴装封装的LED(SMD LED)逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势，很多生产厂商推出此类产品。 早期的SMD LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型，外形尺寸304111mm，卷盘式容器编带包装。在SOT-23基础上，研发出带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED，前者为单色发光，后者为双色或三色发光。近些年，SMD LED成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，采用更轻的PCB板和反射层材料，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少，并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸，降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半，最终使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全彩显示屏应用。 焊盘是此系列LED散热的重要渠道，厂商提供的SMD LED的数据都是以4040mm的焊盘为基础的，采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度LED产品可采用PLCC(塑封带引线片式载体)-2封装，外形尺寸为3028mm，通过独特方法装配高亮度管芯，产品热阻为400KW，可按CECC方式焊接，其发光强度在50mA驱动电流下达1250mcd。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD LED显示器件的字符高度为508-127mm，显示尺寸选择范围宽。PLCC封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序，符合自动拾取贴装设备的生产要求，应用设计空间灵活，显示鲜艳清晰。多色PLCC封装带有一个外部反射器，可简便地与发光管或光导相结合，用反射型替代目前的透射型光学设计，为大范围区域提供统一的照明，研发在35V、1A驱动条件下工作的功率型SMD LED封装。 5.功率型封装 LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比5mmLED大10-20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达1871m，光效4431mW绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管；匕尺寸为2525mm，可在5A电流下工作，光输出达2001m，作为固体照明光源有很大发展空间。 Luxeon系列功率LED是将A1GalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为14W，只有常规LED的110；可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40-120范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将LED固体光源发展到一个新水平。 Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合，底座直径3175mm，发光区位于其中心部位，直径约(0.375254)mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的LED固体光源。在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热沉使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。 功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。四、LED主要参数与特性 LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。1、LED电学特性 1.1 I-V特性 表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 (1)正向死区：（图oa或oa段）a点对于V0 为开启电压，当VVa，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。 (2)正向工作区：电流IF与外加电压呈指数关系 IF = IS (e qVF/KT 1) -IS 为反向饱和电流 。 V0时，VVF的正向工作区IF 随VF指数上升 IF = IS e qVF/KT (3)反向死区 ：V0时pn结加反偏压 V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP为0V，GaN为10uA。 (4)反向击穿区 V- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加使V- VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。 1.2 C-V特性 鉴于LED的芯片有99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，故pn结面积大小不一，使其结电容（零偏压）Cn+pf左右。 C-V特性呈二次函数关系（如图2）。由1MHZ交流信号用C-V特性测试仪测得。 1.3 最大允许功耗PF m 当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UFIF LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当TjTa时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P = KT（Tj Ta）。 1.4 响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示LCD（液晶显示）约10-310-5S，CRT、PDP、LED都达到10-610-7S（us级）。 响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，即图中tr 、tf 。图中t0值很小，可忽略。 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 LED的点亮时间上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。 LED 熄灭时间下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。 不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间10-9S，GaP为10-7 S。因此它们可用在10100MHZ高频系统。 2、 LED光学特性 发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。 2.1 发光法向光强及其角分布I 2.1.1 发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。 2.1.2 发光强度的角分布I是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否） 为获得高指向性的角分布（如图1） LED管芯位置离模粒头远些； 使用圆锥状（子弹头）的模粒头； 封装的环氧树脂中勿加散射剂。 采取上述措施可使LED 21/2 = 6左右，大大提高了指向性。 当前几种常用封装的散射角（21/2角）圆形LED：5、10、30、45 2.2 发光峰值波长及其光谱分布光是一种电磁波，它的波长区间以几个nm(1nm=10-9m)到1mm左右。这些光并不是都能看得见的，人眼所能看见的只是其中的一部分，我便把这部分光称为可见光。在可见光中，波长最短的是紫光，稍长的是蓝光，以后的顺序是青光、绿光、黄光、橙光和红光，其中红光的波长最长，在不可见光中，波长比紫光短的光称为紫外线，比红光长的光叫做红外线。下表列出紫外可见光和红外区的大致的波长范围。波长小于200nm的光之所以称为真空紫外，是因为这部分光在空气中很快被吸收，因此它只能在真空中传播。现在常用的光波波长单位是m,nm和（埃），它们之间的关系是：1m=103nm=104光除具有波动性之外，还具有粒子性。量子论认为，光是由许多光量子组成的，这些光量子具有的能量为h，其中h=6.62610-34JS是普朗克常数，=c/是光的频率，c=310-8m/s是真空中的光速。量子论较好地反映了光的波粒二象性 LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。 LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。 光的各个波长区域波长区域（单位：nm）区域名称12002003003003803804204204504504904905605605905906206207807801500150010000100001000000真空紫外区远紫外区紫外区近紫外区紫光蓝光青光绿光可见光区黄光橙光红光近红外区中红外区红外区远红外区 。 无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用p表示。只有单色光才有p波长。 谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应p-，p+之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。 半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40 nm。 主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则p也就是主波长。 如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。 2.3 光通量 光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明（lm）。 LED向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED的光通量最大约1 lm，白光LED的F1.51.8 lm（小芯片），对于1mm1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。 2.4 发光效率和视觉灵敏度 LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。 LED光电最重要的特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在 = 555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为K，则发光能量P与可见光通量F之间关系为 P=Pd ； F=KPd 发光效率量子效率=发射的光子数/pn结载流子数=（e/hcI）Pd 若输入能量为W=UI，则发光能量效率P=P/W 若光子能量hc=ev,则P ，则总光通F=（F/P）P=KPW 式中K= F/P 流明效率：LED的光通量F/外加耗电功率W=KP 它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。 以下列出几种常见LED流明效率（可见光发光效率）： LED发光颜色 p（nm） 材料 可见光发光效率（lm/w） 外量子效率 最高值 平均值 红光 700660650 GaP:Zn-OGaAlAsGaAsP 2.40.270.38 120.50.5 130.30.2 黄光 590 GaP:N-N 0.45 0.1 绿光 555 GaP:N 4.2 0.7 0.0150.15 蓝光 465 GaN 10 白光 谱带 GaN+YAG 小芯片1.6，大芯片18 品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为 =ice ，式中i向为p、n结区少子注入效率，c为在势垒区少子与多子复合效率，e为外部出光（光取出效率）效率。 由于LED材料折射率很高i3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。 为了进一步提高外部出光效率e可采取以下措施： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面； 把芯片晶体表面加工成半球形； 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.42.6的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高46倍。 2.5发光亮度 亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit。 若光源表面是理想漫反射面，亮度BO与方向无关为常数。晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7000Nit（尼特），从地面看太阳表面亮度约为14108Nit。 LED亮度与外加电流密度有关，一般的LED，JO（电流密度）增加BO也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，c（复合效率）下降，BO减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。 2.6寿命 老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=BO e-t/，Bt为t时间后的亮度，BO为初始亮度。 通常把亮度降到Bt=1/2BO所经历的时间t称为二极管的寿命。测定t要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103 104 小时后，先后测得BO ，Bt=100010000，代入Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。 长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在IF=20mA下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来35%，寿命6000h。 3 热学特性 LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF10mA，或者1020 mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或p 就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。 LED的主波长随温度关系可表示为p（ T）=0（T0）+Tg0.1nm/ 由式可知，每当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。五、LED连接电路的常见形式1、串联：这种电路需要电源提供较高的电压。V总=各LED的VF之和=VF1+VF2+VF 3+VF 4-+VF NI总=单颗LED的IF值2、并联：这种电路需要电源能提供较高的电流。V总=单颗LED的VF 值I总=各LED的IF之和=IF1+IF2+IF3+IF4-+IFN3、串联/并联组合a、 在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列；b、 将LED连接成串联/并联组合的形式，可大幅减低因少数LED的VF不一致造成的影响；c、 阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化。d、 串联/并联组合的形式会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著；4、为了能有效控制电路中的电流，须在电路中配置适当的限流电阻。R=（V输入电压-VLED总电压）/I（流过限流电阻的电流）限流电阻的作用主要是控制LED的电流，使电压更平滑，并使各并联支路的亮度更均匀。限流电阻阻值大效果较好，但是限流电阻的取值也不能太大，否则会增加电能的损耗及元件温度升高。六、电源的分类及特性1、按驱动方式可分为两大类：（1）恒流式：a、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压就低，负载阻值越大，输出电压也就越高；b、 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。d、 应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；（2）稳压式：a、 当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；b、 稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。c、 以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。七、LED驱动电路概述1 概述LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，Lumiled公司目前已研发并生产出光效达到90Lm/W的白色LED，已达到白炽灯的水平。和白炽灯的相比较，LED在性能上具有很多优点，见下表：表1 白炽灯与白色LED的性能比较随着对LED研究的进一步深入，其光效将进一步得到提高，而其成本将一步下降，在不久的将来LED取代白炽灯甚至荧光灯而发展成21世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势。新的光源呼唤新的大功率LED驱动器，天下明科技已于近几年开始了LED驱动电路的研究，拥有自主知识产权，在此研发领域已占据了世界领先的地位。2 LED驱动电路概述与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。LED的正向伏安特性如图1所示：所以，LED伏安特性的数字模型可用下式表示VF=Vturn-on+RsIF+（VF/T）（T-25） （1）其中，Vturn-on 是LED的启动电压Rs 表示伏安曲线的斜率T 环境温度VF/T是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/。从LED的伏安曲线及数字模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。3 各种LED驱动电路拓扑结构的简要分析天下明科技近年来致力于LED驱动电路的开发，已研发出多种LED驱动电路拓扑结构以适合各方面客户的需求，产品已广泛地运用于照明，汽车电子，显示背光等领域。天下明科技推出G220C300W01S01一种简单的LED驱动模块。 这种LED驱动电路主要由电源隔离模块，主要是控制LED电流，恒流300mA，这样才能克服LED电流随输入电压和环境温度等因素而产生的变化，但是从效率角度，却不应取得太大。在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化，所以采用这种简单结构的LED驱动电路一般只适合于驱动阵列形式固定的，并且灯个数较少的LED陈列。天下明科技正在开发的另外一个高档次的LED驱动电路系列的产品中，引入了电压或电流反馈控制环节。用户可以根据需要改变负载LED阵列形式和LED个数，得到不同的输出功率。同时该驱动电路也克服了因输入电压，环境温度等因素而LED灯光的颜色易变动等弊端，功率因数达到0.9以上，THD可做到20%以下，寿命可达到50000小时以上，同时还可完成从100%到1%的调光功能，并且此系列产品还具备过压和过流保护功能。LED驱动电路主体结构采用flyback拓扑结构，Mosfet的通断由控制IC控制。这种结构在完成向负载提供直流电压的同时，既实现了功率因数的校正，又完成了负载与电源的隔离。 LED驱动电路的另一个任务是使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。电路将一个基准电压或电流信号Sref与LED负载电压或电流信号Sload送入信号控制模块中进行比较，误差信号经处理后送回初级控制IC中进行处理，当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。八、LED焊接技术和步骤（1）烙铁焊接：烙铁（最高30W）尖端温度不超过300；焊接时间不超过3秒；焊接位置至少离胶体2毫米。 （2）波峰焊：浸焊最高温度260；浸焊时间不超过5秒；浸焊位置至少离胶体2毫米。 LED焊接曲线 引脚成形方法 （1）必需离胶体2毫米才能折弯支架。（2）支架成形必须用夹具或由专业人员来完成。（3）支架成形必须在焊接前完成。（4）支架成形需保证引脚和间距与线路板上一致。（5）清洗LED安装方法（1）注意各类器件外线的排列，以防极性装错。器件不可与发热元件靠得太近，工作条件不要超过其规定的极限。（2）务必不要在引脚变形的情况下安装LED。（3）当决定在孔中安装时，计算好面孔及线路板上孔距的尺寸和公差以免支架受过度的压力。（4）安装LED时，建意用导套定位。（5）在焊接温度回到正常以前，必须避免使LED受到任何的震动或外力。工作及储存温度：（1）LED LAMPS发光二极管 Topr-2585 、 Tstg-40100（2）LED DISPLAYS显示器 Topr-2070 、 Tstg-2085（3）OUT-DOOR LED LAMPS 像素管 Topr-2060 、 Tstg-2070当用化学品清洗胶体时必须特别小心，因为有些化学品对胶体表面有损伤并引起褪色如三氯乙烯、丙酮等。可用乙醇擦拭、浸渍，时间在常温下不超过3分钟。 静电防护 静电和电流的急剧升高将会对LED产生损害，InGaN系列产品使用时请使用防静电装置，如防护带和手套。九、LED产品应注意几个关键问题1、应使用直流电源供电有些生产厂家为了降低产品成本采用“阻容降压”方式给LED产品供电，这样会直接影响LED产品的寿命。采用专用开关电源（最好是恒流源）给LED产品供电就不会影响产品的使用寿命，但产品成本相对较高。2、需做好防静电措施LED产品在加工生产的过程中要采用一定的防静电措施，如：工作台要接地，工人要穿防静电服装，带防静电环，以及带防静电手套等，有条件的可以安装防静电离子风机，同时也要保证车间的湿度在65%左右，以免空气过于干燥产生静电，尤其是绿色LED相对而言更容易被静电损坏。另外，不同质量档次的LED抗静电能力也不一样，质量档次高的LED抗静电能力要强一些。3、要注意温度的升高会使LED内阻变小当外界环境温度升高后，LED光源内阻会减小，若使用稳压电源供电会造成LED工作电流升高，当超过其额定工作电流后，会影响LED产品的使用寿命，严重的将使LED光源“烧坏”，因此最好选用恒流源供电，以保证LED的工作电流不受外界温度的影响。4、LED产品的密封不管是什么LED产品，只要应用于室外，都面临着防水、防潮的密封问题，如果处理不好就会直接影响LED产品的使用寿命。封装能防止湿气由外部侵入、有效地将内部产生的热排出，并且以机械方式支持导线。现在有少部分对产品质量要求比较高的生产厂家采用传统的环氧树脂“浇灌”的方法来密封LED产品，这种方法操作起来比较麻烦，对于体积较大的LED产品（如LED护栏灯）不是很适合，也会造成产品的重量增加。白光LED封装对树脂的要求：（1）高透光率；（2）耐热；（3）高热导率；（4）耐UV和日光辐射；（5）抗潮；（6）低应力；（7）低离子含量。十、常用的照明术语波长：光的色彩强弱变化，是可以通过数据来描述，这种数据叫波长。我们能见到的光的波长，范围在380至780nm之间。单位：纳米（nm）眩光：视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。同步性：两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行，一般指内控方式的LED灯，同步性是LED灯实现协调变化的基本要求。光通量： 符号 ，单位 流明 Lm， 说明 发光体每秒种所发出的光量之总和，即光通量光强：符号 I，单位 坎德拉 cd，说明 发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量照度：符号 E，单位 勒克斯 Lm/m2，说明 发光体照射在被照物体单位面积上的光通量亮度：符号 L，单位 尼脱 cd/m2，说明 发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相黑体的温度称为该光源的色温。光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000-5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳环境，如表：a. 色温与亮度 高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。b. 光色的对比 在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，