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LED简介目录1 LED的基本信息.12 LED的优点.13 LED的应用.24 LED的发光机理.45 LED的白光混光原理.56 LED的发热机理.67 LED面临的主要问题.78 LED的封装散热技术.89 LED的发展趋势.121、LED的基本信息LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。如下图，在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。2、LED 优点LED的内在特征决定了它具有很多优点，诸如： （1）体积小 LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。 （2）耗电量低 LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）。一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。 （3）使用寿命长有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，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，在恰当的电流和电压下，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。 （4）高亮度、低热量LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。 （5）环保LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。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，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。（6）坚固耐用LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。 （7）LED灯多变幻LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，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。 （8）技术先进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。它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。 3、LED应用鉴于LED 的自身优势，目前主要应用于以下几大方面： (1) 显示屏、交通讯号显示光源的应用LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三色和单色显示屏。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED， 因为采用LED 信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。 (2) 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于LED响应速度快， 可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED 制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP 公司在1996年 推出的LED 汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED 显示。我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED 的极好时机。(3) LED 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED 作为LCD 背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、BP 机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED 背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED 是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10 只LED 器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20 只LED 器件。现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35 亿只LED 芯片。目前我国手机生产量很大，而且大部分LED 背光源还是进口的，对于国产LED 产品来说，这是个极好的市场机会。(4)LED 照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd（毫坎德拉），适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED 光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目( 称为 照亮日本) ，头五年的预算为50 亿日元，如果LED 替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60 亿升原油的能源， 相当于五个1.35 106kW 核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。我国也于2004 年投资50 亿大力发展节能环保的半导体照明计划。 (5) 其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED 会闪烁发光，仅温州地区一年要用5 亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍，该公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3 亿只发光灯；正在流行的LED 圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。 （6）家用室内照明的LED产品越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入家庭！4、LED 发光机理发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的伏安特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即 1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。LED的发光效率一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。因此，关于取出效率的影响因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。 针对于提高发光效率方面，早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。目前的方法主要是：晶粒外型的改变TIP结构，表面粗化技术。而目前业界提升封装后的产品发光效率方法主要为四个方向：（1）提升LED半导体晶片量子转换效率； （2）提升LED封装树脂材料折射率； （3）提升白光LED荧光粉激发效率； （4）提升LED聚光腔反射效率。5、LED白光混光原理自从出现发光二极管LED以来，人们一直在努力追求实现固体光源，随着发光二极管LED制造工艺的不断进步和新型材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发及应用，使发白色光的LED半导体固体光源性能不断完善并进入实用阶段。白光LED的出现，使高亮度LED应用领域进入高效率照明光源市场。众所周之，可见光光谱的波长范围为380nm-760nm，人眼可感受到的七色光红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这七种颜色的光都各自是一种单色光。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光。要使LED发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。以人类眼睛所能见的白光形式至少须两种光混合，如二波长光(蓝色光十黄色光)或三波长光(蓝色光十绿色光十红色光)。未来应用在取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LCD背光源等市场，对白光LED的市场成长有很大的帮助。 目前，常见的用LED芯片产生白光的方法有三种： （1）在LED蓝光芯片上涂覆YAG（钇铝石榴石）荧光粉，芯片发出的蓝光激发荧光粉后可产生典型的500-560nm的黄绿光，黄绿光在与蓝色光合成白光。 （2）RGB三基色发光。这种方法是将绿、红、蓝三种LED芯片组合，同时通电，然后将发出的绿光、红光、蓝光按一定比例混合成白光。绿、红、蓝的比例通常为6:3:1，或用蓝色芯片加黄绿色的双芯片色来产生白光。 （3） 在LED紫外光芯片上涂覆RGB荧光粉。这种方法利用紫外光激发荧光粉产生三基色光来混合形成白光。6、LED 发热机理与传统光源一样，半导体发光二极管（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。首先，并不是每一对电子-空穴复合都会产生光子，由于LED芯片作为杂质半导体，存在着材料品质缺陷、位错等因素以及工艺上的种种缺陷，使电子从激发态跃迁到基态时会与晶格原子或离子交换能量而发生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分能量在PN结内不转换成光能而转换成热能。另外在P-N结附近辐射出来的光还需经过晶片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部光取出效率等，最终大概只有30-40%的电能转化为光能，其余60-70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化为热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。对于单个LED而言如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2，可靠性将下降l0。为了保证器件的寿命，一般要求pn结的结温在110以下。随着pn结的温升，白光LED器件的发光波长将发生红移。据统计资料表明，在100的温度下，波长可以红移49 nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高l，LED的发光强度会相应减少l左右，当器件从环境温度上升到l20时，亮度下降多达35。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。 因此保持LED结温在允许的范围内，保证整个光源模块的正常工作，解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。 7、 LED 面临的问题LED在照明领域面临的问题： (1)首先是发光效率问题。提高LED的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED芯片的结构和制造工艺。由于这部分工作需要强大的理论研究基础和先进的半导体工艺设备，因此要实现200流明/瓦的目标路途依然比较艰难。 (2)高功率问题。作为照明，单个LED输出的光通量必须足够大，欲加大LED的光通量，首先必须注入足够的电功率。但LED芯片的温升不能过高，否则各项性能特别是使用寿命会受到很大的影响。显然，设计较大输入功率的LED器件和灯具，除需用面积较大的芯片外，还必须有良好的散热结构。现在国外一些著名公司已设计研制了一些特殊的LED器件结构，并已获得了较好的效果。 (3)由于LED照明需由多个LED管组成，其参数离散性也是一个技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。 (4)此外，由于多个LED组成一只照明灯具时，免不了对LED进行并联、串联。而在使用过程中只要有一个LED短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。LED在显示技术领域面临的问题： (1)和在照明领域遇到的主要问题一样，LED在作为新型背光源的同时，也面临着发光效率的问题。目前传统CCFL冷阴极荧光灯虽然耗电量大、发光质量一般，但是其发光效率可达到50100流明/瓦，而白光LED器件在刚起步时发光效率仅为20lm/W甚至更低，这就注定LED在开始时并不适合作为LCD显示器的背光源。不过，白光LED的发光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前为止，白光LED器件的发光效率突破50lm/W，开始达到实用化水平。大尺寸电视要使用大量的LED元件，因此散热和价格都是比较棘手的问题 (2)LED背光源系统的成本要高于冷阴极荧光管。目前LED背光模组零组件的价格为CCFL背光源的5倍左右，屏幕尺寸越大，采用LED背光技术的成本就越高。不过LED产业也存在类似微处理器产业中的“摩尔定律”Haitz定律，以安捷伦(LED领域领导厂商)的前任技术科学家Roland Haitz命名。其内容是LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20倍。如果这个定律能够不断应验，而随着产能的增加，LED背光源的成本将快速下滑。预计到未来一两年LED背光的售价可降到CCFT背光的2倍左右，距离大规模普及仅有一步之遥。 (3)RGB-LED背光源中，发出每种原色的LED元件由于采用了不同的发光材料，因此在长时间使用后，其性能的衰减将不一致，这也可能导致届时显示的效果出现比较大的偏差。8、LED的封装及散热技术目前大功率白光LED的转换效率还较低，光通量较小，成本较高等方面因素的制约，因此大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的特种工作灯具，中长期目标才能是通用照明领域。然而，随着功率增加，LED所产生电热流之废热无法有效散出，导致发光效率严重下降。LED发光效率会随着使用时间及次数而降低，而过高的接面温度则会加速LED发光效率衰减，故散热成LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。散热的主要有传导、对流、辐射三种方式，其中由于芯片的安全工作温度为110，因此LED散热以传导和对流为主，器件热辐射效应可以忽略不计。无论是热传导还是对流都需要解决如下三个环节的散热问题:芯片结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到冷却装置。这三个环节构成固态照明光源热传导的通道，其中任何薄弱环节失败都会使LED光源毁于一旦。（1） 芯片结构1) 倒装结构传统的LED芯片采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面以蓝宝石作为衬底。一方面，由于蓝宝石的导热性较差，有源层产生的热量不能及时地释放，而且蓝宝石衬底会吸收有源区的光线，即使增加金属反射层也无法完全解决吸收的问题;另一方面，由于环氧树脂的导热能力很差，热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题，影响了器件的性能和可靠性。LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样大功率LED产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于散热体，可降低内部热沉热阻。这种结构的热阻理论计算最低可达到1.34K/W，实际做到6-8K/W，出光率也提高了60%左右。但是，热阻是与热沉的厚度成正比的，由于受硅片机械强度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，这就制约了其传热性能的进一步提高。2）垂直结构LED芯片有横向和垂直两种基本结构。所谓的横向结构LED芯片是指芯片两个电极在外延片的同侧，由于电极在同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不利于电流的扩散以及热量的散发。相反，垂直结构LED芯片是指两个电极分布在外延片的异侧，以图形化电极和全部的p型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动。而且，垂直结构的LED芯片有很多明显的优势，如所有的制造工艺都是在晶片水平进行的；抗静电能力高；可用于制造超薄型的器件；良品率和可靠性较高；可以采用较大直径的通孔/金属填充塞和多个的通孔/金属填充塞进一步提高衬底的散热效率等。（2） 封装结构1） 金属线路板（PCB）结构金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质，将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上，然后再封装到散热片上来解决LED因功率增大所带来的散热问题。采用该结构可以获得良好的散热特性，并大大提高LED的输入功率。2）热电制冷结构热电制冷称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用帕米尔效应（即热电效应）的一种制冷方法。LED的热电制冷结构如下图所示，pn结组成一对热电偶，接上直流电源使pn结正偏后，在结合处就会产生温差和热量的转移。电子在外加电场的作用下，由n区进入p区，同时将热量从n区携带至p区。因此，n区温度下降并且吸热，称为冷端。P区温度上升并且放热，称为热端。为了进一步提高制冷效率，提出采用多级热电制冷，并且集成热沉增加与外界环境的热交换。半导体制冷器的优势在于制冷密度大、工艺兼容性好、无噪音、结构紧凑、集成度高，缺点在于生产成本高。 （3） 封装材料通过选取不同的材料降低LED系统热阻，提高其导热性能。目前，国内外常针对衬底材料、基板材料、粘贴材料和封装材料进行择优选取。1)衬底材料 LED芯片主要由外延层和衬底组成，衬底材料将会影响芯片的散热性能和发光效率。传统的LED芯片的衬底材料多为蓝宝石和SiC，SiC衬底的导热系数大约是蓝宝石的2倍，蓝宝石衬底由于导热系数低严重影响了芯片的散热。而金属具有良好的导热性能，有研究表明采用Cu衬底取代蓝宝石衬底后，LED芯片的发光效率、结温等性能得到了很大的改善。Cu是良好的热导体和电导体，P-GaN与Cu衬底直接相连，无需电流扩散层，且界面反光率高，使得Cu衬底芯片的出光效率高。2)基板材料 对于大功率的LED而言，为了解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，可选用陶瓷、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热材料，但这些合金的生产成本过高，不利于大规模、低成本生产。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前的研究重点之一。3)粘结材料 选用合适的芯片衬底粘贴材料，并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，这对保证器件的导热特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆和锡浆这三种材料进行粘贴。导热胶导热特性较差；导电型银浆既有良好的导热特性，又有较好的粘贴强度。但因银浆在提升亮度的同时会发热，且含铅等有毒金属，因此并不是粘贴材料的最佳选择。与前两者相比，导电型锡浆的导热特性是三种材料中最优的，导电性能也非常优越。4)环氧树脂 环氧树脂作为LED器件的封装材料，具有优良的电绝缘性能、密着性和介电性能，但环氧树脂具有吸湿性，易老化，耐热性差，高温和短波光照下易变色，而且在固化前有一定的毒性，故对LED器件的寿命造成影响。目前许多LED封装业者改用硅树脂和陶瓷代替环氧树脂作为封装材料，以提高LED的寿命。（4） 散热方式散热方式通常分为被动散热和主动散热。被动散热一般是选用高导热系数的材料制作有高肋化系数的肋片，通过肋片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。由于散热器结构参数较多，多变量数学优化计算代价较大，目前进行散热器优化一般多以温度或金属热强度为目标函数进行简化数学优化或单一变量设计和正交实验设