LED封装行业分光分色标准中的色坐标、黑体轨迹、等温线等色度学概念.doc

LED封装行业分光分色标准中的色坐标、黑体轨迹、等温线等色度学概念.txt有没有人像我一样在听到某些歌的时候会忽然想到自己的往事_如果我能回到从前，我会选择不认识你。不是我后悔，是我不能面对没有你的结局。 本文由cugyan贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 LED 封装行业分光分色标准中的色坐标、黑体轨迹、等温线等色度学概念的计算方法 作者:吴奇进 摘要 在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为全人类共同的意识。同时，国家也在大力倡导节能减排，在刚刚成功举办 的 2010 年上海世博会和 2008 年的北京奥运会都不约而同的以绿色节能为主题，这就给中国 LED 照明产业的发展带来了 巨大的历史机遇。发光二极管（LED）作为新一代绿色光源，与传统光源（白炽灯、荧光灯和高强度放电灯等）相比，具 有节能、环保、响应时间短，体积小，寿命长、抗震性好等多项优势，因而受到人们的青睐，成为各国半导体照明领域研 究的热点。本文主要是围绕 LED 的发光原理和 LED 封装行业的发展状态，重点探讨在 LED 封装行业分光分色标准制定过 程中涉及的色坐标、等色温线、黑体轨迹曲线等色度学概念的计算方法，为 LED 封装行业的工程师提供非常实用的理论指 导。 LED 关键词：LED LED、等色温线、黑体轨迹。 第一章前言 发光二极管（Light Emitting Diode，即 LED）于 20 世纪 60 年代问世，在 20 世纪 80 年代以前，只有红光、橙光、黄光和 绿光等几种单色光，主要作为指示灯使用，这一时期属于 LED“指示应用阶段”。20 世纪 90 年代初，LED 的亮度有了较大 提高，LED 的发展和应用进入了“信号和显示阶段”。1994 年，日本科学家中村修二在 GaN 基片上研制出了第一只蓝光 LE D，在 1997 年诞生了 InGaN 蓝光芯片+YAG 荧光粉的白光 LED，使 LED 的发展和应用进入了“全彩显示和普通照明阶 段”。 LED 作为一种固态冷光源，是一种典型的节能、环保型绿色照明光源，必将成为继白炽灯、荧光灯和高强度放电灯（HI D）之后的第四代新光源。 LED 芯片通常用 III-V 族化合物半导体材料(如 GaAs、GaP、GaN）通过外延生产工艺制造而成，其发光核心是 PN 结，具 有一般 PN 结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性等。 LED 发光原理是 LED 在正向电压下，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区，电子和空穴在 PN 结复合，其中部分 复合能转换成辐射发光，另一部分转换成热辐射，后者不产生可见光。 第二章 LED 封装行业发展状况 LED 作为新一代绿色照明光源，以其节能、环保、寿命长、响应时间快等优点备受人们的青睐，其发展速度可谓一日千 里。 目前，LED 封装企业主要集中在欧美、日本、中国台湾、韩国、马来西亚、中国大陆等国家和地区。其中，中国台湾地区 的封装产量世界第一，产值全球第二，主要企业有亿光电子、光宝电子、光磊科技、国联光电、佰鸿电子等等。 中国大陆的封装企业 70%主要集中在深圳、广州、惠州等珠三角地区，主要封装厂有国星光电、鸿利光电、瑞丰光电、真 明丽集团等等。 国外主要封装厂商有日本的 Nichia（日亚）公司、Toyada Gosei（丰田合成）公司、美国的 Cree（科锐）公司、Lumileds （流明）公司以及德国 Oscam（欧司朗）公司，韩国的 Seoul （首尔半导体）公司等等。 第三章 LED 封装技术探讨 LED 封装与一般的晶体三极管等半导体元器件的封装一样，都具有保护芯片不收外界环境的影响和提高元器件导热能力等 功能。但是，LED 封装还有一个更重要的作用是提高出光效率，并实现特定的光学分布，输出可见光。因此，LED 封装技 术除了电学参数外，还有光学参数的技术要求和专业设计。 LED 封装技术主要包括封装产品外形的设计、封装物料（原物料、辅物料和设备工具）的选择、封装工艺的持续改进三个 部分。 LED 产品的封装外形一般有直插式和贴片式（SMD ）两种。直插式常见的外形有3、5、8、10、草帽型、食人鱼型 等等，贴片式的常见外形有 3020、3528、5050 等等。大功率 LED 外形常见的是流明公司的 LUXEON 系列、集成模组系 列、COB（Chip On Board）系列等等。 LED 封装的原物料是指 LED 封装产品中包含的所有物料，包括芯片、固晶胶（银胶或绝缘胶）、金线、荧光粉、灌封胶 （环氧树脂或硅胶）等等。辅物料则是指生产过程中需要使用但是不包含在产品中的物料类型，包括酒精、异丙醇、无尘 布等等。LED 封装使用的工具设备一般有扩晶机、固晶机、焊线机、烤箱、抽真空机、点胶机、分光机、包装机等等。 LED 封装的工艺流程一般包括以下几个主要工序： 固晶焊线点荧光粉（白光）灌封胶水分光分色包装入库 对于蓝光芯片+黄色荧光粉的白光 LED 封装工艺，点荧光粉工序是一道非常关键的工艺，荧光粉的类型和浓度配比直接影 响封装产品的光色，而点荧光粉工序的胶量均匀度对后段的分光分色工序有很大的影响。如果点荧光粉的胶量不均匀，则 分光分色时存在产品的分档（分 Bin）数目很多，不同档的产品色差严重、生产出货良率偏低等不良现象。 LED 封装产品的分光分色工艺是一直困扰 LED 封装企业工程技术人员的一个技术难题。目前国内外 LED 行业都没有统一 的分光标准，因此 LED 封装厂都是按照本公司内部的企业标准进行分光，由于缺乏光度学和色度学方面的理论指导，很多 封装厂的分光标准并不科学，导致分光工序中存在很多诸如色差严重、产品不同批次之间光色范围不同等问题。 目前，国内 LED 封装企业最常见的一种分光分色的方法就是在分光机分光软件的 CIE 1931 色度图白光区域取四个坐标点 范围，然后进行简单的等分。一方面，由于每批产品分光时选取的四个坐标点不相同，导致不同批次相同 Bin 号的产品光 色并不相同。另外，由于 CIE 1931 色度图并不是均匀色度空间，所以用简单的等分方法是一种不符合色度学原理的方法。 图 3.1 为国内某知名封装企业的分光分色标准。 国外一些知名 LED 企业的分光标准主要是根据色度学原理，通过等温线和麦克亚当椭圆进行光色分区，国内部分 LED 封 装厂已经开始直接采用或简单修改国外一些 LED 领头知名企业的分光标准。但是，由于国内外封装工艺水平差距较大，特 别是荧光粉涂覆工艺不同，很多国外 LED 知名企业的分光标准并不适合国内大部分封装厂采用。因此，国内封装企业的工 程技术人员必须根据企业的封装水平制定合适的分光标准，这就要求工程技术人员要掌握光度学和色度学的一些基础知 识，学会色坐标、黑体轨迹、等色温线等色度学概念的计算方法。图 3.2 为国外某知名 LED 企业按等温线划分的分光标 准，图 3.3 是国内某封装厂的分光标准。 第四章色坐标、黑体轨迹线、等色温线的计算方法 4.1. 4.1.色坐标的物理意义和计算方法。 颜色的定量表征是一种心理物理量，三原色匹配或混合是 CIE 标准色度系统的物理基础。颜色的混合可以是色光的混合， 也可以是染料的混合，色光的混合成为颜色相加混合，染料的混合则为颜色相减混合。将几种色光同时或快速先后继时刺 激人的视觉感官，便会产生不同于原来颜色的新色觉，这是颜色相加混合的基本方法。图 4.1.1 为采用红（R）、绿 （G）、蓝（B）三原色相加混合匹配实验装置示意图。 通过调节三原色光的强度来改变其混合后的颜色，当视场中两部分光色相同时，视场中间的分界线消失，两部分合为同一 视场，此时认为待配光与三原色混合后的光色达到一致 ，这种把两种颜色调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配，对不同的待配光达到匹配时三原色的光强度值也不同。实验证 明，几乎所有的颜色都可以用三原色按某个特定的比例混合而成，颜色匹配可以使用颜色匹配方程表示如下： C=c（C）=r（R）+g（G）+b（B） 式中 r、g、b 称为颜色 C 的三刺激值。 在可见光 380780nm 范围内，每隔一定的波长间隔如 10nm，对各个波长的光谱色进行一系列颜色匹配实验，可以得到相 应的一组颜色匹配方程，如图 4.1.2 所示： 经过这样的匹配实验得到的如图 4.1.3 所示的一组曲线 r（）、g（）、b（），称为光谱三刺激值曲线。 一般的颜色并不是简单的光谱色，而往往是由多种光谱色组成的。设待测光的光谱分布函数为（）、由混色原理按波长 加权光谱三刺激值就可以得出每个波长的三刺激值，然后进行相加求和就可以计算出待测光的三刺激值。 但是，在由上述 CIE1931 RGB 色度系统计算一般颜色的三刺激值时会出现负值，这给大量的数据处理带来了不便。因此 国际照明委员会（CIE）引入了一组假想的三原色（X）、（Y）、（Z），并推荐了一组新的光谱三刺激值函数，即 CIE19 31 XYZ 色度系统标准色度观察者光谱三刺激值 x（）、y（）、z（），如图 4.1.4 所示。 则 CIE1931 XYZ 色度系统颜色匹配方程可以表示如下： C=C（C）=X（X）+Y（Y）+Z（Z） 令 x=X/(X+Y+Z)，y= Y/(X+Y+Z)，z=Z/(X+Y+Z)，则 x+y+z=1。 y z X Y Z 其中 x，y，z 称为颜色 C 的色品坐标（简称色坐标），其物理含义分别表示颜色 C 中假想三原色（X）、（Y）、（Z）各 自占有的比例。 4.2 CIE1931 XYZ 色度系统光谱色的色坐标计算方法 对于 380780nm 可见光范围的光谱色（例如波长为1），其光谱函数可以表示为： f（）=1, = 1 f（）=0, 1 其三刺激值 X，Y，Z 计算方法如下： X=K380780f（）x（）d= Kf（）x（） Y=K380780f（）y（）d= Kf（）y（） Z=K380780f（）z（）d= Kf（）z（） 式中 K 为归一化常数，计算时可省略。 例如，查表可知波长为 380nm 的光谱色其对应的标准色度观察者光谱三刺激值 x（）、y（）、z（）如下： /nm 380 标准色度观察者光谱三刺激值 x（） y（） 0.001368000 0.00003900000 z（） 0.006450001 则其三刺激值 X380，Y380，Z380 和色坐标 x380，y380 计算方法如下： X380=K380780f（）x（）d= Kf（）x（） =0.0013681+0.0013680+0.0013680 =0.001368 Y380=K380 780f（）y（）d= Kf（）y（） =0.0000391+0.0000390+0.0000390 =0.000039 Z380=K380 780 f（）z（）d= Kf（）z（） =0.0064500011+0.0064500010+0.0064500010 =0.006450001 x380= X380/（X380+ Y380+ Z380） =0.001368/（0.001368+0.000039+0.006450001） =0.17411 y380= Y380/（X380+ Y380+ Z380） =0.000039/（0.001368+0.000039+0.006450001） =0.00496 以此类推，利用常用的电脑办公软件 Microsoft Excel 就可以很方便地计算出 380780nm 可见光范围的所有光谱色的色品 坐标值。 4.3 CIE1931 XYZ 色度系统中 LED 的色坐标计算方法 对于白光 LED 的封装工艺,在分光分色工序一般都会在分光机上测试其光谱，然后得出该 LED 的色坐标、色温、发光强 度、正向电压等相关光电参数，其色品坐标的计算原理和方法与 4.2 中讨论的光谱色的色坐标计算方法是相同的。 例如，图 4.3.1 为某封装厂 1W 的 LED 产品分光测试得到光谱图， 其光谱部分数据如下表所示： 波长(nm) 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 相对 光谱 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0 0 0 0 0 0 波长(nm) 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 相对 光谱 0 0.0001 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0007 0.0009 0.0012 0.0015 波长(nm) 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 相对 光谱 0.0018 0.0027 0.0035 0.0044 0.0053 0.0061 0.0086 0.0111 0.0135 0.016 波长(nm) 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 相对 光谱 0.0185 0.0244 0.0303 0.0362 0.0421 0.048 0.0597 0.0713 0.083 0.0947 777 0.0147 778 0.0148 779 0.0149 780 0.015 标准色度观察者光谱三刺激值部分数据如下： /nm 380 381 779 780 标准色度观察者光谱三刺激值 x（） y（） 0.001368000 0.00003900000 0.001502050 0.00004282640 0.00004448567 0.00001606459 0.00004150994 0.00001499000 z（） 0.006450001 0.007083216 0 0 与光谱色的色坐标计算方法类似，利用常用的电脑办公软件 Microsoft Excel 对 380780nm 范围内的相对光谱加权标准色 度观察者光谱三刺激值求和就可以算出该 LED 的三刺激值 X，Y，Z， X=K380780f（）x（）d= Kf（）x（） =0.0013680.0001+0.0011502050.0001+0.000044485670.0149+0.000041509940.015 =59.154601 同理可得 Y=69.69945，Z=51.12905,则从上述色坐标 x,y 计算方法可知： x = X/(X+Y+Z)=59.154601/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.33613 y = Y/(X+Y+Z)=69.69945/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.37332 计算结果与测试结果一致。 4.4 黑体轨迹曲线的色坐标计算方法 黑体轨迹曲线又称为普朗克曲线，黑体是指能够完全吸收任何波长的入射辐射，并且具有最大辐射率的物体，即光谱吸收 比恒等与 1 的完全辐射体。黑体的光谱分布特性由普朗克公式给出，如图 4.4.1 所示： 其中 c1=2hc2=3.74184410-12W.cm2,c2=ch/k=1.438833cm.K。 将 c1 和 c2 的数值代入公式中，就可以算出不同温度时黑体的辐射光谱与波长的关系曲线，如图 4.4.2 所示： 由前面的讨论可知，知道黑体的辐射光谱以后，就可以对光谱加权标准色度观察者光谱三刺激值求和算出不同温度时黑体 的三刺激值 X，Y，Z 和色坐标（x，y）。 由于计算过程数据较多，这里不再详细讨论，仅提供 2000K10000K 色温范围内计算 40 个不同温度的黑体轨迹色坐标以 供工程师参考。 Tc/K 10000 9091 8333 7692 7143 6667 6250 5882 5556 5263 5000 4762 4545 4348 4167 4000 3846 3704 3571 3448 x 0.28065 0.28629 0.29217 0.29827 0.30454 0.31099 0.31760 0.32434 0.33116 0.33809 0.34508 0.35212 0.35920 0.36626 0.37333 0.38040 0.38743 0.39439 0.40135 0.40819 y 0.28839 0.29495 0.30156 0.30816 0.31473 0.32123 0.32764 0.33391 0.34001 0.34595 0.35168 0.35719 0.36248 0.36750 0.37228 0.37681 0.38107 0.38504 0.38878 0.39223 Tc/K 3333 3226 3125 3030 2941 2857 2778 2703 2632 2564 2500 2439 2381 2326 2273 2222 2174 2128 2083 2000 x 0.41497 0.42163 0.42823 0.43474 0.44112 0.44738 0.45351 0.45953 0.46543 0.47125 0.47690 0.48243 0.48782 0.49306 0.49822 0.50329 0.50816 0.51290 0.51763 0.52655 y 0.39541 0.39832 0.40098 0.40340 0.40555 0.40747 0.40915 0.41061 0.41186 0.41291 0.41375 0.41441 0.41489 0.41519 0.41535 0.41535 0.41521 0.41493 0.41453 0.41340 表 4.4.1CIE 1931 2000K10000K 色温范围内 40 个不同温度的黑体轨迹色坐标 4.5 等色温线的色坐标计算方法 当辐射源在温度 T 时所呈现的颜色与黑体在某一温度 Tc 时的颜色相同或最相近时，则将黑体的温度 Tc 称为该辐射源的颜 色温度，简称色温（Color Temperature）或相关色温（Correlated color temperature)。例如，某 LED 光源的颜色与黑体 加热到绝对温度 2700K 时所呈现的颜色最相近时，则此 LED 光源的相关色温为 2700K。 在色度图中由相关色温相同的色坐标点组成的曲线称为等色温线，由于 CIE1931 色度图并不是均匀的色度空间，因此等色 温线的计算方法一般是通过 CIE 1960 均匀色度图中推导出来。 由相关色温的定义可知，在 CIE 1960 均匀色度图中，等色温线上的每一个色坐标点到黑体轨迹线上该色温 Tc 对应的色坐 标点距离最近（颜色最接近），由几何学可知，两点之间直线距离最短，因此等色温线是通过黑体轨迹线上相应色温色坐 标点的直线，并且与黑体轨迹线相应色温色坐标点的切线相垂直。 因此，只要求出等色温线的直线方程，就可以计算出等温线上的任何色坐标点，然后利用 Microsoft Excel 或 CAD 等软件 画出等色温线。求等色温线的直线方程有点斜式、两点式等多种方法，本文通过点斜式很方便地推动出等色温线的直线方 程，推导过程如下： 根据 CIE 1931 x,y 和 CIE 1960 u,v 色度系统之间的换算公式： u=4x/(-2x+12y+3) v=6y/(-2x+12y+3) 把表 4.4.1CIE 1931 2000K10000K 色温范围内 40 个不同温度的黑体轨迹色坐标换算成 CIE 1960 中的色品坐标（u， v），如表 4.5.1 所示： Tc/K 10000 9091 u 0.19029 0.19192 v 0.29331 0.29659 Tc/K 3333 3226 u 0.24004 0.24313 v 0.34309 0.34454 8333 7692 7143 6667 6250 5882 5556 5263 5000 4762 4545 4348 4167 4000 3846 3704 3571 3448 0.19367 0.19554 0.19751 0.19959 0.20177 0.20404 0.20640 0.20885 0.21138 0.21399 0.21667 0.21940 0.22220 0.22506 0.22797 0.23092 0.23393 0.23697 0.29984 0.30304 0.30617 0.30923 0.31221 0.31510 0.31787 0.32056 0.32313 0.32560 0.32797 0.33021 0.33236 0.33440 0.33634 0.33817 0.33991 0.34155 3125 3030 2941 2857 2778 2703 2632 2564 2500 2439 2381 2326 2273 2222 2174 2128 2083 2000 0.24627 0.24945 0.25263 0.25583 0.25904 0.26228 0.26552 0.26881 0.27208 0.27536 0.27864 0.28190 0.28520 0.28852 0.29179 0.29505 0.29838 0.30490 0.34591 0.34719 0.34839 0.34952 0.35056 0.35154 0.35244 0.35330 0.35408 0.35480 0.35546 0.35607 0.35664 0.35716 0.35762 0.35804 0.35843 0.35908 表 4.5.1CIE 1960 2500K10000K 色温范围内 40 个不同温度的黑体轨迹色坐标 用一般的数学软件对表 4.5.1CIE 1960 2000K10000K 色温范围内 40 个不同温度的黑体轨迹色坐标点进行曲线模拟，得到 黑体轨迹曲线的多项式函数表达式如下： v0=b0+b1u0+b2u02+b3u03+b4u04+b5u05+b6u06 =b0+1520.8u0-15174.8u02+80709.7u03-241002.9u04+382786.3u05-252539.7u06 对黑体轨迹曲线的多项式函数进行求导，得到 v0=1520.8-2*15174.8u0+3*80709.7u02-4*241002.9u03+5*382786.3u04-6*252539.7u05 由导函数的几何意义可知，v0 就是黑体轨迹上（u0，v0）点上切线的斜率 k1，由等色温线与黑体轨迹上（u0，v0）点切线 相垂直可以求出等色温线的斜率 k0 为： k0=-1/k1=-1/v0 =-1/（1520.8-2*15174.8u0+3*80709.7u02-4*241002.9u03+5*382786.3u04-6*252539.7u05） 由黑体轨迹上（u0，v0）点和色温线的斜率 k0 可以求出等温线的点斜式方程： v=k0（u-u0）+ v0 再根据 CIE 1960 u,v 和 CIE 1931 x,y 色度系统之间的换算公式： x=27u/4/(9u/2-18v+9) y= 9v/2/(9u/2-18v+9) 可以算出 CIE 1931 x,y 色度系统中的等色温线直线方程为： y=kx+b 其中 k=（4k0+2k0u0-2v0）/（6-12v0+12k0u0） b= （3v0-3k0u0） /（6-12v0+12k0u0） k0=-1/（1520.8-2*15174.8u0+3*80709.7u02-4*241002.9u03+5*382786.3u04-6*252539.7u05） u0=4x0/(-2x0+12y0+3) v0=6y0/(-2x0+12y0+3) 利用 Microsoft Excel 可以方便地计算出 2000K10000K 色温范围部分等色温线的直线方程： Tc/K 10000 9091 8333 7692 7143 6667 6250 5882 5556 5263 5000 4762 4545 4348 4167 4000 3846 3704 3571 3448 k -1.8525 -2.1844 -2.6445 -3.3133 -4.3561 -6.1786 -10.0998 -24.2168 89.7999 16.9797 9.8046 7.0897 5.6586 4.7776 4.1722 3.7256 3.3796 3.1013 2.8676 2.6698 b 0.8083 0.9203 1.0742 1.2964 1.6414 2.2427 3.5353 8.1883 -29.3978 -5.3948 -3.0317 -2.1392 -1.6701 -1.3823 -1.1853 -1.0404 -0.9283 -0.8381 -0.7621 -0.6976 Tc/K 3333 3226 3125 3030 2941 2857 2778 2703 2632 2564 2500 2439 2381 2326 2273 2222 2174 2128 2083 2000 k 2.4984 2.3494 2.2177 2.1019 2.0008 1.9125 1.8363 1.7705 1.7146 1.6669 1.6274 1.5941 1.5656 1.5402 1.4968 1.4884 1.4571 1.4181 1.3672 1.2256 b -0.6413 -0.5923 -0.5487 -0.5104 -0.4770 -0.4481 -0.4236 -0.4030 -0.3861 -0.3726 -0.3623 -0.3546 -0.3488 -0.3442 -0.3357 -0.3337 -0.3252 -0.3124 -0.2932 -0.2320 参考文献： 颜色信息工程浙江大学出版社徐海松编著； 2、照明手册第二版科学出版社日本照明学会编李农杨燕译； 3、新一代绿色照明光源 LED 及其应用技术人民邮电出版社毛兴武等编著； 1本文由cugyan贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 LED 封装行业分光分色标准中的色坐标、黑体轨迹、等温线等色度学概念的计算方法 作者:吴奇进 摘要 在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为全人类共同的意识。同时，国家也在大力倡导节能减排，在刚刚成功举办 的 2010 年上海世博会和 2008 年的北京奥运会都不约而同的以绿色节能为主题，这就给中国 LED 照明产业的发展带来了 巨大的历史机遇。发光二极管（LED）作为新一代绿色光源，与传统光源（白炽灯、荧光灯和高强度放电灯等）相比，具 有节能、环保、响应时间短，体积小，寿命长、抗震性好等多项优势，因而受到人们的青睐，成为各国半导体照明领域研 究的热点。本文主要是围绕 LED 的发光原理和 LED 封装行业的发展状态，重点探讨在 LED 封装行业分光分色标准制定过 程中涉及的色坐标、等色温线、黑体轨迹曲线等色度学概念的计算方法，为 LED 封装行业的工程师提供非常实用的理论指 导。 LED 关键词：LED LED、等色温线、黑体轨迹。 第一章前言 发光二极管（Light Emitting Diode，即 LED）于 20 世纪 60 年代问世，在 20 世纪 80 年代以前，只有红光、橙光、黄光和 绿光等几种单色光，主要作为指示灯使用，这一时期属于 LED“指示应用阶段”。20 世纪 90 年代初，LED 的亮度有了较大 提高，LED 的发展和应用进入了“信号和显示阶段”。1994 年，日本科学家中村修二在 GaN 基片上研制出了第一只蓝光 LE D，在 1997 年诞生了 InGaN 蓝光芯片+YAG 荧光粉的白光 LED，使 LED 的发展和应用进入了“全彩显示和普通照明阶 段”。 LED 作为一种固态冷光源，是一种典型的节能、环保型绿色照明光源，必将成为继白炽灯、荧光灯和高强度放电灯（HI D）之后的第四代新光源。 LED 芯片通常用 III-V 族化合物半导体材料(如 GaAs、GaP、GaN）通过外延生产工艺制造而成，其发光核心是 PN 结，具 有一般 PN 结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性等。 LED 发光原理是 LED 在正向电压下，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区，电子和空穴在 PN 结复合，其中部分 复合能转换成辐射发光，另一部分转换成热辐射，后者不产生可见光。 第二章 LED 封装行业发展状况 LED 作为新一代绿色照明光源，以其节能、环保、寿命长、响应时间快等优点备受人们的青睐，其发展速度可谓一日千 里。 目前，LED 封装企业主要集中在欧美、日本、中国台湾、韩国、马来西亚、中国大陆等国家和地区。其中，中国台湾地区 的封装产量世界第一，产值全球第二，主要企业有亿光电子、光宝电子、光磊科技、国联光电、佰鸿电子等等。 中国大陆的封装企业 70%主要集中在深圳、广州、惠州等珠三角地区，主要封装厂有国星光电、鸿利光电、瑞丰光电、真 明丽集团等等。 国外主要封装厂商有日本的 Nichia（日亚）公司、Toyada Gosei（丰田合成）公司、美国的 Cree（科锐）公司、Lumileds （流明）公司以及德国 Oscam（欧司朗）公司，韩国的 Seoul （首尔半导体）公司等等。 第三章 LED 封装技术探讨 LED 封装与一般的晶体三极管等半导体元器件的封装一样，都具有保护芯片不收外界环境的影响和提高元器件导热能力等 功能。但是，LED 封装还有一个更重要的作用是提高出光效率，并实现特定的光学分布，输出可见光。因此，LED 封装技 术除了电学参数外，还有光学参数的技术要求和专业设计。 LED 封装技术主要包括封装产品外形的设计、封装物料（原物料、辅物料和设备工具）的选择、封装工艺的持续改进三个 部分。 LED 产品的封装外形一般有直插式和贴片式（SMD ）两种。直插式常见的外形有3、5、8、10、草帽型、食人鱼型 等等，贴片式的常见外形有 3020、3528、5050 等等。大功率 LED 外形常见的是流明公司的 LUXEON 系列、集成模组系 列、COB（Chip On Board）系列等等。 LED 封装的原物料是指 LED 封装产品中包含的所有物料，包括芯片、固晶胶（银胶或绝缘胶）、金线、荧光粉、灌封胶 （环氧树脂或硅胶）等等。辅物料则是指生产过程中需要使用但是不包含在产品中的物料类型，包括酒精、异丙醇、无尘 布等等。LED 封装使用的工具设备一般有扩晶机、固晶机、焊线机、烤箱、抽真空机、点胶机、分光机、包装机等等。 LED 封装的工艺流程一般包括以下几个主要工序： 固晶焊线点荧光粉（白光）灌封胶水分光分色包装入库 对于蓝光芯片+黄色荧光粉的白光 LED 封装工艺，点荧光粉工序是一道非常关键的工艺，荧光粉的类型和浓度配比直接影 响封装产品的光色，而点荧光粉工序的胶量均匀度对后段的分光分色工序有很大的影响。如果点荧光粉的胶量不均匀，则 分光分色时存在产品的分档（分 Bin）数目很多，不同档的产品色差严重、生产出货良率偏低等不良现象。 LED 封装产品的分光分色工艺是一直困扰 LED 封装企业工程技术人员的一个技术难题。目前国内外 LED 行业都没有统一 的分光标准，因此 LED 封装厂都是按照本公司内部的企业标准进行分光，由于缺乏光度学和色度学方面的理论指导，很多 封装厂的分光标准并不科学，导致分光工序中存在很多诸如色差严重、产品不同批次之间光色范围不同等问题。 目前，国内 LED 封装企业最常见的一种分光分色的方法就是在分光机分光软件的 CIE 1931 色度图白光区域取四个坐标点 范围，然后进行简单的等分。一方面，由于每批产品分光时选取的四个坐标点不相同，导致不同批次相同 Bin 号的产品光 色并不相同。另外，由于 CIE 1931 色度图并不是均匀色度空间，所以用简单的等分方法是一种不符合色度学原理的方法。 图 3.1 为国内某知名封装企业的分光分色标准。 国外一些知名 LED 企业的分光标准主要是根据色度学原理，通过等温线和麦克亚当椭圆进行光色分区，国内部分 LED 封 装厂已经开始直接采用或简单修改国外一些 LED 领头知名企业的分光标准。但是，由于国内外封装工艺水平差距较大，特 别是荧光粉涂覆工艺不同，很多国外 LED 知名企业的分光标准并不适合国内大部分封装厂采用。因此，国内封装企业的工 程技术人员必须根据企业的封装水平制定合适的分光标准，这就要求工程技术人员要掌握光度学和色度学的一些基础知 识，学会色坐标、黑体轨迹、等色温线等色度学概念的计算方法。图 3.2 为国外某知名 LED 企业按等温线划分的分光标 准，图 3.3 是国内某封装厂的分光标准。 第四章色坐标、黑体轨迹线、等色温线的计算方法 4.1. 4.1.色坐标的物理意义和计算方法。 颜色的定量表征是一种心理物理量，三原色匹配或混合是 CIE 标准色度系统的物理基础。颜色的混合可以是色光的混合， 也可以是染料的混合，色光的混合成为颜色相加混合，染料的混合则为颜色相减混合。将几种色光同时或快速先后继时刺 激人的视觉感官，便会产生不同于原来颜色的新色觉，这是颜色相加混合的基本方法。图 4.1.1 为采用红（R）、绿 （G）、蓝（B）三原色相加混合匹配实验装置示意图。 通过调节三原色光的强度来改变其混合后的颜色，当视场中两部分光色相同时，视场中间的分界线消失，两部分合为同一 视场，此时认为待配光与三原色混合后的光色达到一致 ，这种把两种颜色调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配，对不同的待配光达到匹配时三原色的光强度值也不同。实验证 明，几乎所有的颜色都可以用三原色按某个特定的比例混合而成，颜色匹配可以使用颜色匹配方程表示如下： C=c（C）=r（R）+g（G）+b（B） 式中 r、g、b 称为颜色 C 的三刺激值。 在可见光 380780nm 范围内，每隔一定的波长间隔如 10nm，对各个波长的光谱色进行一系列颜色匹配实验，可以得到相 应的一组颜色匹配方程，如图 4.1.2 所示： 经过这样的匹配实验得到的如图 4.1.3 所示的一组曲线 r（）、g（）、b（），称为光谱三刺激值曲线。 一般的颜色并不是简单的光谱色，而往往是由多种光谱色组成的。设待测光的光谱分布函数为（）、由混色原理按波长 加权光谱三刺激值就可以得出每个波长的三刺激值，然后进行相加求和就可以计算出待测光的三刺激值。 但是，在由上述 CIE1931 RGB 色度系统计算一般颜色的三刺激值时会出现负值，这给大量的数据处理带来了不便。因此 国际照明委员会（CIE）引入了一组假想的三原色（X）、（Y）、（Z），并推荐了一组新的光谱三刺激值函数，即 CIE19 31 XYZ 色度系统标准色度观察者光谱三刺激值 x（）、y（）、z（），如图 4.1.4 所示。 则 CIE1931 XYZ 色度系统颜色匹配方程可以表示如下： C=C（C）=X（X）+Y（Y）+Z（Z） 令 x=X/(X+Y+Z)，y= Y/(X+Y+Z)，z=Z/(X+Y+Z)，则 x+y+z=1。 y z X Y Z 其中 x，y，z 称为颜色 C 的色品坐标（简称色坐标），其物理含义分别表示颜色 C 中假想三原色（X）、（Y）、（Z）各 自占有的比例。 4.2 CIE1931 XYZ 色度系统光谱色的色坐标计算方法 对于 380780nm 可见光范围的光谱色（例如波长为1），其光谱函数可以表示为： f（）=1, = 1 f（）=0, 1 其三刺激值 X，Y，Z 计算方法如下： X=K380780f（）x（）d= Kf（）x（） Y=K380780f（）y（）d= Kf（）y（） Z=K380780f（）z（）d= Kf（）z（） 式中 K 为归一化常数，计算时可省略。 例如，查表可知波长为 380nm 的光谱色其对应的标准色度观察者光谱三刺激值 x（）、y（）、z（）如下： /nm 380 标准色度观察者光谱三刺激值 x（） y（） 0.001368000 0.00003900000 z（） 0.006450001 则其三刺激值 X380，Y380，Z380 和色坐标 x380，y380 计算方法如下： X380=K380780f（）x（）d= Kf（）x（） =0.0013681+0.0013680+0.0013680 =0.001368 Y380=K380 780f（）y（）d= Kf（）y（） =0.0000391+0.0000390+0.0000390 =0.000039 Z380=K380 780 f（）z（）d= Kf（）z（） =0.0064500011+0.0064500010+0.0064500010 =0.006450001 x380= X380/（X380+ Y380+ Z380） =0.001368/（0.001368+0.000039+0.006450001） =0.17411 y380= Y380/（X380+ Y380+ Z380） =0.000039/（0.001368+0.000039+0.006450001） =0.00496 以此类推，利用常用的电脑办公软件 Microsoft Excel 就可以很方便地计算出 380780nm 可见光范围的所有光谱色的色品 坐标值。 4.3 CIE1931 XYZ 色度系统中 LED 的色坐标计算方法 对于白光 LED 的封装工艺,在分光分色工序一般都会在分光机上测试其光谱，然后得出该 LED 的色坐标、色温、发光强 度、正向电压等相关光电参数，其色品坐标的计算原理和方法与 4.2 中讨论的光谱色的色坐标计算方法是相同的。 例如，图 4.3.1 为某封装厂 1W 的 LED 产品分光测试得到光谱图， 其光谱部分数据如下表所示： 波长(nm) 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 相对 光谱 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0 0 0 0 0 0 波长(nm) 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 相对 光谱 0 0.0001 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0007 0.0009 0.0012 0.0015 波长(nm) 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 相对 光谱 0.0018 0.0027 0.0035 0.0044 0.0053 0.0061 0.0086 0.0111 0.0135 0.016 波长(nm) 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 相对 光谱 0.0185 0.0244 0.0303 0.0362 0.0421 0.048 0.0597 0.0713 0.083 0.0947 777 0.0147 778 0.0148 779 0.0149 780 0.015 标准色度观察者光谱三刺激值部分数据如下： /nm 380 381 779 780 标准色度观察者光谱三刺激值 x（） y（） 0.001368000 0.00003900000 0.001502050 0.00004282640 0.00004448567 0.00001606459 0.00004150994 0.00001499000 z（） 0.006450001 0.007083216 0 0 与光谱色的色坐标计算方法类似，利用常用的电脑办公软件 Microsoft Excel 对 380780nm 范围内的相对光谱加权标准色 度观察者光谱三刺激值求和就可以算出该 LED 的三刺激值 X，Y，Z， X=K380780f（）x（）d= Kf（）x（） =0.0013680.0001+0.0011502050.0001+0.000044485670.0149+0.000041509940.015 =59.154601 同理可得 Y=69.69945，Z=51.12905,则从上述色坐标 x,y 计算方法可知： x = X/(X+Y+Z)=59.154601/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.33613 y = Y/(X+Y+Z)=69.69945/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.37332 计算结果与测试结果一致。 4.4 黑体轨迹曲线的色坐标计算方法 黑体轨迹曲线又称为普朗克曲线，黑体是指能够完全吸收任何波长的入射辐射，并且具有最大辐射率的物体，即光谱吸收 比恒等与 1 的完全辐射体。黑体的光谱分布特性由普朗克公式给出，如图 4.4.1 所示： 其中 c1=2hc2=3.74184410-12W.cm2,c2=ch/k=1.438833cm.K。 将 c1 和 c2 的数值代入公式中，就可以算出不同温度时黑体的辐射光谱与波长的关系曲线，如图 4.4.2 所示： 由前面的讨论可知，知道黑体的辐射光谱以后，就可以对光谱加权标准色度观察者光谱三刺激值求和算出不同温度时黑体 的三刺激值 X，Y，Z 和色坐标（x，y）。 由于计算过程数据较多，这里不再详细讨论，仅提供 2000K10000K 色温范围内计算 40 个不同温度的黑体轨迹色坐标以 供工程师参考。 Tc/K 10000 9091 8333