LED芯片封装设计与制作—LED工艺的研究

1、本科毕业设计（论文）led芯片封装设计与制作led工艺的研究 学 院 物理与光电工程学院 专 业 电子科学与技术 （光电子技术、微电子技术方向）年级班别 2007 级（5）班 学 号 3107009274 学生姓名 黄裕钦 指导教师 苏成悦 2011 年 6 月 led芯片封装设计与制作led工艺的研究黄裕钦 物理与光电工程学院摘 要本文大致可划分为四大部分。首先简单探讨led，其次重点论述led封装技术，然后简单介绍led相关术语、led相关工具，最后总结。经过对大量文献的阅读分析论证，led封装技术主要涉及到封装设计、封装材料、封装设备、封装过程、封装工艺五大方面。封装设计是先导，封装材料

2、是基础，封装设备是关键，封装过程是支柱，封装工艺是核心。封装过程大致可分为固晶、焊线、灌胶、测试、分光五个阶段。封装工艺，主要体现为生产过程中的各个阶段各个环节各个步骤的技术要领和注意事项，在led封装生产中至关重要，否则即使芯片质量好、辅材匹配好、设备精度高、封装设计优，若工艺不正确或品控不严格，最终也会影响led封装产品的合格率、可靠性、热学特性及光学特性等。总之，合格的工艺能保证led器件的质量，改进的工艺能降低led器件的成本，先进的工艺能提高led器件的性能。因此，本文重点在于对led封装工艺进行分析和综合，简单介绍了封装设计，封装材料、封装设备、封装过程，详细地说明了封装工艺，总结

3、了led封装工艺的技术要领、注意事项，明确了led封装有哪些工序、流程、制程、过程、环节，每个工序用什么材料，材料怎么检查怎么仓储怎么使用，用什么工具，工具怎么使用，操作步骤顺序和方法是怎样的，操作中要注意哪些事项，执行要达到什么标准，还分析了死灯的原因，介绍了led封装生产过程中的静电防护措施。关键词：led封装，led封装技术，led封装工艺，led封装材料，led封装过程abstractthis paper can be divided into four parts. at first briefly discusses led, secondly focuses on led pac

4、kaging technology, and then briefly introduce the relevant terminology and tools of led, the final summary. after the reading,analysis and demonstration of the extensive literature, led packaging technology are mainly involves packaging design, packaging materials, packaging equipment, packaging pro

5、cess, packaging craft the five aspects. package design is a guide, packaging materials is the basis, packaging equipment is the key, the package process is a pillar, packaging craft is the core. packaging process can be divided into solid crystal, wire, injecting, testing, splitting the five stages.

6、 packaging craft, mainly reflects on the technical essentials and cautions of the production process, and it is crucial in led packaging production, or even chips of good quality and good matching auxiliary equipment, high precision, excellent packaging design if the process is not correct or not st

7、rict quality control, and ultimately will affect the passing rate of led packages, reliability, thermal characteristics and optical characteristics. in short, a qualified process can guarantee quality of led devices, improved technology can reduce the cost of led devices, advanced technology can imp

8、rove the performance of led devices. therefore, this article focuses on led packaging technology for analysis and synthesis, simply introduced the package design, packaging materials, packaging equipment, packaging process, give a detailed description of the packaging process, summarizes the technic

9、al essentials and attentions of led packaging craft, make clear what processes led packaging has, what materials each process use, how to storage,check and use materials, what tools we can use, how to use tools, the sequence and methods of operation, the operation should be pay attention to what mat

10、ters, the implementation of the criteria to be achieved, but also analyzes the causes of death light and introduced the static protection in led packaging production process.key words: led packaging, led packaging technology, led packaging craft, led packaging material, led packaging process目录1 绪论11

11、.1研究背景11.2研究现状21.3研究目的31.4研究意义31.5研究内容42 led52.1 led的定义52.2 led的分类52.3 led的优点82.4 led的应用112.5 led的发展历史122.6 led的发展趋势152.7 led的基本结构162.8 led的发光原理182.9 led的工作特性192.10 led的产业情况203 led封装技术243.1 led封装的定义243.2 led封装的分类283.3 led封装的任务303.4 led封装的设计303.5 led封装的材料303.5.1 支架313.5.2 银胶343.5.3 晶片353.5.4 金线403.5.

12、5 环氧树脂403.6 led封装的设备423.7 led封装的过程433.8 led封装的工艺463.8.1 什么是工艺463.8.2 led封装工艺463.8.3 led封装工艺说明473.8.4 led制作工艺流程案例583.8.5 led死灯的分析603.8.6 led的生产环境603.8.7 led的防静电措施613.8.8 白光led的封装624 led相关术语635 led相关工具66结 论67参考文献69致 谢711 绪论1.1研究背景在人类照明史上，主要经历了白炽灯、荧光灯两次照明革命。能引发照明革命的照明光源一般都是电光源。电光源按发光原理分为热幅射光源、气体放电光源和电致

13、发光光源三大类1。热幅射光源是利用导电物体通电加热到白炽状态时辐射发光的原理所制作的光源，如白炽灯，卤钨灯等。自1879年美国的爱迪生制成了碳丝白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、填充气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高，曾经是产量最大，应用最广的电光源。白炽灯的结构和外观如图1.1所示。图1.1 白炽灯的结构和外观气体放电光源是利用电流流经气体或金属蒸气使之产生气体放电而发光的光源，如荧光灯，高压汞灯，高压钠灯，金属卤化物灯等1。气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低气压、高气压和超高气压3种。弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤

14、化物灯等高强度气体放电灯，超高压汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光源等放电气压跨度较大的气体放电灯。辉光放电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯。此外还包括某些光谱光源1。荧光灯分传统荧光灯和无极荧光灯。传统荧光灯即低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射紫外线，从而激发荧光粉发出可见光，因此它属于低气压弧光放电光源。无极荧光灯即无极灯，它取消了传统荧光灯的灯丝和电极，由高频发生器、耦合器和灯泡三部分组成。它是通过高频发生器的电磁场以感应的方式耦合到灯内，使灯泡内的气体雪崩电离，从原始状态激发成激发态，形成等离子体。

15、等离子受激原子返回基态时辐射出紫外线。灯泡内壁的荧光粉受到紫外线激发产生可见光。无极灯有寿命长、光效高、显色性好等优点，是现今最新型的节能光源。日光灯又称荧光灯，灯管两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，激发荧光粉发出柔和的可见光，仍是当今应用最广的电光源。图1.2展示了各种不同外观的荧光灯。图1.2 各种不同外观的荧光灯电致发光光源是在电场作用下使固体物质发光的光源，它将电能直接转变为光能，包括场致发光光源和发光二极管两种1。物体发光时，如果它的温度并不比环境温度高，则这种发光叫冷发光，我们把这类光源叫做冷光源。冷光源的特

16、点是把其他的能量几乎全部转化为可见光了，其他波长的光很少，而热光源就不同，除了有可见光外还有大量的红外光，相当一部分能量转化为对照明没有贡献的红外光了。热光源加红外滤波片后出来的光应该和冷光源发出的光差不多了，因为已经滤掉了红外光。白炽灯和荧光灯都属于热光源，led灯则属于冷光源。作为新型高效固体光源，led已显示出作为照明光源的巨大潜力，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的第三次照明革命，其经济效益和社会意义巨大。1.2研究现状目前，led技术已经成为一门比较完善比较热门的技术，相关的文献已经累积了很多很多，相关的企业也成千上万了，相关的产品已经深入到百姓的日常生活中了。在芯片技术上，白

17、光led芯片、超高亮度led芯片、大功率led芯片都已经研发出来了。在封装技术上，国内led封装工艺已经达到一个较高的水平。但是由于封装技术不能迅速跟上芯片技术的变化，目前的led封装仍存在诸多问题，如芯片与荧光粉匹配难、出光利用率低、热阻高、环氧树脂的气泡和黄变、死灯等。1.3研究目的led技术拥有巨大的潜力和美好的前景，因此世界各国的各大相关企业和高校都不遗余力地去研究led技术，政府也在政策和资金上全力支持led产业的发展。作为一名电子专业的学生，在毕业设计中选择研究led技术方面的课题也是理所当然的事情了。led技术的研究内容和研究范围可以粗略分为以下几方面：（1）材料（即原料辅料，包

18、括荧光粉、支架、银胶、蓝宝石衬底、模条、透镜）（2）设备（即设备仪器、生产设备、检测设备、测试仪器，包括点胶机、固晶机、灌胶机、邦定机、切脚机、烤箱）（3）芯片（包括可见光芯片、红外芯片、si器件芯片、外延片、外延芯片）（4）封装（即器件封装，包括lamp、smd、大功率、食人鱼、平面光源）（5）驱动（即驱动控制，包括电源、驱动ic、控制器、控制系统、软件）（6）检测（包括光电分析、光谱分析、分光分色、芯片测试）（7）照明（包括路灯、日光灯、射灯、球泡灯、投光灯、隧道灯、背光投影、室内照明、道路照明、背光源、显示屏、交通信号、汽车灯饰）本文主要的研究范围是led芯片封装，研究方向是led芯片封

19、装的工艺，研究目的是总结led芯片封装材料、封装设备、封装过程、封装工艺等方面的知识，研究方法是对从百度文库、豆丁网、谷歌学术搜索引擎查找到的大量文献进行分析、综合、归纳、演绎、对比阅读、互相论证后进行总结。1.4研究意义led产业链大体分为上、中、下游，分别是led外延芯片、led封装及led应用。作为led产业链中承上启下的led封装，在整个产业链中起着无可比拟的重要作用。这点主要体现在两方面，一是led交通灯、汽车灯、大型led显示屏、液晶显示器的led背光源、led照明灯具等led应用产品的总成本40%至70%由led器件的价格决定，二是led应用产品的各项性能70%以上由led器件的

20、性能决定。因此led芯片的封装十分重要，它基本上决定了下游led应用产品的性能6。led封装主要涉及到设计、材料、设备、过程、工艺五方面，其中封装工艺技术在led封装生产中至关重要。例如固晶机的胶量控制、焊线机的焊线温度和压力、烤箱的温度、封胶机的气泡等等，均是封装工艺重点环节。否则即使芯片质量好、辅材匹配好、设备精度高、封装设计优，若工艺不正确或品控不严格，最终也会影响led封装产品的可靠性、衰减及光学特性等6。总之，合格的工艺能保证led器件的质量，改进的工艺能降低led器件的成本，先进的工艺能提高led器件的性能。1.5研究内容本文大致可划分为四大部分。首先简单探讨led，主要对led的

21、定义、分类、优点、应用、发展历史、发展趋势、基本机构、发光原理、工作特性、产业情况10方面详细地分析。其次重点论述led封装技术，主要从led封装的定义、分类、任务、设计、材料、设备、过程、工艺8方面详细地论述。然后简单介绍led相关术语、led相关工具。最后总结。本文虽然介绍了一些led的相关情况，但是重点在于讨论led封装技术和led封装工艺。42 led2.1 led的定义led（light emitting diode，发光二极管）是一种由gaas（砷化镓）、gap（磷化镓）、gaasp（磷砷化镓）等半导体材料制成的，依靠半导体pn结发光的光电元件，它能将电能转化为光能。因为led的核

22、心是pn结，所以它具有一般pn结的单向导电性（正向导通、反向截止）、击穿特性。它大概分为lamp系列，top系列，smd系列，high power系列等。就lamp来讲，它是由电子材料（支架，晶片，导电银胶或绝缘胶，金线或铝线），封装材料（环氧树脂，色剂，扩散剂），以及辅助材料（模条）三大材料构成。发光二极管，顾名思义是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。但现在人们一般直接叫led，而不是叫发光二极管，不仅仅因为发光二极管的名字太长，而且发光二极管很容易让人误以为led的封装形状是“管”的形状，事实上它还可以封装成其它形状。2.2 led的分类led有很多类型，可以按照不同的依

23、据进行分类，现将led分类如下：（1）按波长分按波长分，led有可见光led（波长450-680nm）和不可见光led（波长850-1550nm）两大类。（2）按发光颜色分按发光颜色分，led可分成红色、橙色、黄色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝色等。此外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管通常用做指示灯。（3）按出光面特征分按出光面特征分，led有圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4m

24、m、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作t-1；把5mm的记作t-1（3/4）；把4.4mm的记作t-1（1/4）。（4）按发光角分按发光角分，led有三类a 高指向性。半值角为520或更小，具有很高的指向性，一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。b 标准型。半值角为2045，通常作指示灯用。由半值角大小可以估计发光强度角分布情况。c 散射型。半值角为4590或更大，散射剂的量较大，用作视角较大的指示灯。（5）按芯片材料分按芯片材料分，led有二元化合物、三元化合物、四元化合物和gan系

25、化合物四大类。如gap（磷化镓）发光二极管、gaas（砷化镓）发光二极管、gaasp（磷砷化镓）发光二极管、gaalas（砷铝化镓）发光二极管和gaasinp（磷铟砷化镓）发光二极管等多种。表2.1列出了传统led所使用的半导体材料和它们的发光颜色。表2.1 传统led所使用的半导体材料和它们的发光颜色材料发光颜色algap（铝磷化稼）绿色algaas（铝砷化稼）红色及红外线gaasp（磷砷化稼） 红色，橘红色，黄色algainp（铝镓铟磷）高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色gap（磷化稼）三种不同颜色的led，红色，黄色，绿色gan（氮化镓）绿色，翠绿色，蓝色ingan（铟氮化稼）近紫外线，蓝

26、绿色，蓝色sic（碳化硅）（用作衬底）蓝色si（硅）（用作衬底）蓝色（开发中）al2o3（蓝宝石）（用作衬底）蓝色znse（锌，硒）单结晶基板蓝色c（钻石）紫外线aln（氮化铝），algan（氮化铝镓）波长为远至近的紫外线（6）按结构分按结构分，led有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。（7）按外形分按外形分，led有直插式led（lamp-led，传统led）和贴片式led（smd-led，新型led）两大类。（8）按光点数分按照光点数划分，led有单点led和多点led两大类。（9）按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分，led有发光强度100mcd的超

27、高亮度led三大类。highpower-led的工作电流350ma，一般led的工作电流在十几ma至几十ma，而低电流led的工作电流在2ma以下，亮度与普通发光管相同。高亮度led使用四元化合物及gan系化合物，一般亮度led使用gan系以及二元化合物和三元化合物10。（10）按发光亮度和功率分按发光亮度和功率分，led有普通led、高亮度led及大功率led三大类。目前比较常见的大功率led有1w、3w、5w、8w和10w。已大批量应用的有1w和3w led，而5w、8w和10w led的应用相对较少。我们通常把毫瓦级led称为小功率，把瓦级led称之为大功率。目前通常所见的大功率led分

28、为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸组合两种。（11）按材料的跃迁方式分按材料的跃迁方式分，led有直接跃迁型和间接跃迁型两大类。led的材料主要是-族化合物半导体，如gap、gaas、gan等，有直接跃迁型和间接跃迁型之分。gap属于间接跃迁型，gaas、gan属于直接跃迁型，见表2.2。间接跃迁型材料的电子和空穴复合时，除了发出光子外，还伴随有晶格振动，其发光效率比直接跃迁型要差。表2.2 不同材料的led跃迁方式材料备注gap间接跃迁型，eg=2.24ev，峰值波长555nm，绿光gap：znogap中掺锌、氧，峰值波长700nm，红光gap：n掺n量不同，可发绿光（568nm）或黄光（590n

29、m）gaas直接跃迁型，eg=1.43ev，峰值867nm，近红外光。gan直接跃迁型，led的有源层是ingan多量子阱，随组分的差异可发蓝光（450nm）和发紫光（400nm）ingaasp峰值波长1.3m。为提高led性能，一般采用双异质结、量子阱结构（12）按发光面与pn结面的关系分按发光面与pn结面的关系分，led有正面发光型led（面发光型）和侧面发光型led（边发光型）两大类，如图2.1所示。正面发光型led的出光面与pn结平面平行，侧面发光型led是从pn结中一个与结平面垂直的端面出光。正面发光型led的光功率较边发光型大，但出光面面积大，光发光角度也大，且由于全反射现象，与光

30、纤耦合很差。侧面发光型led虽然出光面很小（0.2m2m），但是与光纤耦合效率较高。图2.1 两种不同出光面类型的led半导体材料往往折射率较高，如gaas，n3.6。故在材料与空气的界面易发生全反射，使光不能辐射出去，如图2.2（a）所示少部分出射光的发光角度也较大。图2.2（b）、（c）使用高折射率的材料把芯片封装起来后，都能有效地增加光输出。图2.2（c）用透明的高折射率（n1.5）塑料密封，头部铸塑成半球形，输出比（a）约增大三倍。因造价低，故大量采用。图2.2 led封装能有效增加光输出2.3 led的优点随着led技术的发展，如生长高质量的外延片、设计新型的芯片结构、采用倒装焊封装

31、结构、利用表面粗糙技术等等，使得制约led发展的效率问题、散热问题和价格问题已经得到改善，正朝着高效率、低成本的方向发展，为led从指示用灯领域向照明用灯领域普及提供有利条件。总的来说，led具有发光效率高、使用寿命长、坚固耐用、免维护、易控制、低电压和低电流驱动、节能省电、安全环保、防震、防水、体积小、重量轻、发光控制方便、发光色彩丰富、发光响应快速，可以智能化控制和网络化控制的一系列优点，这是白炽灯、荧光灯等光源无法比拟的5。led灯与传统灯性能对比如表2.3所示。表2.3 led灯与传统灯性能对比4名称耗电量（w）工作电压（v）协调控制发热量可靠性使用寿命（h）金属卤素灯100220不易

32、极高低3000霓虹灯500较高高高宜室内3000镁氖灯16w/m220较好较高较好6000日光灯4100220不易较高低50008000冷阴极15w/m需逆变较好较好较低10000钨丝灯15200220高高低3000节能灯3150220不宜调光低低5000led灯极低1236多种形式极低极高10万详细地说，led照明的优点主要体现在以下几个方面：（1）发光效率高。发光效率高是led应用于照明领域的前提。白炽灯、卤钨灯的光效为12241m/w，荧光灯的光效为5070 lm/w，钠灯的光效为90140 lm/w，它们大部分的耗电变成热量白白损耗掉了。led的光效经改进后可达到50200 lm/w，

33、而且光的光谱窄、单色性好，即发出的光线集中在较小的波长范围内，无需过滤可直接发出有色可见光，适合应用到交通信号灯。近年来，led的发光效率还在逐步提高，商品化的led照明灯已达到白炽灯的水平。目前，世界各国仍在加紧提高led光效的研究，相信在不久的将来led发光效率将有更大的提高。此外，led芯片经过封装后可以做到发光指向性非常强，亮度衰减比传统光源低很多。从商业的角度来看，led照明将会成为发光效率最高的照明技术，应用前景看好，如图2.3所示。图2.3 各种电光源发光效率的进展对比5（2）使用寿命长。使用寿命长是led得到广泛应用的重要原因之一。led灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，可承受

34、高强度机械冲击和震动，不易破碎，坚固耐用。而且led的平均寿命达10万小时，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍。这意味着每天工作8小时，可以有35年免维护的理论保障。即使是频繁的开关，也不会损坏，大大降低了灯具维护的成本，避免了经常换灯的辛苦。（3）开关时间短。响应时间最低可达到一微秒，一般为几个毫秒，比其它现用的光源响应时间200毫秒快得多，因此可在高频电路中使用，如用于光电耦合电路。例如用于汽车的刹车灯或状态灯，可让车后车辆的司机及时发现和刹车，预防追尾碰撞，防止车祸发生。（4）节能省电。led是冷光源，通过电子和空穴的复合发光，发热量低，耗电量少。在同样的照明效果下，led的耗电量

35、是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。据日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的led取代日本一半的白炽灯和荧光灯，就相当于每年可节约60亿升原油。（5）安全环保。led为固态发光体，在结构上没有玻璃外壳，不像白炽灯和荧光灯那样要把灯管抽成真空或着要充入特定气体，而是用环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和振动，不易破碎，给led的生产、运输、使用各个环节带来了便利，也适合恶劣环境使用，更不怕地震等灾害的发生。另外，led在生产过程中不需要添加汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收，没有污染，十分环保。（6）体积小，重量轻，成本低，易使用。led的体积可以做的非常小，封装成各种类型，便

36、于各种设备的布置和设计。led工作电压低，可以用太阳能电池作电源，对使用条件要求较低。2.4 led的应用随着led技术的发展，超高亮度led和白光led的出现，使得led的应用更加广泛。鉴于led的自身优势，目前led主要应用于以下几大方面：（1）指示灯。对亮度要求不高，广泛用于各种家电、仪器、仪表、机器、设备的电源指示和信号指示。（2）交通灯。交通灯也是一种信号灯、指示灯，但是由于要求在白天也能看得清清楚楚，所以它不能采用传统的led信号指示灯，需要采用超高亮度红、黄、绿色led。因为采用led既节能，又可靠，所以市场需求很大，市场推广很快，在全国范围内，交通信号灯正在逐渐更换成led。（

37、3）汽车灯。车内的仪表指示灯、音响指示灯、开关指示灯和车外的头灯、尾灯、侧灯、刹车灯等汽车用灯均在逐步采用led。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。这是因为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，用led制造的高位刹车灯已成为汽车的标准件。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4。（4）背光源。主要是液晶lcd显示器上用的背光源，有白色和其他各种颜色。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，已广泛应用于手机、mp3、mp4、数码相机、pda、gps、游戏机、学习机、电子手表、电子计算器和刷卡机等电

38、子设备上。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 4。（5）显示屏。led显示屏具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，分为全色、三色和单色显示屏，广泛应用于各种室内、户外显示屏，如各种广告牌、体育记分牌、金融指示牌和交通指示牌等大、中、小屏幕显示器4。（6）照明灯。早期的led不仅发光效率低，而且光强一般只能达到几个到几十个mcd，只适用在室内场合、家用电器、仪器仪表、通讯设备及电子玩具等方面。目前的趋势是led光源取代白炽灯和荧光灯，这种趋势已从局部应用领域开始发展。日本政府提出了“照亮日本计划”，头五年的预算为5

39、0亿日元，如果led替代一半的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源，相当于五个1.35106kw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。我国政府也在2004年的时候投资50亿大力发展节能环保的“半导体照明计划”。（7）景观灯。作为一种冷光源，led照明灯具有绿色环保、节能省电、色彩丰富等传统光源不可比拟的优点。目前，led护栏灯、led轮廓灯、led灯泡、led灯带等被广泛应用于大厦广场、高楼建筑、桥梁护栏、警戒标志、招牌广告、庭院护栏等轮廓勾勒，对塑造景观美化城市有重要作用。（8）创意灯。例如有一种儿童闪光鞋，走路时鞋子内置的led会闪烁发光；还有造型奇特、色彩绚

40、丽、不易碎破的led圣诞灯，在香港等东南亚地区十分畅销，受到人们普遍的欢迎4。2.5 led的发展历史led已有近50年的发展历史。大体来说，led的发展历史和发展历程可划分为四个阶段，如图2.4所示。图2.4 led的发展历史和发展历程可划分为四个阶段16第一个阶段是从1962年led实现商品化到上世纪80年代初的近20年时间，这段时间的发展奠定了普通亮度led的技术和市场基础，使得led在状态指示领域得到广泛应用。第二个阶段从上世纪80年代初到90年代初，这个阶段红色和红外高亮度led研制取得突破，外量子效率达到8%，流明效率又提高了一个数量级，接近10 lm/w，在户内显示屏等领域开始应

41、用，但是因为gaalas三元系材料光衰比较严重，在户外大屏幕和交通信号灯方面的应用受到限制。第三个阶段主要是上世纪最后十年，1991年日本东芝公司和美国hp公司分别研制成gaalinp红、橙超高亮度led，1992年上述两家公司又分别研制出gaalinp黄色（590nm）以及更短一些波长（573nm，黄绿色）。1993年日本nichia公司nakamura s 成功开发出蓝光（450nm）led，很快又推出了商品化的绿光（505nm）led，led实现了全彩化、超高亮度化。目前，正在经历led技术发展的第四个阶段，这一阶段开始于上世纪末，发展的目标是研究高效率、全固态、环保的led光源，推进l

42、ed在照明领域的应用16。同传统的led相比，大功率led对发光效率、输出光通量等提出了更高的要求，二者的差别已经超越了量变的范畴，产生了质变，因此大功率led进入普通照明领域的过程中，对led整个产业链都提出了新的技术要求，从外延层的结构设计、材料生长，芯片结构的设计、芯片制作，封装结构设计、封装工艺，直到大功率led照明灯具的设计等都出现了许多新的研究课题，吸引了国内外研究机构和产业界众多科技工作者的研究兴趣。图2.5展示了led的发展历史。详见表2.4 led的发展历史和发展历程的四个阶段以及表2.5历史上led技术的重大突破。图2.5 led的历史 22表2.4 led的发展历史和发展

43、历程的四个阶段阶段时间应用材料材料生长第一阶段从1962年led实现商品化到上世纪80年代初的近20年时间奠定了普通亮度led的技术和市场基础，在状态指示领域得到广泛应用使用间接带隙的半导体材料gaasp、gap等氯化物气相外延法（hvpe）和液相外延（lpe）第二阶段上世纪80年代初到90年代初红色和红外高亮度led研制取得突破，在户内显示屏等领域开始应用使用直接带隙的gaalas三元系材料液相外延（lpe）技术更加成熟第三阶段上世纪最后十年研制成超高亮度led，开发出蓝光led，实现了全彩化、超高亮度化，led由状态指示和室内屏幕显示，扩大到户外全彩显示，在交通信号灯方面的应用得到普及，l

44、ed已经在装饰照明、景观照明、汽车照明、仪器仪表照明等特种照明领域开始应用，直接带隙材料gaalinp、ingan材料系有机金属气相化学沉积磊晶法（mocvd）和分子束外延）mbe技术）；新的发光层结构和器件结构层出不穷，如单量子阱、多量子阱、布拉格反射层、透明衬底、透明电极、表面纹理、梯形切割等；第四阶段开始于上世纪末发展的目标是研究高效率、全固态、环保的led光源，开始广泛应用于照明领域-表2.5 历史上led技术的重大突破阶段时间重大突破11962年ge、monsanto、ibm的联合实验室开发出发红光的gaasp（磷砷化镓）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程，应用于指

45、示灯、数子和文字显示。1965年全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料制成的可发出红外光的led，当时的单价约为45美元。其后不久，monsanto和惠普公司推出了用gaasp材料制作的商用化红色led。这种led的效率大约为0.1lm/w，比一般的60100w白炽灯的（15lm/w）要低上100多倍。1968年led的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使gaasp器件的效率达到了1lm/w，并且能够发出红光、橙光和黄色光。1971年业界又推出了具有相同效率的gap绿色芯片led。20世纪70年代由于led器件在家庭与办公设备中的大量应用，led的价格直线下跌。事实上，led在那个时代

46、主打的是数字与文字显示技术领域。220世纪80年代早期重大技术突破是开发出了algaas led，它能以10lm/w的发光效率发出红光。这一技术进步使led能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯（chmsl）设备。31990年业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的alingap技术，这比当时标准的gaasp器件性能要高出10倍。1991年日本东芝公司和美国hp公司研制成in-gaalp 620nm橙色超高亮度led。1992年in-gaalp 590nm黄色超高亮度led达到实用化。同年，东芝公司研制的ingaa1p 573nm黄绿色超高亮度led的法向光强达2cd。1994年日本

47、日亚公司研制成ingan 450nm蓝（绿）色超高亮度led。至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的led都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示成为现实。1994年日本科学家中村修二在gan基片上研制出了第一只蓝色光二极管，由此引发了对gan基led研究和开发的热潮。19912001年期间今天，效率最高的led是用透明衬底alingap材料做的。在19912001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化led的光通量提高了将近30倍。20世纪90年代后期研制出通过蓝光激发yag荧光粉产生白光的led，但色泽不均匀，使用寿命

48、短，价格高。近年来随着技术的不断进步，白光led的发展相当迅速，其发光效率已经达到30lm/w，实验室研究成果可以达到60lm/w，大大超过白炽灯，并向荧光灯逼近。2.6 led的发展趋势总体来说，led的光通量越来越大，功率也越来越大，相应的发光效率、发光强度、发光亮度也越来越高，颜色越来越丰富。表2.6和表2.7分别列出了led光源和照明应用的发展趋势和发展目标。表2.6 led光源的发展趋势和发展目标1更高的发光效率真正体现led节能的优点30lm/w-60lm/w-100lm/w-200lm/w2更高的单灯光通量更快进入实际照明应用30lm-150lm-200lm-1000lm-150

49、0lm3更高的显色指数接近传统光源的显色性75-80-954更理想的光学结构配合照明应用的光学设计-5更好的光学特性光指向性、色温、显色性等-6更大的输入功率适应普通照明的要求1w-3w-5w-8w-10w7更低的热阻降低led本身的发热量20/w-15/w-10/w-20100100110光通量/lm/灯252001000150012003400输入功率/w/灯12.76.77.57540流明价格/美元/klm20020520.41.5灯的价格/美元/灯54580809575进入照明市场（替代）小光通量场合白炽幻荧光灯所有灯-2.7 led的基本结构led的基本结构是一块可以电致发光的半导体

50、材料pn结，固定在一个有引线的架子上，然后四周用新型材料如环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。led的核心部分是由p型半导体和n型半导体形成的pn结，如图2.6所示。图2.6 led的核心部分pn结在p型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。n型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当p型和n型半导体接触时，在界面附近空穴从p型半导体向n型半导体扩散，电子从n型半导体向p型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区。p

51、型半导体一边的空间电荷是负离子，n型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生一个内部电场，电场的方向是n区指向p区的，这电场阻止载流子进一步扩散，达到平衡，从而形成pn结，如图2.7所示。只有外部施加一个正向电场才能打破这种平衡，才能让pn结导通。图2.7 pn结的形成2.8 led的发光原理led的核心和实质是半导体pn结，通常是双异质结（同型异质结p-p或n-n和反型异质结p-n共同组成）。结与结之间是产生荧光的复合区，叫有源区。当pn结的p端和n端分别接外部电源的正极和负极，电流从p端流向n端，即向pn结正向注入电流，p区的空穴向和n区的电子在电场的作用下向中间的有源区做漂移

52、运动，结果电子与空穴在有源区复合，发出一定频率的光，从而把电能转换为光能，如图2.8所示。电荷的载流子即电子与空穴的复合过程可分为直接复合和间接复合两种情况。直接复合是指导带中的电子直接跃入价带与空穴复合，间接复合是指载流子通过晶体中的杂质或者缺陷所形成复合中心的复合。发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。现在的led能发出从紫外到红外不同颜色的光，光的强弱与电流的大小有关。通过led的正向电流越大则led的发光亮度越高，同时，电流的稳定性将影响led的发光稳定性。因此，实际中应采用可以提供精确稳定电流的led驱动恒流源。图2.8 led的发光原理对于照明来说，人们更

53、需要的是白色光源。目前生产白色led的技术有三种：一是利用三基色原理将目前已能生产的红、绿、蓝三种超高亮度led按光强1:2:0.38比例混合而成白色；二是利用超高亮度ingan蓝色led芯片，加上少许的忆铝石榴石为主体的荧光粉，它能在蓝光激发下产生黄绿光，而此黄绿光又可与透出的蓝光合成白光。目前ingan蓝光外延材料有二种衬底的产品，以a12o3蓝宝石为衬底的性能较好，价格较贵，而以sic为衬底的性能较差，价格较便宜；三是研制紫外光led，采用紫外光激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色混合而成的白光。2.9 led的工作特性（1）光谱特性led的发光光谱决定于pn结材料的能带结构。led发

54、光二极管发出的是由自发辐射产生的非相干光，而不是由受激辐射产生的相干光。它不像ld半导体激光器有谐振腔对波长进行选择，故其谱线较宽，谱线宽度在几十到上百微米。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。若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），说明半导体材料的eg应在3.261.63ev之间。图2.9和图2.10分别展示了单色光和白光的发光光谱。图2.9 单色led发光光谱图2.10 典型白光led与rgb led光谱的比较（2）功率特性普通led的工作电流一般在十到数十毫安，发射功率一般是几百微瓦到豪瓦量级。功率（p-i）特性曲线的线性区很宽，无阈值电流。在电流较大时，pn结发热，发光效率较低，出现饱和现象。如图2.11所示。图2.11