LED制造技术与应用1-1

1、第一篇 LED封装技术天津轻工职业技术学院天津轻工职业技术学院光伏发电技术及应用专业，电子信息与自动化学院LEDLED制造技术与应用制造技术与应用 沈沈 洁洁 情境一情境一 LED的认识的认识 LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种将电能转化为光能的固体器件。常见的Lamp LED的基本结构为：1.1 LED 发展简史 LED是继白炽灯、荧光灯和高强度放电灯之后的第四代新光源。光源自然光人造光源传统型电光源热致发光型放电发光型光致发光型电致发光型LED LED的发展主要经历了以下三个阶段：指示应用阶段信号显示阶段全彩照明阶段1.2 LED的发光原理LED的实质性

2、结构是半导体PN结，核心部分由P型半导体和N型半导体组成的晶片。在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。其发光过程可以用PN结的能带结构来做解释。半导体能级图 LED发光的颜色由半导体的种类决定，不同种类的半导体具有不同的禁带宽度Eg。电子、空穴复合释放的能量由禁带宽度Eg决定。1240nmEg要产生可见光（波长在380nm紫光 780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26 eV 1.63eV 之间，比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光等各种颜色的LED。1.3 LED的基本参数1.3.1 LED的电学参数的电学参数LED电压电流特性曲线1.正向电流IF、最

3、大正向电流IFmLED正向电流IF是指LED正常发光时的正向电流值；最大正向电流IFm是指允许加在LED两端的最大正向直流电流。LED电压电流特性曲线2正向电压VFVF是指通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。一般是在IF=20mA时测得的。LED电压电流特性曲线3反向漏电流IRIR是指LED器件处于反向偏置时的PN节漏电流。按照LED的常规规定，习惯指反向电压在5V时的反向漏电流。LED电压电流特性曲线4最大反向电压VRmVRm是指LED两端所允许加的最大反向电压。LED电压电流特性曲线5允许功耗PmPm是指允许加在LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此

4、值，LED发热，易损坏。1.3.2 LED的光学参数1LED的光波长（）LED的光波长决定了LED的发光颜色，是一个很重要的一项指标。此参数在LED生产和设计过程中相当重要，因为颜色不同，相关的参数也有很大的变化。目前LED的颜色主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、暖白、琥珀色等颜色。2光通量（F）光源在单位时间内发射出的光量称为光源的光通量，单位流明，即lm。光通量是人为量。因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。3发光强度（I）发光强度简称光度，指光源的明亮程度。是说从光源一个立体角（单位为Sr）所放射出来的

5、光通量，即光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度。单位是坎德拉，即cd。4LED光照度（E）光照度是受照平面上接受光通量的密度，可用每一单位面积的光通量来测量。单位：勒克斯，即lx。1流明的光通量均匀分布在1 平方米表面上所产生的光照度，即为1勒克斯。5发光亮度（L）亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：cd/ m2，也称尼特。6光效光效是光源效率的简称，是指光源发出的光通量除以光源的功率，即光源效率（Lm/W）= 流明（Lm）/ 耗电量（W）。它是衡量光源节能的重要指标，其数值越高表示光源的效率越高，也越为节能。1.3.3 LED的色度学参数1色温以绝对温度

6、K 来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时，颜色开始由深红浅红橙黄绿蓝，逐渐改变，当加热到与光源的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源的色温。2显色性光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度。1.3.4 LED的其他参数1发光角度二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制。根据角度的不同，一般分为三大类：（1） 高指向性。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。发光角度520或更小，具有很高的指向性，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。（2） 标准型。通常作指示灯用，其发光角度为2045。（3

7、） 散射型。这是视角较大的指示灯，发光角度为4590或更大，散射剂的量较大。2眩光视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。3结温结温就是半导体PN结的温度。4光衰光衰就是LED发光亮度的衰减，各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出标准的光衰曲线来。一般来讲结温越高光衰越快。5使用寿命LED的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义亮度衰减到初始亮度的30%的时间作为其寿命。1.4 LED光源的优点光源的优点1节能25W白炽灯5W节能灯3W白光LED灯泡单价（元）21250平均寿命（

8、小时）1500600050000使用5万小时所需灯泡数34915万小时耗电量（KWh）12503502505万小时总花费（元）813.8311195三种亮度相同的光源2. 环保（1）LED是环保性能最好的光源。用于照明的LED光谱中，没有多余的紫外线和红外线，不含汞等有害物质。（2）在运输、包装和使用中不会破碎，废弃物可回收，无污染，是一种绿色光源。3. 发光效率高灯的种类光效电源效率光照效率灯具效率寿命实际光效白炽灯、卤钨灯1224lm/W60%60%1800h7.2lm/W荧光灯5080 lm/W65%60%60%1800h18.72lm/W高压钠灯90140 lm/W50%55%51%6

9、000h14lm/WLED7080 lm/W95%85%90%5w10wh58.14lm/W几种光源的光效比较4体积小、重量轻，便于集成、组合易于设计轻、薄、小的产品，比如LED灯具与LED平板电视屏，固体发光管；而且能更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。5使用寿命长，坚固耐用 （1） 单只LED的使用寿命为5万10万小时，因为LED是半导体器件，即使是频繁的开关，也不会影响到使用寿命。 （2）采用环氧树脂封装，耐震动、耐冲击，没有玻璃与灯泡等易损易烧部件。6单色性好，色彩鲜艳丰富7. 发光指向性强8. 响应速度快9. 无闪烁、无紫外线10. 亮度可调性好11. 采用直流供电，安全

10、稳定1.5 LED的常见分类的常见分类1.5.1 按发光颜色分类按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。1.5.2 按出光面特征分类按发光管出光面特征分圆灯、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、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。1.5.3 按发光强度角分类1. 高指向性。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。半值角为520或更小，具有很高的指向性，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。2. 标准型。通常作指示灯用，其半

11、值角为2045。3. 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。1.5.4 按发光二极管的结构分类按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。1.5.5 按发光强度和工作电流分类按发光强度和工作电流分有发光强度小于10mcd的普通亮度LED；发光强度在10100mcd间的称为高亮度LED；达到或超过100mcd 的称超高亮度LED。1.5.6 按封装形式分类LED按封装形式分类主要有引脚式封装（Lamp LED）、平面式封装（Flat LED）、贴片式封装（SMD LED）、大功率型封装（High-power LED）、Fl

12、ip Chip 封装等LED产品。1.6 LED的应用的应用LED的应用很广，括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为信息显示、交通、汽车用灯、背光源、照明等五大领域。1.6.1 信息显示1.6.2 交通领域1.6.3 汽车用灯1.6.4 背光源1.6.5 半导体照明1.7 LED的产业链上游：制造LED的原材料，外延片的制备等。中游：LED芯片制造。下游：LED封装及产品应用。2. LED产业现状LED经过几十年的发展，从目前的技术发展现状看，日本和美国最具有技术实力，德国Osram公司在某些领域拥有世界领先技术。全球的LED市场份额如下图思考题：1-在LED的发展历史中，随着

13、发光效率的增加，其用途越来越广泛。请试分析，LED的发光效率和其它点光源相比，有什么优势？有什么劣势？ 2-在LED发光原理中，其发出的光子波长和其禁带宽度有关。请试分析，如果一颗LED发出的光是620nm的红光，那么，其禁带宽度是多少？ 3-在LED的光学参数中，涉及到光谱，光效，光通量，光强，亮度，照度等，请试分析，这几个参数之间的联系与影响。 4-LED光源的优点在于节能，环保等，请试分析，随着时间推移，社会发展，LED的哪一个优点在未来会越来越突出。 5-在LED的分类中，我们介绍了几种分类方法，试分析这些分类的区别与联系。 6-在LED的应用中，请查找资料，试分析现在这些应用的普及情

14、况及发展趋势。 7-在LED的产业链中，试分析上中下游行业的进入门槛及发展趋势。 无论何种LED产品，都需要针对不同用途和结构类型设计出合理的封装形式。LED只有经过封装才能成为终端产品，才能投入实际应用，因此，对LED而言，封装前的设计和封装过程的质量控制尤为重要。1.8 LED封装知识封装知识1.8.1 为什么要对LED进行封装 LED封装是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能。 LED封装的功能主要包括：机械保护，以提高可靠性；加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能；光学控制，提高出光效率，优化光束分布；供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制。1.8.2 LED封装材

15、料的要求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。在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。1.8.3 LED封装环境的要求1 LED封装工艺环境封装工艺环境1. 净化要求2. 温湿度要求3.防静电要求2 LED封装过程中的安全防护（1）. LED封装安全性的认识LED在生产、测试、存储、运输及装配过程中，仪器设备、材料和操作人员都很容易因摩擦而产生几千伏的静电电压。（2）. LED封装防静电规程设法不使静电产生,对已产生的静电，应尽量限制，使其达不到危险的程度。使产生的电荷尽快泄漏或中和，从而消除电荷的大量积聚。常用的静电测量、测试、消除设备1.8.4 Lamp-LED封装 Lamp-LED早期出现的是直插LED，它的封装采用灌封的形式。直插式Lamp LED的封装结构1. 支架2. 芯片3. 金线和铝线4. 反光杯5. 环氧树脂或硅胶透镜1.8