發光二極體

發光二極體

發光二極體簡稱為LED。由鎵(Ga)與砷(As)、磷(P)、氮(N)、銦(In)的化合物製成的二極體,當電子與空穴複合時能輻射出可見光,因而可以用來製成發光二極體。在電路及儀器中作為指示燈,或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極體發紅光,磷化鎵二極體發綠光,碳化矽二極體發黃光,銦鎵氮二極體發藍光。當給發光二極體加上正向電壓後,從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子,在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴複合,產生自發輻射的螢光。砷化鎵二極體發紅光,磷化鎵二極體發綠光,碳化矽二極體發黃光,氮化鎵二極體發藍光。因化學性質又分有機發光二極體OLED和無機發光二極體LED。 據《中國LED照明產業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告前瞻》數據顯示,2009年,全球LED路燈裝置數量約250萬盞,滲透率達到1%,2010年,全球LED路燈可達到450萬盞,滲透率達到2%以上。報告預測全球LED路燈市場在2010年後將呈高速增長,2009至2013年複合增長率高達97.75%,至2013年,全球LED路燈市場規模達到21.59億美元。

基本信息

原理

LED晶片的發展LED晶片的發展

它是半導體二極體的一種,可以把電能轉化成光能。發光二極體與普通二極

管一樣是由一個PN結組成,也具有單嚮導電性。當給發光二極體加上正向電壓後,從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子,在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴複合,產生自發輻射的螢光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴複合時釋放出的能量多少不同,釋放出的能量越多,則發出的光的波長越短。常用的是發紅光、綠光或黃光的二極體。發光二極體的反向擊穿電壓大於5伏。它的正向伏安特性曲線很陡,使用時必須串聯限流電阻以控制通過二極體的電流。限流電阻R可用下式計算:

R=(E-UF)/IF

式中E為電源電壓,UF為LED的正向壓降,IF為LED的正常工作電流。發光二極體的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片,在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層,稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中,注入的少數載流子與多數載流子複合時會把多餘的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓,少數載流子難以注入,故不發光。這種利用注入式電致發光原理製作的二極體叫發光二極體,通稱LED。 當它處於正向工作狀態時(即兩端加上正向電壓),電流從LED陽極流向陰極時,半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強弱與電流有關。

以下是傳統發光二極體所使用的無機半導體物料和所它們發光的顏色

LED材料 材料化學式 顏色
鋁砷化鎵 砷化鎵 砷化鎵磷化物磷化銦鎵 鋁磷化鎵(摻雜氧化鋅 ) AlGaAs GaAsP AlGaInP GaP:ZnO 紅色及紅外線
鋁磷化鎵 銦氮化鎵/氮化鎵 磷化鎵 磷化銦鎵鋁 鋁磷化鎵 InGaN/GaN GaP AlGaInP AlGaP 綠色
磷化鋁銦 鎵砷化鎵 磷化物 磷化銦鎵鋁 磷化鎵 GaAsPAlGaInP AlGaInP GaP 高亮度的橘紅色,橙色,黃色,綠色
磷砷化鎵 GaAsP 紅色,橘紅色,黃色
磷化鎵 硒化鋅 銦氮化鎵 碳化矽 GaP ZnSe InGaN SiC 紅色,黃色,綠色
氮化鎵(GaN) 綠色,翠綠色,藍色
銦氮化鎵 InGaN 近紫外線,藍綠色,藍色
碳化矽(用作襯底) SiC 藍色
矽(用作襯底) Si 藍色
藍寶石(用作襯底) Al2O3 藍色
硒化鋅 ZnSe 藍色
鑽石 C
紫外線
氮化鋁,氮化鋁鎵 AlN AlGaN 波長為遠至近的紫外線

白光LED

發光二極體發光二極體

1993年,當時在日本Nichia Corporation(日亞化工)工作的中村修二(Shuji Naka

mura)發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵(GaN)和銦氮化稼(InGaN)的具有商業套用價值的藍光LED,這類LED在1990 年代後期得到廣泛套用。理論上藍光LED結合原有的紅光LED和綠光LED可產生白光,但白光LED卻很少是這樣造出來的。

現時生產的白光LED大部分是通過在藍光LED(near-UV,波長450nm至470nm)上復蓋一層淡黃色螢光粉塗層製成的,這種黃色磷光體通常是通過把摻了鈰的釔鋁石榴石(Ce3+:YAG)晶體磨成粉末後混和在一種稠密的黏合劑中而製成的。當LED晶片發出藍光,部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個光譜較寬(光譜中心約為580nm)的主要為黃色的光。(實際上單晶的摻Ce的YAG被視為閃爍器多於磷光體。)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受體,再混合LED本身的藍光,使它看起來就像白色光,而其的色澤常被稱作“月光的白色”。這種製作白光LED的方法是由Nichia Corporation所開發並從1996年開始用在生產白光LED上。若要調校淡黃色光的顏色,可用其它稀土金屬鋱或釓取代Ce3+:YAG中摻入的鈰(Ce),甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的方式做到。而基於其光譜的特性,紅色和綠色的對象在這種LED照射下看起來會不及闊譜光源照射時那么鮮明。另外由於生產條件的變異,這種LED的成品的色溫並不統一,從暖黃色的到冷的藍色都有,所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。

發光二極體發光二極體

另一個製作的白光LED的方法則有點像日光燈,發出近紫外光的LED會被塗上兩種磷光體的混合物,一種是發紅光和藍光的銪,另一種是發綠光的,摻雜了硫化鋅(ZnS)的銅和鋁。但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂裂化變質,所以生產難度較高,而壽命亦較短。與第一種方法比較,它效率較低而產生較多熱(因為StokesShift前者較大),但好處是光譜的特性較佳,產生的光比較好看。而由於紫外光的LED功率較高,所以其效率雖比較第一種方法低,出來的亮度卻相若。

最新一種製造白光LED的方法沒再用上磷光體。新的做法是在硒化鋅(ZnSe)基板上生長硒化鋅的磊晶層。通電時其活躍地帶會發出藍光而基板會發黃光,混合起來便是白色光。

極性

發光二極體的兩根引線中較長的一根為正極,應接電源正極。有的發光二極體的兩根引線一樣長,但管殼上有一凸起的小舌,靠近小舌的引線是正極。

LED單嚮導通性

LED只能往一個方嚮導通(通電),叫作正向偏置(正向偏壓),當電流流過時,電子與空穴在其內複合而發出單色光,這叫電致發光效應,而光線的波長、顏色跟其所採用的半導體材料種類與摻入的元素雜質有關。具有效率高、壽命長、不易破損、開關速度高、高可靠性等傳統光源不及的優點。白光LED的發光效率,在近幾年來已經有明顯的提升,同時,在每千流明的購入價格上,也因為投入市場的廠商相互競爭的影響,而明顯下降。雖然越來越多人使用LED照明作辦公室、家具、裝飾、招牌甚至路燈用途,但在技術上,LED在光電轉換效率(有效照度對用電量的比值)上仍然低於新型的螢光燈,是國家以後發展民用的去向。

特性

發光二極體發光二極體

與白熾燈泡和氖燈相比,發光二極體的特點是:工作電壓很低(有的僅一點幾伏);工作電流很小(有的僅零點幾毫安即可發光);抗衝擊和抗震性能好,可靠性高,壽命長;通過調製通過的電流強弱可以方便地調製發光的強弱。由於有這些特點,發光二極體在一些光電控制設備中用作光源,在許多電子設備中用作信號顯示器。把它的管心做成條狀,用7條條狀的發光管組成7段式半導體數碼管,每個數碼管可顯示0~9,10個阿拉伯數字以及A,B,C,D,E,F等部分字母(必須區分大小寫)。

參數

LED的光學參數中重要的幾個方面就是:光通量、發光效率、發光強度、光強分布、波長。

發光效率和光通量

發光效率就是光通量與電功率之比,單位一般為lm/W。發光效率代表了光源的節能特性,這是衡量現代光源性能的一個重要指標。

發光強度和光強分布

LED發光強度是表征它在某個方向上的發光強弱,由於LED在不同的空間角度光強相差很多,隨之而來我們研究了LED的光強分布特性。這個參數實際意義很大,直接影響到LED顯示裝置的最小觀察角度。比如體育場館的LED大型彩色顯示屏,如果選用的LED單管分布範圍很窄,那么面對顯示屏處於較大角度的觀眾將看到失真的圖像。而且交通標誌燈也要求較大範圍的人能識別。

波長

對於LED的光譜特性我們主要看它的單色性是否優良,而且要注意到紅、黃、藍、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。因為在許多場合下,比如交通信號燈對顏色就要求比較嚴格,不過據觀察我國的一些LED信號燈中綠色發藍,紅色的為深紅,從這個現象來看我們對LED的光譜特性進行專門研究是非常必要而且很有意義的。

發展

發展史

發光二極體(英語:Light-Emitting Diode,簡稱LED) 是一種能將電能轉化為光能的半導體電子元件。這種電子元件早在1962年出現,早期只能發出低光度的紅光,之後發展出其他單色光的版本,時至今日能發出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線,光度也提高到相當的光度。而用途也由初時作為指示燈、顯示板等;隨著技術的不斷進步,發光二極體已被廣泛的套用於顯示器、電視機採光裝飾和照明。

行業趨勢

據《2013-2017年中國LED照明產業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》分析認為,LED照明市場一直被認為是LED最重要、最具發展前景的套用。總體來看,巨觀環境對於LED照明套用的發展非常有利,主要表現為:1)節能減排成為全球關注的議題並得到積極推進;2)傳統光源技術成長緩慢,面臨發展瓶頸;3)LED照明技術進步與成本不斷降低,長期市場障礙已不大。

數據顯示,2009年,全球LED路燈裝置數量約250萬盞,滲透率達到1%,2010年,全球LED路燈可達到450萬盞,滲透率達到2%以上。報告預測全球LED路燈市場在2010年後將呈高速增長,2009至2013年複合增長率高達97.75%,至2013年,全球LED路燈市場規模達到21.59億美元。

前瞻網LED照明行業研究小組分析認為,受“十城萬盞”政策的推動,我國LED路燈市場將保持持續增長,至2013年我國LED路燈市場規模預計達到86.63億元,占到全球市場規模的五成左右,成為全球最重要的LED路燈市場之一。

隨著行業的繼續發展,技術的飛躍突破,套用的大力推廣,LED的光效也在不斷提高,價格不斷走低。新的組合式管芯的出現,也讓單個LED管(模組)的功率不斷提高。通過同業的不斷努力研發,新型光學設計的突破,新燈種的開發,產品單一的局面也有望在進一步扭轉。控制軟體的改進,也使得LED照明使用更加便利。這些逐步的改變,都體現出了LED發光二極體在照明套用的前景廣闊。

LED被稱為第四代光源,具有節能、環保、安全、壽命長、低功耗、低熱、高亮度、防水、微型、防震、易調光、光束集中、維護簡便等特點,可以廣泛套用於各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明等領域。

LED優點:電光轉化效率高(接近60%,綠色環保、壽命長(可達10萬小時)、工作電壓低(3V左右)、反覆開關無損壽命、體積小、發熱少、亮度高、堅固耐用、易於調光、色彩多樣、光束集中穩定、啟動無延時;

LED缺點:起始成本高、顯色性差、大功率LED效率低、恆流驅動(需專用驅動電路)。 相比之下,各種傳統照明存在一定的缺陷。

白熾燈:電光轉化效率低(10%左右)、壽命短(1000小時左右)、發熱溫度高、顏色單一且色溫低;

螢光燈:電光轉化效率不高(30%左右)、危害環境(含汞等有害元素,約3.5-5mg/只)、不可調亮度(低電壓無法啟輝發光)、紫外輻射、閃爍現象、啟動較慢、稀土原料漲價(螢光粉占成本比重由10%上升到60~70%)、反覆開關影響壽命;體積大。

高壓氣體放電燈:耗電量大、使用不安全、壽命短、散熱問題,多用於室外照明

現狀

20世紀90年代LED技術的長足進步,不僅是發光效率超過了白熾燈,光強達到了燭光級,而且顏色也從紅色到藍色復蓋了整個可見光譜範圍,這種從指示燈水平到超過通用光源水平的技術革命導致各種新的套用,諸如汽車信號燈、交通信號燈、室外全色大型顯示屏以及特殊的照明光源

發光二極體套用情況:

隨著發光二極體高亮度化和多色化的進展,套用領域也不斷擴展.從下邊較低光通量的指示燈到顯示屏,再從室外顯示屏到中等光通量功率信號燈和特殊照明的白光光源,最後發展到右上角的高光通量通用照明光源.2000年是時間的分界線.在2000年已解決所有顏色的信號顯示問題和燈飾問題,並已開始低、中光通量的特殊照明套用,而作為通用照明的高光通量白光照明套用,似乎還有待時日,需將光通量進一步大幅度提高方能實現.當然,這也是個過程,會隨亮度提高和價格下降而逐步實現.

1. LED顯示屏

自20世紀80年代中期,就有單色和多色顯示屏問世,起初是文字屏或動畫屏.90年代初,電子計算機技術和積體電路技術的發展,使得LED顯示屏的視頻技術得以實現,電視圖像直接上屏,特別是90年代中期,藍色和綠色超高亮度LED研製成功並迅速投產,使室外屏的套用大大擴展,面積在100—300m不等.目前LED顯示屏在體育場館、廣場、會場甚至街道、商場都已廣泛套用,美國時代廣場上的納斯達克全彩屏最為聞名,該屏面積為120英尺×90英尺,相當於1005m,由1900萬隻超高亮藍、綠、紅色LED製成.此外,在證券行情屏、銀行匯率屏、利率屏等方面套用也占較大比例,近期在高速公路、高架道路的信息屏方面也有較大的發展.發光二極體在這一領域的套用已成規模,形成新興產業,且可期望有較穩定的增長

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2. 交通信號燈

航標燈採用LED作光源已有多年,目前的工作是改進和完善.道路交通信號燈近幾年來取得了長足的進步,技術發展較快,套用發展迅猛,我國目前每年有四萬套左右的訂單,而美國加州在去年一年內就用LED交通信號燈更換了五萬套傳統光源的信號燈,根據使用效果看,壽命長、省電和免維護效果是明顯的.目前採用LED的發光峰值波長是紅色630nm,黃色590nm,綠色505nm.應該注意的問題是驅動電流不應過大,否則夏天陽光下的高溫條件將會影響LED的壽命

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最近,套用于飛機場作為標燈、投光燈和全向燈的LED機場專用信號燈也已獲成功並投入使用,多方反映效果很好.它具有自主智慧財產權,獲準兩項專利,可靠性好,節省用電,免維護,可推廣套用到各種機場,替代已沿用幾十年的舊信號燈,不僅亮度高,而且由於LED光色純度好,特別鮮明,易於信號識別

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鐵路用的信號燈由於品種系列較多,要求光強和視角也各不相同,目前正加緊研製中,估計會逐步研製成功並陸續投入套用,從數量看,也是一個頗大的市場

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3.汽車用燈

超高亮LED可以做成汽車的剎車燈、尾燈和方向燈,也可用於儀表照明和車內照明,它在耐震動、省電及長壽命方面比白熾燈有明顯的優勢.用作剎車燈,它的回響時間為60ns,比白熾燈的140ms要短許多,在典型的高速公路上行駛,會增加4—6m的安全距離

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4.液晶屏背光源

LED作為液晶顯示的背光源,它不僅可作為綠色、紅色、藍色、白色,還可以作為變色背光源,已有許多產品進入生產及套用階段.最近,手機上液晶顯示屏用LED製作背光源,提升了產品的檔次,效果很好.採用8個藍色、24個綠色、32個紅色LuxeonLED製成的15in(1in≈2.5cm)液晶屏的背光源,可達到120W,2500 lm,亮度18000nits(尼特,cd/m2).22液晶屏背光源也已製成,僅為6mm厚,不但混色效果好,顯色指數也達到80以上.目前大型背光源雖處於開發階段,但潛力很大

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5.燈飾

由於發光二極體亮度的提高和價格的下降,再加上長壽命、節電,驅動和控制較霓虹燈簡易,不僅能閃爍,還能變色,所以用超高亮度LED做成的單色、多色乃至變色的發光柱配以其他形狀的各色發光單元,裝飾高大建築物、橋樑、街道及廣場等景觀工程效果很好,呈現一派色彩繽紛、星光閃爍及流光異彩的景象.已有不少單位生產LED光柱達萬米以上,彩燈幾萬個,目前正逐步推廣,估計會逐步擴大單獨形成一種產業

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6.照明光源

作為照明光源的LED光源應是白光,白光LED光源分類如表3,目前作為軍用的白光LED照明燈具,已有一些品種投入批量生產.由於LED光源無紅外輻射,便於隱蔽,再加上它還具有耐振動、適合於蓄電池供電、結構固體化及攜帶方便等優點,將在特殊照明光源方面會有較大發展.作為民間使用的草坪燈、埋地燈已有規模生產,也有用作顯微鏡視場照明、手電、外科醫生的頭燈、博物館或畫展的照明以及閱讀檯燈.隨著光通量的提高和價格的下降,套用面將逐步拓展,以完成特殊照明向通用照明的過渡,估計2005—2010年會進入通用照明領域

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分類

發光二極體發光二極體

發光二極體還可分為普通單色發光二極體、高亮度發光二極體、超高亮度發光

二極體、變色發光二極體、閃爍發光二極體、電壓控制型發光二極體、紅外發光二極體和負阻發光二極體等。

LED的控制模式有恆流和恆壓兩種,有多種調光方式,比如模擬調光和PWM調光,大多數的LED都採用的是恆流控制,這樣可以保持LED電流的穩定,不易受VF的變化,可以延長LED燈具的使用壽命。

普通單色發光二極體

普通單色發光二極體具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發光均勻穩定、回響速度快、壽命長等優點,可用各種直流、交流、脈衝等電源驅動點亮。它屬於電流控制型半導體器件,使用時需串接合適的限流電阻。

發光二極體發光二極體

普通單色發光二極體的發光顏色與發光的波長有關,而發光的波長又取決於制

造發光二極體所用的半導體材料。紅色發光二極體的波長一般為650~700nm,琥珀色發光二極體的波長一般為630~650 nm ,橙色發光二極體的波長一般為610~630 nm左右,黃色發光二極體的波長一般為585 nm左右,綠色發光二極體的波長一般為555~570 nm。 常用的國產普通單色發光二極體有BT(廠標型號)系列、FG(部標型號)系列和2EF系列,見表4-26、表4-27和表4-28。

常用的進口普通單色發光二極體有SLR系列和SLC系列等。

高亮度單色發光二極體

高亮度單色發光二極體和超高亮度單色發光二極體使用的半導體材料與普通單色發光二極體不同,所以發光的強度也不同。

通常,高亮度單色發光二極體使用砷鋁化鎵(GaAlAs)等材料,超高亮度單色發光二極體使用磷銦砷化鎵(GaAsInP)等材料,而普通單色發光二極體使用磷化鎵(GaP)或磷砷化鎵(GaAsP)等材料。

常用的高亮度紅色發光二極體的主要參數見表4-29,常用的超高亮度單色發光二極體的主要參數見表4-30。

變色發光二極體

變色發光二極體是能變換髮光顏色的發光二極體。變色發光二極體發光顏色種類可分為雙色發光二極體、三色發光二極體和多色(有紅、藍、綠、白四種顏色)發光二極體。

變色發光二極體按引腳數量可分為二端變色發光二極體、三端變色發光二極體、四端變色發光二極體和六端變色發光二極體。

常用的雙色發光二極體有2EF系列和TB系列,常用的三色發光二極體有2EF302、2EF312、2EF322等型號。

閃爍發光二極體

閃爍發光二極體(BTS)是一種由CMOS積體電路和發光二極體組成的特殊發光器件,可用於報警指示及欠壓、超壓指示。

閃爍發光二極體在使用時,無須外接其它元件,只要在其引腳兩端加上適當的直流工作電壓(5V)即可閃爍發光。

電壓控制型發光二極體

LEDLED

普通發光二極體屬於電流控制型器件,在使用時需串接適當阻值的限流電阻。電壓控制型發光二極體(BTV)是將發光二極體和限流電阻集成製作為一體,使用時可直接並接在電源兩端。使普通紅光發光二極體

電壓可以工作在3伏-10伏如YX503URC,YX304URC,YX503BRC電壓型LED發光二極體,為工程技術開發人員提供更大的選擇。

紅外發光二極體

紅外發光二極體也稱紅外線發射二極體,它是可以將電能直接轉換成紅外光(不可見光)並能輻射出去的發光器件,主要套用於各種光控及遙控發射電路中。

紅外發光二極體的結構、原理與普通發光二極體相近,只是使用的半導體材料不同。紅外發光二極體通常使用砷化鎵(GaAs)、砷鋁化鎵(GaAlAs)等材料,採用全透明或淺藍色、黑色的樹脂封裝。

常用的紅外發光二極體有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等。

電池LED燈

iViTi On,有一個可令它發光最長3小時的內置電池。有電時,電池充電,而且燈泡正常發光。停電時,燈泡自動切換到電池模式。

生產

材料

LED五大原物料分別是指:晶片,支架,銀膠,金線,環氧樹脂

晶片

晶片的構成:由金墊,P極,N極,PN結,背金層構成(雙pad晶片無背金層)。晶片是由P層半導體元素,N層半導體元素靠電子移動而重新排列組合成的PN結合體。也正是這種變化使晶片能夠處於一個相對穩定的狀態。在晶片被一定的電壓施加正向電極時,正向P區的空穴則會源源不斷的游向N區,N區的電子則會相對於孔穴向P區運動。在電子,空穴相對移動的同時,電子空穴互相結對,激發出光子,產生光能。主要分類,表面發光型: 光線大部分從晶片表面發出。五面發光型: 表面,側面都有較多的光線射出按發光顏色分,紅,橙,黃,黃綠,純綠,標準綠,藍綠, 藍。

支架

支架的結構1層是鐵,2層鍍銅(導電性好,散熱快),3層鍍鎳(防氧化),4層鍍銀(反光性好,易焊線)

銀膠(因種類較多,我們依H20E為例)

也叫白膠,乳白色,導通粘合作用(烘烤溫度為:100°C/1.5H)銀粉(導電,散熱,固定晶片)+環氧樹脂(固化銀粉)+稀釋劑(易於攪拌)。儲藏條件:銀膠的製造商一般將銀膠以-40 °C 儲藏,套用單位一般將銀膠以-5 °C 儲藏。單劑為25 °C/1年(乾燥,通風的地方),混合劑25 °C/72小時(但在上線作業時因其他的因素“溫濕度、通風的條件”,為保證產品的質量一般的混合劑使用時間為4小時)

烘烤條件:150 °C/1.5H

攪拌條件:順一個方向均勻攪拌15分鐘

金線(依φ1.0mil為例)

LED所用到的金線有φ1.0mil、 φ1.2mil,金線的材質,LED用金線的材質一般含金量為99.9%,金線的用途

利用其含金量高材質較軟、易變形且導電性好、散熱性好的特性,讓晶片與支架間形成一閉合電路。

環氧樹脂(以EP400為例)

組成:A、B兩組劑份:

A膠:是主劑,由環氧樹脂+消泡劑+耐熱劑+稀釋劑

B劑:是固化劑,由酸酣+離模劑+促進劑

使用條件:

混合比:A/B=100/100(重量比)

混合粘度:500-700CPS/30 °C

膠化時間:120 °C*12分鐘或110 °C*18分鐘

可使用條件:室溫25 °C約6小時。一般根據產線的生產需要,我們將它的使用條件定為2小時。

硬化條件:初期硬化110 °C-140 °C 25 - 40分鐘

後期硬化100 °C*6-10小時(可視實際需要做機動性調整)

工藝

晶片檢驗

鏡檢:材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑lockhill晶片尺寸及電極大小是否符合工藝要求電極圖案是否完整。

LED擴片

由於LED晶片在劃片後依然排列緊密間距很小(約0.1mm),不利於後工序的操作。採用擴片機對黏結晶片的膜進行擴張,使LED晶片的間距拉伸到約0.6mm。也可以採用手工擴張,但很容易造成晶片掉落浪費等不良問題。

LED點膠

在LED支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。對於GaAs、SiC導電襯底,具有背面電極的紅光、黃光、黃綠晶片,採用銀膠。對於藍寶石絕緣襯底的藍光、綠光LED晶片,採用絕緣膠來固定晶片。

工藝難點在於點膠量的控制,在膠體高度、點膠位置均有詳細的工藝要求。由於銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴格的要求,提醒:銀膠的醒料、攪拌、使用時間都是工藝上必須注意的事項。

LED備膠

和點膠相反,備膠是用備膠機先把銀膠塗在LED背面電極上,然後把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。備膠的效率遠高於點膠,但不是所有產品均適用備膠工藝。

LED手工刺片

將擴張後LED晶片(備膠或未備膠)安置在刺片台的夾具上,LED支架放在夾具底下,在顯微鏡下用針將LED晶片一個一個刺到相應的位置上。手工刺片和自動裝架相比有一個好處,便於隨時更換不同的晶片,適用於需要安裝多種晶片的產品。

LED自動裝架

自動裝架其實是結合了沾膠(點膠)和安裝晶片兩大步驟,先在LED支架上點上銀膠(絕緣膠),然後用真空吸嘴將LED晶片吸起移動位置,再安置在相應的支架位置上。自動裝架在工藝上主要要熟悉設備操作編程,同時對設備的沾膠及安裝精度進行調整。在吸嘴的選用上儘量選用膠木吸嘴,防止對LED晶片表面的損傷,特別是藍、綠色晶片必須用膠木的。因為鋼嘴會劃傷晶片表面的電流擴散層。

LED燒結

燒結的目的是使銀膠固化,燒結要求對溫度進行監控,防止批次性不良。銀膠燒結的溫度一般控制在150℃,燒結時間2小時。根據實際情況可以調整到170℃,1小時。絕緣膠一般150℃,1小時。

銀膠燒結烘箱的必須按工藝要求隔2小時(或1小時)打開更換燒結的產品,中間不得隨意打開。燒結烘箱不得再其他用途,防止污染。

LED壓焊

壓焊的目的是將電極引到LED晶片上,完成產品內外引線的連線工作。

LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。鋁絲壓焊的過程為先在LED晶片電極上壓上第一點,再將鋁絲拉到相應的支架上方,壓上第二點後扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點前先燒個球,其餘過程類似。

壓焊是LED封裝技術中的關鍵環節,工藝上主要需要監控的是壓焊金絲(鋁絲)拱絲形狀,焊點形狀,拉力。

LED封膠

LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種。基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點。設計上主要是對材料的選型,選用結合良好的環氧和支架。(一般的LED無法通過氣密性試驗)。

LED點膠 TOP-LED和Side-LED適用點膠封裝。手動點膠封裝對操作水平要求很高(特別是白光LED),主要難點是對點膠量的控制,因為環氧在使用過程中會變稠。白光LED的點膠還存在螢光粉沉澱導致出光色差的問題。

LED灌膠封裝 Lamp-LED的封裝採用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型模腔內注入液態環氧,然後插入壓焊好的LED支架,放入烘箱讓環氧固化後,將LED從模腔中脫出即成型。

LED模壓封裝 將壓焊好的LED支架放入模具中,將上下兩副模具用液壓機合模並抽真空,將固態環氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中,環氧順著膠道進入各個LED成型槽中並固化。

LED固化與後固化

固化是指封裝環氧的固化,一般環氧固化條件在135℃,1小時。模壓封裝一般在150℃,4分鐘。後固化是為了讓環氧充分固化,同時對LED進行熱老化。後固化對於提高環氧與支架(PCB)的粘接強度非常重要。一般條件為120℃,4小時。

LED切筋和劃片

由於LED在生產中是連在一起的(不是單個),Lamp封裝LED採用切筋切斷LED支架的連筋。SMD-LED則是在一片PCB板上,需要劃片機來完成分離工作。

LED測試

測試LED的光電參數、檢驗外形尺寸,同時根據客戶要求對LED產品進行分選。

特點

電壓

發光二極體發光二極體

LED使用低壓電源,供電電壓在直流3-24V之間,根據產品不同而異,也有少數DC36V、DC40V等,所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源,特別適用於公共場所。

效能

消耗能量較同光效的白熾燈減少80%左右,較節能燈減少40%左右。

適用性

體積很小,每個單元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以製備成各種形狀的器件,並且適合於易變的環境

穩定性

10萬小時,光衰為初始的50%

回響時間

其白熾燈的回響時間為毫秒級,LED燈的回響時間為納秒級

環境污染

不含有害金屬汞等

顏色

發光二極體方便地通過化學修飾方法,調整材料的能帶結構和禁頻寬度,實現紅黃綠藍橙多色發光。紅光管工作電壓較小,顏色不同的紅、橙、黃、綠、藍的發光二極體的工作電壓依次升高。

價格

LED的價格越來越平民化,因LED省電的特性,也許不久的將來,人們都會把白熾燈換成LED燈。我國部分城市公路、學校、廠區等場所已換裝完LED路燈、節能燈等。

種類發展

最早套用半導體P-N結髮光原理製成的LED光源問世於20世紀60年代初。當時所用的材料是GaAsP,發紅光(λp=650nm),在驅動電流為20毫安時,光通量只有千分之幾個流明,相應的發光效率約0.1流明/瓦。

70年代中期,引入元素In和N,使LED產生綠光(λp=555nm),黃光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm),光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初,出現了GaAlAs的LED光源,使得紅色LED的光效達到10流明/瓦。

90年代初,發紅光、黃光的GaAlInP和發綠、藍光的GaInN兩種新材料的開發成功,使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年,前者做成的LED在紅、橙區(λp=615nm)的光效達到100流明/瓦,而後者製成的LED在綠色區域(λp=530nm)的光效可以達到50流明/瓦。

發光二極體發光二極體

單色光LED的套用

最初LED用作儀器儀表的指示光源,後來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛套用,產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例,在美國本來是採用長壽命,低光效的140瓦白熾燈作為光源,它產生2000流明的白光。經紅色濾光片後,光損失90%,只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中,Lumileds公司採用了18個紅色LED光源,包括電路損失在內,共耗電14瓦,即可產生同樣的光效。

汽車信號燈也是LED光源套用的重要領域。1987年,我國開始在汽車上安裝高位剎車燈,由於LED回響速度快(納秒級),可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況,減少汽車追尾事故的發生。

另外,LED燈在室外紅、綠、藍全彩顯示屏,匙扣式微型電筒等領域都得到了套用。

光衰原因

導致LED光衰主要有以下因素。

一、LED產品本身品質問題:

1、採用的LED晶片體質不好,亮度衰減較快。

2、生產工藝存在缺陷,LED晶片散熱不能良好的從PIN腳導出,導致LED晶片溫度過高使晶片衰減加劇。

二、使用條件問題:

1、LED為恆流驅動,有部分LED採用電壓驅動原因使LED衰減過快。

2、驅動電流大於額定驅動條件。

三個影響LED燈具質量光衰的因素

首先,選擇什麼樣的LED白燈;

其次,LED燈珠工作環境溫度;

再次,LED燈珠的工作電性參數設計。

測量

一般檢測

普通發光二極體的檢測

(1)用萬用表檢測。利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發光二極體的好壞。正常時,二極體正向電阻阻值為幾十至200kΩ,反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或為∞,反向電阻值很小或為0,則易損壞。這種檢測方法,不能實質地看到發光管的發光情況,因為×10kΩ擋不能向LED提供較大正向電流。

如果有兩塊指針萬用表(最好同型號)可以較好地檢查發光二極體的發光情況。用一根導線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連線。餘下的“-”筆接被測發光管的正極(P區),餘下的“+”筆接被測發光管的負極(N區)。兩塊萬用表均置×10kΩ擋。正常情況下,接通後就能正常發光。若亮度很低,甚至不發光,可將兩塊萬用表均撥至×1mΩ若,若仍很暗,甚至不發光,則說明該發光二極體性能不良或損壞。應注意,不能一開始測量就將兩塊萬用表置於×1mΩ,以免電流過大,損壞發光二極體。

(2)外接電源測量。用3V穩壓源或兩節串聯的乾電池及萬用表(指針式或數字式皆可)可以較準確測量發光二極體的光、電特性。為此可按圖10所示連線電路即可。如果測得VF在1.4~3V之間,且發光亮度正常,可以說明發光正常。如果測得VF=0或VF≈3V,且不發光,說明發光管已壞。

紅外發光二極體的檢測

由於紅外發光二極體,它發射1~3μm的紅外光,肉眼無法看到到。通常單只紅外發光二極體發射功率只有數mW,不同型號的紅外LED發光強度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3~2.5V。正由於其發射的紅外光人眼看不見,所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結正、反向電學特性是否正常,而無法判定其發光情況正常否。為此,最好準備一隻光敏器件(如2CR、2DR型矽光電池)作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當正向電流後是否發射紅外光。

光強度

把光強標準燈,LED和配有V(λ)濾光片的矽光電二極體安裝和調試在光具座上,特別是嚴格地調燈絲位置,LED發光部位及接受面位置。

先用光強標準燈校準矽光電二極體,C=E/S

式中Rs=Is/Ds

Ds是標準燈與接受器之間的距離,I s是標準燈的光強度,R s是標準燈的回響。

Et=C ·R t式中E t是被測LED的照度,R t是被測LED的回響,則LED的光強度I t為:I t=E t ·Dt

式中Dt 是LED與接受面之距離。

對於LED來講,其發光面是圓蓋形狀的,光分布是很特殊的,所以在不同的測量距離下,光強值會變化,偏離距離平方反比定律,即使固定了測量距離,但是由於接受器接受面積不同,其光強值也會變化。因此,為了提高測量精度,應該把測量距離和接受面積大小相對地給予固定為好。例如,測量距離按照GIE推薦採用316mm,接受器面積固定為10×10mm。在同一測量距離下,LED轉角不同,其光強也相應地有變化,因此為了獲得最佳值,最好讀出最大讀數R t為佳。

光通量

光通量測量在變角光度計的轉台上進行,轉台上安轉了LED,該轉台在其水平面上繞著垂直軸鏇轉±90度,LED在垂直面上繞著測光軸鏇轉360度。在水平面上和垂直面上的轉角的控制是通過步進馬達來實現的。轉台在導軌上隨意移動,當測量標準燈時,轉台應離開導軌。

測量時大轉盤在水平面上繞垂直軸鏇轉,步進角度為0.9°,正方向90°,反方向90°。LED自身也在鏇轉,在每一個水平角度下,垂直平面上每隔18°進行一次信號採集,轉完360°之後共採集到20個數據,按下式計算總光通量。

發光二極體發光二極體

如果大盤鏇轉0°~90°時,小盤轉0°~360°即可。但是大盤鏇轉0°~90°時,有可能LED安裝不均勻(不對稱)而引起誤差,因此最好的解決辦法是大盤轉-90°~0°~90°,小盤仍然轉0°~360°,把大盤0°~90°和-90°~0°兩個範圍內絕對值相等的角度上的照度值取平均值來作為0°~90°內的值。

LED總光通量測量的第二種方法是積分求法。此方法的優點是簡單易行,但測量精度不高。LED的總光通量計算方法如下,先計算離積分球入射視窗(入射視窗面積 A)1 距離上標準燈(光強值 I s)進入積分球內的光通量Φs,Φs=I s · A /I 2

讀出接收器上的光電流信號i s,然後把LED置於視窗上,讀出相應的接收器光電流信號it,則LED的總光通量Φ為:

Φt=It/IsΦs·K 式中 K 為色修正係數。

光譜

發光二極體的光譜功率分布測量,目的是掌握LED的光譜特性和色度,再者是為了對已測得的LED的光度量值進行修正。

在測量LED光譜功率分布時,應注意以下幾點,一個是在與標準光譜輻照度進行比較時由於標準燈的光譜輻強度比LED強得多,為了避免這個問題,最好在標準燈前加一個中性濾光片,使它的光譜輻強度接近於LED。

LED的光譜寬度很窄,為了準確地描繪LED的光譜分布輪廓,最好採用窄帶波長寬度的單色儀進行測量,波長間隔為1nm為好。

按下式計算LED的光譜功率分布E t。

Etλ=Esλ·Itλ/Isλ

式中 i 是標準燈在波長 i 處的回響;E 是標準燈的光譜功率分布;i 是LED在波長λ處的回響。

LED的色坐標計算公式為:

x=∫Etλ·xλdλ

y=∫Etλ·ydλ

z=∫Etλ·ydλ

色坐標為:

x=X/(X+Y+Z)

y=Y/(X+Y+Z)

也可計算LED的主波長和色純度。

發光二極體也與普通二極體一樣由PN結構成,也具有單嚮導電性。它廣泛套用於各種電子電路、家電、儀表等設備中、作電源指示或電平指示。

發光二極體的主要特性表

* cd(坎德拉)發光強度的單位

性能要求

1.高可靠性特別像LED路燈的驅動電源,裝在高空,維修不方便,維修的花費也大。

2.高效率LED是節能產品,驅動電源的效率要高。對於電源安裝在燈具內的結構,尤為重要。因為LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降,所以LED的散熱非常重要。電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內發熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

3.高功率因素功率因素是電網對負載的要求。一般70瓦以下的用電器,沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大,但晚上大家點燈,同類負載太集中,會對電網產生較嚴重的污染。對於30瓦~40瓦的LED驅動電源,據說不久的將來,也許會對功率因素方面有一定的指標要求。

4.驅動方式通行的有兩種:其一是一個恆壓源供多個恆流源,每個恆流源單獨給每路LED供電。這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會略高一點。另一種是直接恆流供電,LED串聯或並聯運行。它的優點是成本低一點,但靈活性差,還要解決某個LED故障,不影響其他LED運行的問題。這兩種形式,在一段時間內並存。多路恆流輸出供電方式,在成本和性能方面會較好。也許是以後的主流方向。

5.浪涌保護LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外,如LED路燈。由於電網負載的啟甩和雷擊的感應,從電網系統會侵入各種浪涌,有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力。

6.保護功能電源除了常規的保護功能外,最好在恆流輸出中增加LED溫度負反饋,防止LED溫度過高。

7.防護方面燈具外安裝型,電源結構要防水、防潮,外殼要耐曬。

8.驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

9.要符合安規和電磁兼容的要求。

優點

一、體積小

LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂裡面,所以它非常的小,非常的輕。

二、電壓低

LED耗電相當低,一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。只需要極微弱電流即可正常發光。

三、使用壽命長

在恰當的電流和電壓下,LED的使用壽命可達10萬小時。

四、高亮度、低熱量

LED使用冷發光技術,發熱量比同等功率普通照明燈具低很多。

五、環保

LED是由無毒的材料構成,不像螢光燈含水銀會造成污染,同時LED也可以回收再利用。

套用

在LED於20世紀60年代問世到80年代之前這10多年中,LED只有紅、黃、綠幾種顏色,發光效率很低(僅約1 lm/W),亮度比較低,而且價格高,人們只是將其用作電子產品的指示燈。從LED發展和套用歷程上看,這一時期為LED的指示套用階段。

1 交流電源指示燈

。該電路只要連線220V/50Hz的交流供電線路,LED就會被點亮,指示電源接通。限流電阻R的阻值為220V/IF。

2 交流開關指示燈

用LED作白熾燈開關指示燈的電路,當開關斷開燈泡熄滅時,電流經R、LED 和燈泡EL形成迴路,LED亮,方便人們在黑暗中找到開關。此時曲於迴路中的電流很小,燈泡是不會亮的。當接通開關時,燈泡被點亮,而LED則熄滅。

3 交流電源插座指示燈

用雙色(共陰極) LED作交流電源插座指示燈的電路。插座的供電由開關S控制。當紅光LED亮時,插座無電;當綠光LED亮時,插座有電。

4 保險管座指示燈

LED用作工廠設備配電箱保險管座指示燈的電路。當保險管完好時,LED不亮;當保險管熔斷時,LED會被點亮,以指示用戶是哪一個熔斷器已被燒斷,以便更換。這對於用肉眼無法觀察好壞的瓷芯式熔斷器來說是非常方便的。

5 LED廣告招牌燈

6 LED單色或者彩色顯示屏

一般單色顯示屏用於顯示單行漢字,彩色顯示屏用於戶外大螢幕電視。

7 LED路燈

8 LED汽車信號燈和LED電動車照明燈

物理學知識1

光學(optics)是研究光(電磁波)的行為和性質,以及光和物質相互作用的物理學科。傳統的光學只研究可見光,現代光學已擴展到對全波段電磁波的研究。力學是研究物質機械運動規律的科學。自然界物質有多種層次,從宇觀的宇宙體系,巨觀的天體和常規物體,細觀的顆粒、纖維、晶體,到微觀的分子.

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