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LED知识汇编
一、LED(发光二极管)知识
1、LED的结构、发光原理及分类
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。
    发光二极管的核心部分是由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p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。 当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。
按其使用材料可分为磷化镓(GaP)发光二极管、磷砷化镓(GaAsP)发光二极管、砷化镓(GaAs)发光二极管、磷铟砷化镓(GaAsInP)发光二极管和砷铝化镓(GaAlAs)发光二极管等多种。
  按其封装结构及封装形式除可分为金属封装、陶瓷封装、塑料封装、树脂封装和无引线表面封装外,还可分为加色散射封装(D)、无色散射封装(W)、有色透明封装(C)和无色透明封装(T)。
  按其封装外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种,图4-22为几种发光二极管的外形。
塑封发光二极管按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、橙色、浅蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等多种。而圆形发光二极管的外径从¢2~¢20mm,分为多种规格。
  按发光二极管的发光颜色又可人发为有色光和红外光。有色光又分为红色光、黄色光、橙色光、绿色光等。
  另外,发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。
    2、LED光源的特点
    高节能:节能能源无污染即为环保。直流驱动,超低功耗(单管0.03-0.06 瓦)电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。
    寿命长:LED光源有人称它为长寿灯,意为永不熄灭的灯。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,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。
    多变幻:LED光源可利用红、绿、篮三基色原理,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256×256×256=16777216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。
利环保:环保效益更佳,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,而且废弃物可回收,没有污染不含汞元素,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。
 高新尖: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,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、单色光LED的种类及其发展历史
 最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP,发红光(λp=650nm),在驱动电流为20毫安时,光通量只有千分之几个流明,相应的发光效率约0.1流明/瓦。
    70年代中期,引入元素In和N,使LED产生绿光(λp=555nm),黄光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm),光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初,出现了GaAlAs的LED光源,使得红色LED的光效达到10流明/瓦。
    90年代初,发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年,前者做成的LED在红、橙区(λp=615nm)的光效达到100流明/瓦,而后者制成的LED在绿色区域(λp=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。
 4、单色光LED的应用
    最初LED用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了18个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。
    汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。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(纳秒级),可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况,减少汽车追尾事故的发生。
    另外,LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏,匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。
    5、白光LED的开发
   对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(λp=465nm,Wd=30nm),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射,峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉,其最好的发光效率约为25流明/瓦,YAG多为日本日亚公司的进口,价格在2000元/公斤;第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED,不过发光效率较差。某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉:即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉,在未来较被看好的是三波长光,即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉,用于封装LED白光,预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小,稳定性要求也高,具体应用方面还在探索之中。    
6、LED种类
随着LED在60年代进入商业后,经过几十年的发展已经发展了很多种类,其主流的大类有:
1) LED(Light emitting diode):我们有叫它LAMP LED产品的、有叫它P2产品的、也有叫它插件LED的,不管怎么样只要是直插式的都归与一种。而LED种类里面还有很多种类:
按胶体形状分:3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、椭圆形、墓碑形、还有一些特殊形状等等;
按胶体颜色分:无色透明、有色透明、有色散射、无色散射等;
按颜色分:红色(red)、橙色(orange)、黄色(yellow)、黄绿色(green yellow)、绿色 (green)、蓝绿色(blue green)、蓝色(blue)、紫色(pink)、紫外线(uv)、白色(white)、红外线等等;
2)SMD(Suface mount device):表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法,这个里面也有多中类别:
按形状大小分:0603、0805、1210、5060、1010等等,一般smd都是菱形的,所以其叫法都是根据长*宽的尺寸来叫,行业善用的都是英寸,不是毫米,也有用毫米叫的,比如1608(1.6*0.8mm)等。
发光颜色和胶体的种类和LED产品一样,只是产品的形状发生了很大的变化。
3)食人鱼(Flux led):这个是因LED的发光效率不能满足汽车使用其要求,所以就开发了这个产品,是小功率产品,其驱动电流一般在50MA、一般LED用的20MA,最高电流可以达到70mA,就是因为其散热比较好,一般用在汽车后尾灯。
4)大功率(power led):现有照明的LED产品,它有以下分类:
按功率分:1w、3w、5w、等等
按顶部发光透镜分:平头、聚光、酒杯形状等
5)数码管(Display):最早用在来做显示屏和数码显示用的
按外形分:1位、2位、3位、4位等等
表面颜色:灰面黑胶的、也有黑面白胶的   等等
极性:共阴、共阳
颜色也和LED一样可以做很多种类。
6)点阵(LED Dot Matrix):这个产品和数码管差不多,都是应用在信息显示的。其间距和孔的直径有改变都是不同的产品,现在一般分5*7和8*8的,其颜色有单色、双色、三基色的等等。
按颜色分:单红,单绿,双基色,三基色等;
按孔的直径分:Φ2.0,Φ3.0,Φ3.75,Φ5.0等;
按点数分:5*7,8*8,16*16等
还有一些其他的产品:如像素管(cluster)、测光源(LED Side Light Source)、红外线接收和发射产品(Infrared & PhotoDiode)等等。
7)LED生产工艺流程
(1)LED芯片检验
镜检:材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑(lockhill)芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整
    (2)LED扩片
由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm),不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张,但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。
    (3)LED点胶
在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。(对于GaAs、SiC导电衬底,具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片,采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片,采用绝缘胶来固定芯片。)
工艺难点在于点胶量的控制,在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。    由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求,银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。
(4)LED备胶
和点胶相反,备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上,然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶,但不是所有产品均适用备胶工艺。
(5)LED手工刺片
将扩张后LED芯片(备胶或未备胶)安置在刺片台的夹具上,LED支架放在夹具底下,在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处,便于随时更换不同的芯片,适用于需要安装多种芯片的产品。
(6)LED自动装架
自动装架其实是结合了沾胶(点胶)和安装芯片两大步骤,先在LED支架上点上银胶(绝缘胶),然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置,再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程,同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴,防止对LED芯片表面的损伤,特别是蓝、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。
(7)LED烧结
烧结的目的是使银胶固化,烧结要求对温度进行监控,防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃,烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170℃,1小时。绝缘胶一般150℃,1小时。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时(或1小时)打开更换烧结的产品,中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途,防止污染。
  (8)LED压焊
   压焊的目的将电极引到LED芯片上,完成产品内外引线的连接工作。    LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。右图是铝丝压焊的过程,先在LED芯片电极上压上第一点,再将铝丝拉到相应的支架上方,压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球,其余过程类似。
   压焊是LED封装技术中的关键环节,工艺上主要需要监控的是压焊金丝(铝丝)拱丝形状,焊点形状,拉力。
 (9)LED封胶
   LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型,选用结合良好的环氧和支架。(一般的LED无法通过气密性试验)
    9.1 LED点胶:
    TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高(特别是白光LED),主要难点是对点胶量的控制,因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。
    9.2 LED灌胶封装
    Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱让环氧固化后,将LED从模腔中脱出即成型。
    9.3 LED模压封装
    将压焊好的LED支架放入模具中,将上下两副模具用液压机合模并抽真空,将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中,环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。
   (10)LED固化与后固化
    固化是指封装环氧的固化,一般环氧固化条件在135℃,1小时。模压封装一般在150℃,4分钟。后固化是为了让环氧充分固化,同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重要。一般条件为120℃,4小时。
   (11)LED切筋和划片
    由于LED在生产中是连在一起的(不是单个),Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上,需要划片机来完成分离工作。       
(12)LED测试   
测试LED的光电参数、检验外形尺寸,同时根据客户要求对LED产品进行分选。
(13)LED包装
将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。
二、与LED照明有关的部分光学术语
1)、色温
先介绍绝对黑体的概念。绝对黑体是这样一种物体,它是既不反射也不透过而是完全吸收入射光的物体。当黑体加热时,其辐射光谱能量的分布只与温度有关。
      当绝对黑体在某一特定温度下,其辐射的光与某一光源的光有相同特性时,则绝对黑体这一特定温度就定义为该光源的色温。色温用绝对温度单位——开氏度(k)表示。色温并非光源的实际温度,而是用来表征光谱特性的参量。如一个钨丝灯泡的温度保持在2800k时所发出的白光,与温度保持在285k的绝对黑体所辐射的白光完全相当,于是就称该白光的色温为2854k。
2)光通量
      光通量就是按人眼的光感觉来度量的辐射功率。也就是说,光通量就时人眼能感觉到的光的辐射功率。
      光通量的单位是1m(流明),符号 Φ。一个40W的钨丝灯泡输出的光通量为468lm;一个40w的日光灯可以输出2100lmr 光通量。
3)发光强度
      光源在单位立体角内发出的光通量,就称为发光强度,简称光强,一般用I表示,符号 I,单位 坎德拉(cd)。
4)亮度
      亮度是用来表示物体发光面的明亮程度的。其定义是:发光面在指定方向上的发光强度与发光面在此方向垂直面上的投影之比,就称为亮度。如果在指定方向上发光强度越大,而在该方向看到的发光面越小,则亮度就越大。符号 L,单位 尼脱 (cd/m2)。
5)照度
      光通量与被照射表面面积之比称为照度。符号 E,单位 勒克斯(Lm/m2)。可见照度是描述被拍摄物体表面的明亮程度的量。而光通量、光强和亮度三个量则是用来描述光源的量。由上述定义可知,对于一定面积的表面,照射到它上面的光通量越大,这个表面的照度就越大。如果光通量一定,那么,被均匀照射表面面积越大,照度就越小。
    照度的单位是勒克(LX),其表达式为:
                1勒克司=1流明/米2
 
 
 
 
 
 
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