led照明基础知识之光源

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1、,LED照明基础知识之LED光源,LED应用时的注意事项,LED概念及特点,一,LED的基本结构,三,LED的主要技术参数,四,LED的主要类型,五,目 录,照明发展史,二,六,LED概念,LED的全称Light EmittingDiode,即发光二极管，是 一种半导体固体发光器件， 它是利用固体半导体芯片 作为发光材料，当两端加 上正向电压，半导体中的 载流子发生复合引起光子 发射而产生光。LED可以直 接发出红、黄、蓝、绿、 青、橙、紫、白色的光。,高光效、高节能（理论光效628LM/W）,光源方向性好,色彩丰富,不含有毒物质，环保,寿命长，理想状态能达10万小时,光源响应时间快，运行成本

2、低,LED的优点,LED的优点,LED的优点,照明发展史,照明发展史,到目前为止，量产的大功率LED的发光效率 最高已达186LM/W（科锐XLampXM系列）,中功率LED发光效率最高的是首尔半导体 的5630LED，已达180LM/W；9月10日首 尔半导体，正式推出光效达到140lm/W 的Acrich2 LED模组,照明发展史,LED的基本结构,支架,胶水,芯片,荧光粉,金线,透镜,LED的基本结构,大功率仿流明支架（2*10）LED7060折湾支架（2*10）大功率SMD支架（4*8）,LED的基本结构-支架,3535、5050、5630支架 3014、2835、5730支架,LED

3、的基本结构-支架,3528单芯支架 3528全彩支架 2427支架,LED的基本结构-支架,LED封装常用的胶水 道康宁 信越有机硅 卡夫特 国硅实业 ,LED的基本结构-支架,芯片波长,芯片尺寸（1mil=1/1000inch=0.0254mm） 常用大功率芯片尺寸：35、38、45、50mil 常用中功率芯片尺寸：24*24mil、20*38mil、24*46mil 常用小功率芯片尺寸：8*10、8*12、8*13、 12*12、10*23、10*24mil,LED的基本结构-芯片,芯片材料,LED的基本结构-芯片,芯片衬底,除了美国CREE、SEMILED（旭明）以外，目前市场上其他公司

4、制造的蓝绿色芯片基本上都是采用蓝宝石衬底（Sapphire，分子式：Al2O3），这类芯片的特点是：1、背面不导电，P、N两个电极都在正面；2、金线键合时，必须严格控制焊点大小，确保不超出电极，否则容易因正负极短路而出现漏电； 3、对静电敏感，生产过程必须切实做好静电防护措施;,LED的基本结构-芯片,芯片衬底,CREE是目前全世界唯一一家采用SiC衬底制作LED芯片的厂家，其最大的特点是具有强的抗静电能力。 缺点是容易发生芯片与银浆粘附不牢的现象，必须采用特殊的银浆和封装材料，才能确保产品的可靠性。,LED的基本结构-芯片,Led芯片的结构,LED芯片有两种基本结构，水平结构（Lateral

5、）和垂直结构（Vertical）。横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。 制造垂直结构LED芯片技术主要有三种方法： 一、采用碳化硅基板生长GaN薄膜，优点是在相同操作电流条件下，光衰少、寿命长，不足处是硅基板会吸光。 二、利用芯片黏合及剥离技术制造。优点是光衰少、寿命长，不足处是

6、须对LED表面进行处理以提高发光效率。 三、是采用异质基板如硅基板成长氮化镓LED磊晶层，优点是散热好、易加工。,LED的基本结构-芯片,Led芯片的结构,水平型产品以普瑞芯片为代表，芯片的主要特点是： 光效一般：最高在 100 lmw左右；电压高：蓝光 在3.44V；热阻高：使用蓝宝石衬底导热性差。芯片本身 的热阻在 46 C/W;亮度一般：由于采用水平结构，电流横向动， 电流密度不均，容易局部烧坏；为弥补这一缺陷， 在芯片的上表面做ITO.ITO将以减少出光为代价。 同一尺寸芯片，发光面窄，亮度低。 光利用率低：65%左右的光从正面发出，35%的光 从侧面发出，靠反射来达到出光，利用率低。

7、唯一的优点就是：便于集成封装。不过，它 也是缺点，由于没解决好散热，所以集成封装只 有加速它的衰减，不可取。,LED的基本结构-芯片,Led芯片的结构,由于当前芯片主要是垂直型的和水平型的两种。 垂直型产品以CREE芯片为代表特点主要是： 光效高：最高可达 161 lmw，节能； 电压低：蓝光在2.93.3V； 热阻小：芯片本身的热阻小于 1 C/W; 亮度高：由于采用垂直结构，电流垂直流动，电 流密度均匀，耐冲击型强；同一尺寸芯片，发光 面宽，亮度高。 光型好：85%以上光从正面发出，易封装，好配光； 唯一的缺点就是：不方便集成封装。若要集成封装， 芯片需做特殊处理。,LED的基本结构-芯片

8、,白光LED的实现方法,一、配色，白平衡白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21，蓝色的亮度为10时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的 亮度得到白色光，称为配色。 二、 LED采用荧光粉实现白光主要有三种方法，但它们并没有完全成熟，由此严重地影响白光LED在照明领域的应用。,LED的基本结构,白光LED的实现方法,第一种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。该技术被日本Nichia公司垄断，而且这种方案

9、的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3离子的发射光谱不具连续光谱特性，显色性较差， 难以满足低色温照明的要求。同时发光效率还不够高，需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。 第二种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光。该类产品虽显色性较好，但所用荧光粉的转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高，因此推广也较慢。,LED的基本结构,白光LED的实现方法,第三种方法：在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光（370nm380nm）或紫光（380nm410nm）来激发荧光粉，从而实现

10、白光发射。该种LED的显色性更好，但存在与第二种方法类似的问题，且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系。这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大，故还没批量使用。 其他方法：在特殊的场合，白光LED还有其他几种封装方法。这里简单的介绍一下： 第一种：将红、蓝、绿三芯片封装在一起，按照一定的比例对其光色进行控制，混出白光。 第二种：实现方法是用红、蓝、绿、黄四芯片混出白光。,LED的基本结构,荧光粉,目前LED用荧光粉材料三大热门：铝酸盐 （YAG）荧光粉、硅酸盐荧光粉、 氮氧化 物荧光粉 。YAG只能做出黄粉，硅酸盐能 做出绿粉和橙粉，氮氧 化物能做出红粉、 绿粉和黄粉，覆盖从蓝色到红色的

11、全部色 色 域，有机 会成为未来的一个主流发展趋势。氮氧化物荧光粉目前的效率还低于铝酸盐和硅酸盐荧光粉, 且其制程通常 需要高温、高压的条件 。 铝酸盐体系发光材料具有抗湿性差，发光颜色 单一等缺点， 需要在颗粒表面进行物理化学修饰，以提高其稳定性。 硅 酸盐体系的发光材料具有良好的化学稳定性和热稳定性， 对紫外、近紫 外、蓝光具有显著的吸收，量产制备成本低 廉，灼烧温度比铝酸盐体系 低100 以上 。,LED的基本结构,铝酸盐（YAG）荧光粉,1996年日本日亚公司首先研制出发黄光的钇铝石榴石（YAG）荧 光粉，化学式为Y3Al5O12：Ce3+，此荧光粉的激发光谱450470nm 的蓝光，

12、发射光谱550560nm的黄光，色温为4000K8000K，可 制得高亮度白光LED，具有成本低、效率高的特点，YAG:Ce的主 要缺点由于缺少红光成分，制得的LED显色指数偏低，偏冷白光。 该技术由亚化学垄 断。蓝光 蓝光芯片+YAG铝酸盐 ，蓝光 黄色荧 光粉是当前白光 白光LED的主流实现方式。是现在业界公认效率最 好的产生白光的组合。,LED的基本结构,硅酸盐荧光粉,在荧光粉转换LED的制作上，硅酸盐系列为另一种重要的选择方向。 该材料对紫外、近紫外、蓝光光谱范围具有显著的吸收，并且在所 有黄色荧光体中，硅酸盐系列具有最高的辉度值，输出量子效率高 于90%，并仍有改善的空间；在紫外LE

13、D激发时，具有高温度稳定性 （至少120以上），可制作各种色温的白光LED；另外，它的物理 和化学性质较稳定，抗氧化、抗潮、不与封装树脂作用。日本的 “21 世纪照明”计划就将这类近紫外激发的荧光材料作为白光 LED 荧光粉的研究重点。 目前主要硅酸盐荧光粉的重要专利仍为丰田合成、日亚化 学、欧 司朗光电半导体等公司所拥有,LED的基本结构,氮氧化物荧光粉,氮化物/氮氧化物作为一种新型的LED荧光粉，其激发光谱范围涵盖了紫 外、近紫外以及蓝光波段，而且其发光范围覆盖了整个可见光范围。同时 由于其热稳定性，化学稳定性好，发光效率高，且材料本身无污染。所以 作为白光LED用荧光粉非常适合。氮氧化物

14、荧光粉目前的效率还低于铝酸盐和硅酸盐荧光粉, 且其制程通常 需要高温、高压的条件 。氮化物与氮氧化物荧光粉 领先者主要为荷兰Technical University of Eindhoven、 日本National Institute for Materials Science(NIMS)、日 本 三菱化学公司、日本Ube工业与欧司朗光电半导体等单 位 。,LED的基本结构,金线,LED键合金线是由Au纯度为99.99%以上的材质键合拉丝而成，其 中包含了微量的Ag/Cu/Si/Ca/Mg等微量元素。 金线在LED封装中起到一个导线连接的作用，将芯片表面电极和支 架连接起来，当导通电流时，电流

15、通过金线进入芯片，使芯片发光。 金线具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路， 相比较其他材质而言，其最大的优点就是抗氧化性，这是金线广泛 应用于封装的主要原因。,LED的基本结构,透镜,透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架 上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度（大于180范围也有 少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有 效汇聚chip的所有光线并可得到如180、160、140、120、90、60等 不同的出光角度，但是不同的出光角度LED

16、的出光效率有一定的差别（一 般的规律是：角度越大效率越高）。 硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用来直接封装在LED芯片上。 一次透镜除了硅胶外还有PMMA、PC、光学玻璃等材料,LED的基本结构,LED主要技术参数,主要电参数,正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。,正向工作电压VF：正向工作电压是在给定的正向电流下得到的。在 外界温度升高时，VF将下降。,最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极 管可能被击穿损坏。,反向电流是指给LED加上规定的反向电压时，通过LED的电流，用符号 IR表示。正常的LED，IR值应接近0。,LED主要技术参数,大功率I-V特性曲线,LED主要技术参数,LED主要技术参数,主要光参数,光通量（Luminous Flux）：光源在单位时间内发出的光量称为光 源光通量，以为表示，单位为lm。,