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LED知識匯編
一、LED(發光二極管)知識
1、LED的結構、發光原理及分類
50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識,第一個商用二極管產生于1960年。LED是英文light emitting diode(發光二極管)的縮寫,它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料,置于一個有引線的架子上,然后四周用環氧樹脂密封,起到保護內部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。
    發光二極管的核心部分是由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p-n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復合時會把多余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制作的二極管叫發光二極管,通稱LED。 當它處于正向工作狀態時(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。
按其使用材料可分為磷化鎵(GaP)發光二極管、磷砷化鎵(GaAsP)發光二極管、砷化鎵(GaAs)發光二極管、磷銦砷化鎵(GaAsInP)發光二極管和砷鋁化鎵(GaAlAs)發光二極管等多種。
  按其封裝結構及封裝形式除可分為金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝、樹脂封裝和無引線表面封裝外,還可分為加色散射封裝(D)、無色散射封裝(W)、有色透明封裝(C)和無色透明封裝(T)。
  按其封裝外形可分為圓形、方形、矩形、三角形和組合形等多種,圖4-22為幾種發光二極管的外形。
塑封發光二極管按管體顏色又分為紅色、琥珀色、黃色、橙色、淺藍色、綠色、黑色、白色、透明無色等多種。而圓形發光二極管的外徑從¢2~¢20mm,分為多種規格。
  按發光二極管的發光顏色又可人發為有色光和紅外光。有色光又分為紅色光、黃色光、橙色光、綠色光等。
  另外,發光二極管還可分為普通單色發光二極管、高亮度發光二極管、超高亮度發光二極管、變色發光二極管、閃爍發光二極管、電壓控制型發光二極管、紅外發光二極管和負阻發光二極管等。
    2、LED光源的特點
    高節能:節能能源無污染即為環保。直流驅動,超低功耗(單管0.03-0.06 瓦)電光功率轉換接近100%,相同照明效果比傳統光源節能80%以上。
    壽命長:LED光源有人稱它為長壽燈,意為永不熄滅的燈。固體冷光源,環氧樹脂封裝,燈體內也沒有松動的部分,不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點,使用壽命可達6萬到10萬小時,比傳統光源壽命長10倍以上。
    多變幻:LED光源可利用紅、綠、籃三基色原理,在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合,即可產生256×256×256=16777216種顏色,形成不同光色的組合變化多端,實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。
利環保:環保效益更佳,光譜中沒有紫外線和紅外線,既沒有熱量,也沒有輻射,眩光小,而且廢棄物可回收,沒有污染不含汞元素,冷光源,可以安全觸摸,屬于典型的綠色照明光源。
 高新尖:與傳統光源單調的發光效果相比,LED光源是低壓微電子產品,成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等所以亦是數字信息化產品是半導體光電器件“高新尖”技術具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。
 3、單色光LED的種類及其發展歷史
 最早應用半導體P-N結發光原理制成的LED光源問世于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,而后者制成的LED在綠色區域(λp=530nm)的光效可以達到50流明/瓦。
 4、單色光LED的應用
    最初LED用作儀器儀表的指示光源,后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用,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,在美國本來是采用長壽命,低光效的140瓦白熾燈作為光源,它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后,光損失90%,只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中,Lumileds公司采用了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光源應用的重要領域。1987年,我國開始在汽車上安裝高位剎車燈,由于LED響應速度快(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應用。
    5、白光LED的開發
   對于一般照明而言,人們更需要白色的光源。1998年發白光的LED開發成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成。GaN芯片發藍光(λp=465nm,Wd=30nm),高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光發射,峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中,覆蓋以混有YAG的樹脂薄層,約200-500nm。 LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收,另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合,可以得到得白光。現在,對于InGaN/YAG白色LED,通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度,可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。目前已商品化的第一種產品為藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉,其最好的發光效率約為25流明/瓦,YAG多為日本日亞公司的進口,價格在2000元/公斤;第二種是日本住友電工亦開發出以ZnSe為材料的白光LED,不過發光效率較差。某些種類的白色LED光源離不開四種熒光粉:即三基色稀土紅、綠、藍粉和石榴石結構的黃色粉,在未來較被看好的是三波長光,即以無機紫外光晶片加R.G.B三顏色熒光粉,用于封裝LED白光,預計三波長白光LED今年有商品化的機機會。但此處三基色熒光粉的粒度要求比較小,穩定性要求也高,具體應用方面還在探索之中。    
6、LED種類
隨著LED在60年代進入商業后,經過幾十年的發展已經發展了很多種類,其主流的大類有:
1) LED(Light emitting diode):我們有叫它LAMP LED產品的、有叫它P2產品的、也有叫它插件LED的,不管怎么樣只要是直插式的都歸與一種。而LED種類里面還有很多種類:
按膠體形狀分:3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、橢圓形、墓碑形、還有一些特殊形狀等等;
按膠體顏色分:無色透明、有色透明、有色散射、無色散射等;
按顏色分:紅色(red)、橙色(orange)、黃色(yellow)、黃綠色(green yellow)、綠色 (green)、藍綠色(blue green)、藍色(blue)、紫色(pink)、紫外線(uv)、白色(white)、紅外線等等;
2)SMD(Suface mount device):表面貼裝二極管或表面貼裝元器件都是他的叫法,這個里面也有多中類別:
按形狀大小分:0603、0805、1210、5060、1010等等,一般smd都是菱形的,所以其叫法都是根據長*寬的尺寸來叫,行業善用的都是英寸,不是毫米,也有用毫米叫的,比如1608(1.6*0.8mm)等。
發光顏色和膠體的種類和LED產品一樣,只是產品的形狀發生了很大的變化。
3)食人魚(Flux led):這個是因LED的發光效率不能滿足汽車使用其要求,所以就開發了這個產品,是小功率產品,其驅動電流一般在50MA、一般LED用的20MA,最高電流可以達到70mA,就是因為其散熱比較好,一般用在汽車后尾燈。
4)大功率(power led):現有照明的LED產品,它有以下分類:
按功率分:1w、3w、5w、等等
按頂部發光透鏡分:平頭、聚光、酒杯形狀等
5)數碼管(Display):最早用在來做顯示屏和數碼顯示用的
按外形分:1位、2位、3位、4位等等
表面顏色:灰面黑膠的、也有黑面白膠的   等等
極性:共陰、共陽
顏色也和LED一樣可以做很多種類。
6)點陣(LED Dot Matrix):這個產品和數碼管差不多,都是應用在信息顯示的。其間距和孔的直徑有改變都是不同的產品,現在一般分5*7和8*8的,其顏色有單色、雙色、三基色的等等。
按顏色分:單紅,單綠,雙基色,三基色等;
按孔的直徑分:Φ2.0,Φ3.0,Φ3.75,Φ5.0等;
按點數分:5*7,8*8,16*16等
還有一些其他的產品:如像素管(cluster)、測光源(LED Side Light Source)、紅外線接收和發射產品(Infrared & PhotoDiode)等等。
7)LED生產工藝流程
(1)LED芯片檢驗
鏡檢:材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑(lockhill)芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求電極圖案是否完整
    (2)LED擴片
由于LED芯片在劃片后依然排列緊密間距很小(約0.1mm),不利于后工序的操作。我們采用擴片機對黏結芯片的膜進行擴張,是LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。也可以采用手工擴張,但很容易造成芯片掉落浪費等不良問題。
    (3)LED點膠
在LED支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。(對于GaAs、SiC導電襯底,具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片,采用銀膠。對于藍寶石絕緣襯底的藍光、綠光LED芯片,采用絕緣膠來固定芯片。)
工藝難點在于點膠量的控制,在膠體高度、點膠位置均有詳細的工藝要求。    由于銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴格的要求,銀膠的醒料、攪拌、使用時間都是工藝上必須注意的事項。
(4)LED備膠
和點膠相反,備膠是用備膠機先把銀膠涂在LED背面電極上,然后把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。備膠的效率遠高于點膠,但不是所有產品均適用備膠工藝。
(5)LED手工刺片
將擴張后LED芯片(備膠或未備膠)安置在刺片臺的夾具上,LED支架放在夾具底下,在顯微鏡下用針將LED芯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,便于隨時更換不同的芯片,適用于需要安裝多種芯片的產品。
(6)LED自動裝架
自動裝架其實是結合了沾膠(點膠)和安裝芯片兩大步驟,先在LED支架上點上銀膠(絕緣膠),然后用真空吸嘴將LED芯片吸起移動位置,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。在吸嘴的選用上盡量選用膠木吸嘴,防止對LED芯片表面的損傷,特別是藍、綠色芯片必須用膠木的。因為鋼嘴會劃傷芯片表面的電流擴散層。
(7)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。
  (8)LED壓焊
   壓焊的目的將電極引到LED芯片上,完成產品內外引線的連接工作。    LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。右圖是鋁絲壓焊的過程,先在LED芯片電極上壓上第一點,再將鋁絲拉到相應的支架上方,壓上第二點后扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點前先燒個球,其余過程類似。
   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。
 (9)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)
    9.1 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的點膠還存在熒光粉沉淀導致出光色差的問題。
    9.2 LED灌膠封裝
    Lamp-LED的封裝采用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型模腔內注入液態環氧,然后插入壓焊好的LED支架,放入烘箱讓環氧固化后,將LED從模腔中脫出即成型。
    9.3 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并抽真空,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成型槽中并固化。
   (10)LED固化與后固化
    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。后固化是為了讓環氧充分固化,同時對LED進行熱老化。后固化對于提高環氧與支架(PCB)的粘接強度非常重要。一般條件為120℃,4小時。
   (11)LED切筋和劃片
    由于LED在生產中是連在一起的(不是單個),Lamp封裝LED采用切筋切斷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。       
(12)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。
(13)LED包裝
將成品進行計數包裝。超高亮LED需要防靜電包裝。
二、與LED照明有關的部分光學術語
1)、色溫
先介紹絕對黑體的概念。絕對黑體是這樣一種物體,它是既不反射也不透過而是完全吸收入射光的物體。當黑體加熱時,其輻射光譜能量的分布只與溫度有關。
      當絕對黑體在某一特定溫度下,其輻射的光與某一光源的光有相同特性時,則絕對黑體這一特定溫度就定義為該光源的色溫。色溫用絕對溫度單位——開氏度(k)表示。色溫并非光源的實際溫度,而是用來表征光譜特性的參量。如一個鎢絲燈泡的溫度保持在2800k時所發出的白光,與溫度保持在285k的絕對黑體所輻射的白光完全相當,于是就稱該白光的色溫為2854k。
2)光通量
      光通量就是按人眼的光感覺來度量的輻射功率。也就是說,光通量就時人眼能感覺到的光的輻射功率。
      光通量的單位是1m(流明),符號 Φ。一個40W的鎢絲燈泡輸出的光通量為468lm;一個40w的日光燈可以輸出2100lmr 光通量。
3)發光強度
      光源在單位立體角內發出的光通量,就稱為發光強度,簡稱光強,一般用I表示,符號 I,單位 坎德拉(cd)。
4)亮度
      亮度是用來表示物體發光面的明亮程度的。其定義是:發光面在指定方向上的發光強度與發光面在此方向垂直面上的投影之比,就稱為亮度。如果在指定方向上發光強度越大,而在該方向看到的發光面越小,則亮度就越大。符號 L,單位 尼脫 (cd/m2)。
5)照度
      光通量與被照射表面面積之比稱為照度。符號 E,單位 勒克斯(Lm/m2)。可見照度是描述被拍攝物體表面的明亮程度的量。而光通量、光強和亮度三個量則是用來描述光源的量。由上述定義可知,對于一定面積的表面,照射到它上面的光通量越大,這個表面的照度就越大。如果光通量一定,那么,被均勻照射表面面積越大,照度就越小。
    照度的單位是勒克(LX),其表達式為:
                1勒克司=1流明/米2
 
 
 
 
 
 
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