LED照明基礎(chǔ)知識(shí)之光源

1、楚驥科技技術(shù)總監(jiān)：鄒親勝LED照明基礎(chǔ)知識(shí)之LED光源LED應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)LED概念及特點(diǎn)一一LED的基本結(jié)構(gòu)三三LED的主要技術(shù)參數(shù)四四LED的主要類型五五目目 錄錄照明發(fā)展史二二六六LED概念 LED的全稱Light Emitting Diode,即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED可以直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。高光效、高節(jié)能（理論光效628LM/W）光源方向性好色彩豐富不含有毒物質(zhì)，環(huán)保壽命長，理想狀態(tài)能達(dá)10萬小時(shí)光源響應(yīng)時(shí)間快，運(yùn)行成本低LED的優(yōu)點(diǎn)L

2、ED的優(yōu)點(diǎn)LED的優(yōu)點(diǎn)照明發(fā)展史照明發(fā)展史照明發(fā)展史照明發(fā)展史到目前為止，量產(chǎn)的大功率LED的發(fā)光效率最高已達(dá)186LM/W（科銳XLampXM系列）中功率LED發(fā)光效率最高的是首爾半導(dǎo)體的5630LED，已達(dá)180LM/W；9月10日首爾半導(dǎo)體，正式推出光效達(dá)到140lm/W的Acrich2 LED模組照明發(fā)展史照明發(fā)展史LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)支架膠水芯片熒光粉金線透鏡LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)大功率仿流明支架（2*10）LED7060折灣支架（2*10）大功率SMD支架（4*8）LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-支架支架3535、5050、5630支架3014、2835、5730支架LED的

3、基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-支架支架3528單芯支架3528全彩支架2427支架LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-支架支架LED封裝常用的膠水道康寧信越有機(jī)硅卡夫特國硅實(shí)業(yè)LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-支架支架芯片波長 芯片尺寸芯片尺寸（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*24milLED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-芯片芯片芯片材料LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-芯片芯片芯片襯底除了美國CREE、SEMIL

4、ED（旭明）以外，目前市場上其他公司制造的藍(lán)綠色芯片基本上都是采用藍(lán)寶石襯底（Sapphire，分子式：Al2O3），這類芯片的特點(diǎn)是：1、背面不導(dǎo)電，P、N兩個(gè)電極都在正面；2、金線鍵合時(shí)，必須嚴(yán)格控制焊點(diǎn)大小，確保不超出電極，否則容易因正負(fù)極短路而出現(xiàn)漏電；3、對(duì)靜電敏感，生產(chǎn)過程必須切實(shí)做好靜電防護(hù)措施;LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-芯片芯片芯片襯底CREE是目前全世界唯一一家采用SiC襯底制作LED芯片的廠家，其最大的特點(diǎn)是具有強(qiáng)的抗靜電能力。缺點(diǎn)是容易發(fā)生芯片與銀漿粘附不牢的現(xiàn)象，必須采用特殊的銀漿和封裝材料，才能確保產(chǎn)品的可靠性。 LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-芯片芯片Led芯片的結(jié)構(gòu)

5、LED芯片有兩種基本結(jié)構(gòu)，水平結(jié)構(gòu)（Lateral）和垂直結(jié)構(gòu)（Vertical）。橫向結(jié)構(gòu)LED芯片的兩個(gè)電極在LED芯片的同一側(cè)，電流在n-和p-類型限制層中橫向流動(dòng)不等的距離。垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側(cè)，由于圖形化電極和全部的p-類型限制層作為第二電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，極少橫向流動(dòng)的電流，可以改善平面結(jié)構(gòu)的電流分布問題，提高發(fā)光效率，也可以解決P極的遮光問題，提升LED的發(fā)光面積。 制造垂直結(jié)構(gòu)LED芯片技術(shù)主要有三種方法：一、采用碳化硅基板生長GaN薄膜，優(yōu)點(diǎn)是在相同操作電流條件下， 光衰少、壽命長，不足處是硅基板會(huì)吸光。 二、利用芯片

6、黏合及剝離技術(shù)制造。優(yōu)點(diǎn)是光衰少、壽命長，不足 處是須對(duì)LED表面進(jìn)行處理以提高發(fā)光效率。 三、是采用異質(zhì)基板如硅基板成長氮化鎵LED磊晶層，優(yōu)點(diǎn)是散熱 好、易加工。LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-芯片芯片Led芯片的結(jié)構(gòu)水平型產(chǎn)品以普瑞芯片為代表，芯片的主要特點(diǎn)是：光效一般：最高在 100 lmw左右；電壓高：藍(lán)光在3.44V； 熱阻高：使用藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性差。芯片本身的熱阻在 46 C/W; 亮度一般：由于采用水平結(jié)構(gòu)，電流橫向動(dòng)，電流密度不均，容易局部燒壞；為彌補(bǔ)這一缺陷，在芯片的上表面做ITO.ITO將以減少出光為代價(jià)。同一尺寸芯片，發(fā)光面窄，亮度低。光利用率低：65%左右的光從正面發(fā)出，

7、35%的光從側(cè)面發(fā)出，靠反射來達(dá)到出光，利用率低。 唯一的優(yōu)點(diǎn)就是：便于集成封裝。不過，它也是缺點(diǎn)，由于沒解決好散熱，所以集成封裝只有加速它的衰減，不可取。LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-芯片芯片Led芯片的結(jié)構(gòu)由于當(dāng)前芯片主要是垂直型的和水平型的兩種。垂直型產(chǎn)品以CREE芯片為代表特點(diǎn)主要是：光效高：最高可達(dá) 161 lmw，節(jié)能；電壓低：藍(lán)光在2.93.3V；熱阻?。盒酒旧淼臒嶙栊∮?1 C/W;亮度高：由于采用垂直結(jié)構(gòu)，電流垂直流動(dòng)，電流密度均勻，耐沖擊型強(qiáng)；同一尺寸芯片，發(fā)光面寬，亮度高。光型好：85%以上光從正面發(fā)出，易封裝，好配光；唯一的缺點(diǎn)就是：不方便集成封裝。若要集成封裝，芯片需

8、做特殊處理。LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)-芯片芯片白光LED的實(shí)現(xiàn)方法一、配色，白平衡 白色是紅綠藍(lán)三色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21，藍(lán)色的亮度為10時(shí)，混色后人眼感覺到的是純白色。但LED紅綠藍(lán)三色的色品坐標(biāo)因工藝過程等原因無法達(dá)到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的 亮度得到白色光，稱為配色。 二、二、 LED采用熒光粉實(shí)現(xiàn)白光主要有三種方法，但它們并沒有完全成熟，由此嚴(yán)重地影響白光LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。 LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)白光LED的實(shí)現(xiàn)方法第一種方法是第一種方法是：在藍(lán)色LED芯片上涂敷能被藍(lán)光激發(fā)的黃色熒光粉，芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)

9、出的黃光互補(bǔ)形成白光。該技術(shù)被日本Nichia公司壟斷，而且這種方案的一個(gè)原理性的缺點(diǎn)就是該熒光體中Ce3離子的發(fā)射光譜不具連續(xù)光譜特性，顯色性較差， 難以滿足低色溫照明的要求。同時(shí)發(fā)光效率還不夠高，需要通過開發(fā)新型的高效熒光粉來改善。第二種方法是第二種方法是：在藍(lán)色LED芯片上涂敷綠色和紅色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的綠光和紅光復(fù)合得到白光。該類產(chǎn)品雖顯色性較好，但所用熒光粉的轉(zhuǎn)換效率較低，尤其是紅色熒光粉的效率需要較大幅度的提高，因此推廣也較慢。 LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)白光LED的實(shí)現(xiàn)方法 第三種方法第三種方法：在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多種顏色的熒光粉，利用該

10、芯片發(fā)射的長波紫外光（370nm380nm）或紫光（380nm410nm）來激發(fā)熒光粉，從而實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射。該種LED的顯色性更好，但存在與第二種方法類似的問題，且目前轉(zhuǎn)換效率較高的紅色和綠色熒光粉多為硫化物體系。這類熒光粉發(fā)光穩(wěn)定性差、光衰較大，故還沒批量使用。其他方法：其他方法： 在特殊的場合，白光LED還有其他幾種封裝方法。這里簡單的介紹一下：第一種第一種：將紅、藍(lán)、綠三芯片封裝在一起，按照一定的比例對(duì)其光色進(jìn)行控制，混出白光。第二種第二種：實(shí)現(xiàn)方法是用紅、藍(lán)、綠、黃四芯片混出白光。LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)熒光粉目前LED用熒光粉材料三大熱門：鋁酸鹽 （YAG）熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮氧

11、化 物熒光粉 。YAG只能做出黃粉，硅酸鹽能 做出綠粉和橙粉，氮氧化物能做出紅粉、 綠粉和黃粉，覆蓋從藍(lán)色到紅色的全部色 色 域，有機(jī)會(huì)成為未來的一個(gè)主流發(fā)展趨勢(shì)。 氮氧化物熒光粉目前的效率還低于鋁酸鹽和硅酸鹽熒光粉, 且其制程通常需要高溫、高壓的條件 。 鋁酸鹽體系發(fā)光材料具有抗?jié)裥圆睿l(fā)光顏色單一等缺點(diǎn)， 需要在顆粒表面進(jìn)行物理化學(xué)修飾，以提高其穩(wěn)定性。 硅酸鹽體系的發(fā)光材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性， 對(duì)紫外、近紫外、藍(lán)光具有顯著的吸收，量產(chǎn)制備成本低 廉，灼燒溫度比鋁酸鹽體系低100 以上 。 LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)鋁酸鹽（YAG）熒光粉 1996年日本日亞公司首先研制出發(fā)黃光

12、的釔鋁石榴石（YAG）熒光粉，化學(xué)式為Y3Al5O12：Ce3+，此熒光粉的激發(fā)光譜450470nm的藍(lán)光，發(fā)射光譜550560nm的黃光，色溫為4000K8000K，可制得高亮度白光LED，具有成本低、效率高的特點(diǎn)，YAG:Ce的主要缺點(diǎn)由于缺少紅光成分，制得的LED顯色指數(shù)偏低，偏冷白光。該技術(shù)由亞化學(xué)壟 斷。藍(lán)光 藍(lán)光芯片+YAG鋁酸鹽 ，藍(lán)光 黃色熒光粉是當(dāng)前白光 白光LED的主流實(shí)現(xiàn)方式。是現(xiàn)在業(yè)界公認(rèn)效率最好的產(chǎn)生白光的組合。LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)硅酸鹽熒光粉在熒光粉轉(zhuǎn)換LED的制作上，硅酸鹽系列為另一種重要的選擇方向。該材料對(duì)紫外、近紫外、藍(lán)光光譜范圍具有顯著的吸收，并且在所

13、有黃色熒光體中，硅酸鹽系列具有最高的輝度值，輸出量子效率高于90%，并仍有改善的空間；在紫外LED激發(fā)時(shí)，具有高溫度穩(wěn)定性（至少120以上），可制作各種色溫的白光LED；另外，它的物理和化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，抗氧化、抗潮、不與封裝樹脂作用。日本的“21 世紀(jì)照明”計(jì)劃就將這類近紫外激發(fā)的熒光材料作為白光 LED熒光粉的研究重點(diǎn)。目前主要硅酸鹽熒光粉的重要專利仍為豐田合成、日亞化 學(xué)、歐司朗光電半導(dǎo)體等公司所擁有 LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)氮氧化物熒光粉 氮化物/氮氧化物作為一種新型的LED熒光粉，其激發(fā)光譜范圍涵蓋了紫外、近紫外以及藍(lán)光波段，而且其發(fā)光范圍覆蓋了整個(gè)可見光范圍。同時(shí)由于其熱穩(wěn)定性，化

14、學(xué)穩(wěn)定性好，發(fā)光效率高，且材料本身無污染。所以作為白光LED用熒光粉非常適合。 氮氧化物熒光粉目前的效率還低于鋁酸鹽和硅酸鹽熒光粉, 且其制程通常需要高溫、高壓的條件 。 氮化物與氮氧化物熒光粉 領(lǐng)先者主要為荷蘭Technical University of Eindhoven、 日本National Institute for Materials Science(NIMS)、日 本三菱化學(xué)公司、日本Ube工業(yè)與歐司朗光電半導(dǎo)體等單 位 。 LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)金線 LED鍵合金線是由Au純度為99.99%以上的材質(zhì)鍵合拉絲而成，其中包含了微量的Ag/Cu/Si/Ca/Mg等微量元素。金

15、線在LED封裝中起到一個(gè)導(dǎo)線連接的作用，將芯片表面電極和支架連接起來，當(dāng)導(dǎo)通電流時(shí)，電流通過金線進(jìn)入芯片，使芯片發(fā)光。金線具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集成電路，相比較其他材質(zhì)而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是抗氧化性，這是金線廣泛應(yīng)用于封裝的主要原因。 LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 透鏡透鏡是直接封裝（或粘合）在LED芯片支架上，與LED成為一個(gè)整體。 LED芯片（chip）理論上發(fā)光是360度，但實(shí)際上芯片在放置于LED支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發(fā)光角度是180度（大于180范圍也有少量余光），另外芯片還會(huì)有一些雜散光線，這樣通過一次透鏡就可以有效匯聚chip的所有光線并可得到如

16、180、160、140、120、90、60等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差別（一般的規(guī)律是：角度越大效率越高）。硅膠耐溫高（也可以過回流焊），因此常用來直接封裝在LED芯片上。一次透鏡除了硅膠外還有PMMA、PC、光學(xué)玻璃等材料LED的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)主要電參數(shù)主要電參數(shù)正向工作電流IF：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。正向工作電壓VF：正向工作電壓是在給定的正向電流下得到的。在外界溫度升高時(shí)，VF將下降。最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。反向電流是指給LED加上規(guī)定的反向電壓時(shí)

17、，通過LED的電流，用符號(hào)IR表示。正常的LED，IR值應(yīng)接近0。LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)大功率I-V特性曲線LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)主要光參數(shù)主要光參數(shù)光通量（Luminous FluxLuminous Flux）：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量稱為光源光通量，以為表示，單位為lm。光強(qiáng)（Luminous IntensityLuminous Intensity）：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向上的光強(qiáng)度（簡稱光強(qiáng)），以I表示,單位：坎德拉（cd）光束角在發(fā)光強(qiáng)度分布圖形中，發(fā)光強(qiáng)度等于最大強(qiáng)度一半構(gòu)成的角度。也稱為半值角。LE

18、D主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)主要光參數(shù)主要光參數(shù)亮度（L Luminuminanceance）：光源在某一方向的光亮度（簡稱亮度）是光源在該方向上的單位投影面在單位立體角中發(fā)射的光通量，以L表示。單位：坎/平方米（cd/m）直接影響人眼的主觀感覺。照度一定時(shí)，物體的反射率越大，亮度越高。照度（IllIlluminuminanceance):入射于被照物體單位面積上的光通量。以E表示。（某一表面上單位面積入射光通量。）單位：勒克斯（lux，簡寫為lx）。平方反比定理：平方反比定理：點(diǎn)光源對(duì)物體入射法線上的照度和距離平方成反比。E=I/r。（當(dāng)距離大于光源最大尺寸的五倍時(shí)，光源視為點(diǎn)光源，此定理成立

19、。）LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)主要光參數(shù)主要光參數(shù)光源光源光通量（流明光通量（流明lmlm）光強(qiáng)（坎德拉光強(qiáng)（坎德拉cdcd）照度（勒克斯照度（勒克斯luxlux）亮度（坎亮度（坎/ /平方米平方米cd/mcd/m）眼睛眼睛LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)主要顏色參數(shù)主要顏色參數(shù)色溫（Color Temperature）： 當(dāng)光源所發(fā)出的顏色與“黑體”在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)，“黑體”的溫度就稱為該光源的色溫?！昂隗w”的溫度越高，光譜中藍(lán)色的成份則越多，而紅色的成份則越少。色溫是衡量一種光源“有多么熱”或者“有多么冷”的指標(biāo)，也是表示一種光源“白得程度”、“黃得程度”或者“藍(lán)得程度”的指

20、標(biāo)。 暖色5000K。CIE XYZCIE XYZ系統(tǒng)，系統(tǒng)，RGBRGB三原色三原色CIECIE色度圖色度圖LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)光顏色與波長光顏色與波長 光的顏色是否可以看見是由它的波長決定，光的波長是以納米（nm）為單位。發(fā)光二極管發(fā)出的光幾乎都是一致的也就是說它幾乎都是在一個(gè)波長，發(fā)出非常純的顏色。可見光的波長范圍為380nm780nm，以下是光的顏色和它的波長：中紅外線紅光： 4600nm - 1600nm -不可見光 低紅外線紅光： 1300nm - 870nm -不可見光 850nm - 810nm -幾乎不可見光近紅外線光近紅外線光: :（780740nm）LED主要技

21、術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)光顏色與波長光顏色與波長紅色光紅色光： 630nm - 620nm - 橙紅 橙色光橙色光： 605nm - 琥珀色光綠綠 色色 ： 525nm - 純綠色 藍(lán)藍(lán) 色：色： 470nm - 460nm-鮮亮藍(lán)色； 450nm - 純藍(lán)色 ； UV-AUV-A型紫外線光：型紫外線光： 370nm -幾乎是不可見光，受木質(zhì)玻璃濾光時(shí)顯現(xiàn)出一個(gè)暗深紫色。LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)光顏色與波長光顏色與波長LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)色溫色溫LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)色溫色溫LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)色溫色溫LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)色溫色溫LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)主要顏色參數(shù)主要顏色參數(shù)顯色指數(shù)顯色指數(shù)（color rendering index）：光源對(duì)物體的顯色能力稱為顯色性，是通過與同色溫的參考或基準(zhǔn)光源（白熾燈或畫光）下物體外觀顏色的比較。白熾燈的顯色指數(shù)定義為100，視為理想的基準(zhǔn)光源。自然性顯指。還原物體本色。效果性顯指。增強(qiáng)物體某種顏色或效果LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)顯色指數(shù)顯色指數(shù)LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)顯色指數(shù)顯色指數(shù)LED主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)熱學(xué)參數(shù)熱學(xué)參數(shù)結(jié)溫（Junction Temperature）:LED芯片