(畢業(yè)論文)LED照明燈的設(shè)計(jì)制作

1、Abstract 摘 要基于節(jié)能的需要以及人們對(duì)照明質(zhì)量要求的不斷提高，半導(dǎo)體照明光源以其高效節(jié)能、長(zhǎng)壽命、色彩豐富和環(huán)保等特點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注。大功率發(fā)光二極管作為半導(dǎo)體照明的代表，其性能近來(lái)提高很快，發(fā)光效率已超過(guò)50 lm/W,有望取代白熾燈、熒光燈和高壓放電等傳統(tǒng)光源，成為人類照明史上的第四代照明光源。目前大功率LED應(yīng)用于通用照明上還存在著一些問(wèn)題需解決，比如過(guò)高的封裝熱阻和合適的測(cè)試方法等。本文研究了大功率LED光源的組裝測(cè)試方法，對(duì)制作中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析和討論，并提出了改善大功率LE與D散熱性能的建議。文章首先論述了LED封裝與組裝技術(shù)的發(fā)展，對(duì)多芯片封裝技術(shù)在LED照明

2、光源上的應(yīng)用作了探討。并實(shí)際制作了一個(gè)由3個(gè)由大功率LED串聯(lián)的照明燈，并與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，組裝的LED光源的發(fā)光量、發(fā)光效率均已經(jīng)超過(guò)白熾燈，但其性能還不夠穩(wěn)定。單純采用小功率高亮度LED或大功率LED制備的光源存在著光通量低、成本過(guò)高和散熱不理想、能耗高等方面的問(wèn)題，而高亮度LED與大功率LED混合組裝的光源則在發(fā)光效率、成本以及散熱等方面有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于室內(nèi)輔助照明等場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體照明，大功率發(fā)光二極管，組裝，測(cè)試方法，熱管理Abstract With the demand of power saving and the requiremen

3、t for higher illumination quality, semiconductor lighting sources have been attractive for its excellent characteristics: high efficiency, low power consumption, long source life, color richness and environment friendless etc.As the representative of semiconductor illumination, the performance of hi

4、gh power Light Emitting Diodes(LED)improves quickly resent years and its luminance efficiency has surpassed 50lm/W.Thus high power LED will become the fourth generation lighting source replacing incandescent, fluorescent and high intensity discharge (HID)lamp. Otherwise some key issues should be sol

5、ved before high power LEDs widely application in general illumination market, such as package heat management and suitable measurement method. This thesis focuses on high power LED lighting sources and researches their assembly and measurement process.Consequently; we analyze and discuss the problem

6、s found in this process. Finally the suggestion is proposed to improve thermal dissipation for high power LED.The development of LED package and assembly technology is discussed, especially on the application of multichip package technique for LED lighting sources. And the actual production of a 3 b

7、y high-power LED lights series. And with the traditional incandescent and fluorescent lamps are compared.Test results show that LED light source assembly of light-emitting volume, light-emitting efficiency than incandescent, but its performance was not enough stability. Comparing with the homogeneou

8、s combination of low power high brightness LEDs(HB-LEDs)or high power LEDs,the hybrid combination of HB-LEDs/high power LEDs has higher luminous efficiency,lower cost and better heat dissipation ability,thus it can be applied in fields for home decorate lighting and outdoor illuminance. Key words: S

9、emiconductor illumination, High power Light Emitting Diodes (LED), Assembly, Measurement method, Heat managementIII目 錄 目 錄1引言. .11.1半導(dǎo)體照明光源的提出. .11.2 LED的特性. .11.3 LED照明現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). .41.4相關(guān)光度學(xué)參數(shù)簡(jiǎn)介. . .71.5本課題的研究?jī)?nèi)容. . .72 LED的封裝與組裝. . .82.1 LED封裝方法的分類. . .82.2功率型LED封裝存在的問(wèn)題. . .92.3封裝發(fā)展趨勢(shì). . . .92.4新穎的LED

10、陣列封裝技術(shù)流體自組裝. .103 LED光源的光電參數(shù). .133.1 LED發(fā)白光的原理. .133.2 LED特征參數(shù)簡(jiǎn)介. .133.3LED照明光源光度參數(shù)的計(jì)算. .144 LED照明光源的制備. .174.1 LED吊頂燈與射燈的設(shè)計(jì). .174.2 LED光源驅(qū)動(dòng)電路. .184.3串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)流電源工作原理. .234.4便攜式LED采用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備. .264.5照明光源的組裝. . .284.6實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析. .295 LED的散熱問(wèn)題及解決方案. .325.1熱對(duì)LED的影響. .325.2 LED光源的熱傳導(dǎo)和疏散. .325.3實(shí)際制作的LED散熱器及測(cè)試. .

11、326結(jié)論. . . .34參考文獻(xiàn). . .35致謝. . . .36外文資料原文. . .37譯文. . . .391 引 言- 1 -1引 言1.1半導(dǎo)體照明光源的提出隨著全球能源價(jià)格的飛漲和供應(yīng)不穩(wěn)定，世界各國(guó)紛紛尋求各種節(jié)能方法，以減輕對(duì)能源的過(guò)度依賴。這其中，占電能終端消費(fèi)量近20的照明用電很有發(fā)掘潛力。據(jù)檢索，2004年中國(guó)累計(jì)發(fā)電21870億度，照明用電約占其中的15；美國(guó)2003年照明用電6000億度，占發(fā)電總量的約20。由于人們生活對(duì)電的嚴(yán)重依賴以及對(duì)電力需求量的逐年攀升，電力供應(yīng)不足或中斷會(huì)對(duì)人們生活造成巨大的影響，近年來(lái)中國(guó)不斷惡化的拉閘限電趨勢(shì)以及2000年美國(guó)和加拿

12、大的大停電等都說(shuō)明了這一點(diǎn)?，F(xiàn)在，隨著半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)的進(jìn)步，人們將照明節(jié)電的希望寄托在一種新型的照明光源固態(tài)照明光源（Solid State Lighting,SSL）上。SSL主要包括無(wú)機(jī)發(fā)光二極管（Light Emitting Diodes, LED）和有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diodes, LED）。目前LED的亮度較OLED高，其發(fā)光效率和發(fā)光量提高很快，特別是可用作照明的大功率發(fā)光二極管（High-Power Light Emitting Diodes），其發(fā)光效率已經(jīng)超過(guò)白熾燈，并向熒光燈的水平邁進(jìn)，單顆芯片的輸入功率已可達(dá)5W，甚至10W的水

13、準(zhǔn)，而其發(fā)光量已超過(guò)100流明。作為充滿希望的新一代照明光源，LED具有很多特點(diǎn)：它不依靠燈絲發(fā)熱來(lái)發(fā)光，能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上可以達(dá)到白熾燈10%的能耗，相比熒光燈，LED也可以達(dá)到50%的節(jié)能效果；LED為固體封裝，結(jié)構(gòu)牢固，使用壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)以上，是熒光燈的10倍，且廢棄物不含汞，不會(huì)造成二次污染。根據(jù)美國(guó)光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)（OIDA）的研究，LED照明光源潛在的優(yōu)點(diǎn)包括：到2025年，估計(jì)全球范圍內(nèi)由于使用SSL而將節(jié)約50的照明電能，沒(méi)有任何一種其它的電能消耗行業(yè)具有如此大的節(jié)能潛力。由于大多數(shù)電能來(lái)自燃燒礦物燃料，因此節(jié)約的電能就相當(dāng)于每年少向大氣中排放幾億噸的碳化物（CO，

14、CO2等）等污染源。不僅減輕對(duì)環(huán)境的壓力，還能節(jié)約對(duì)電站的投資和巨大的照明支出費(fèi)用。SSL代表了一種新型的照明光源，它將改變?nèi)藗儗?duì)人工照明光源的看法，并創(chuàng)造一個(gè)年產(chǎn)值近500億美元的產(chǎn)業(yè)。燈光設(shè)計(jì)師能將結(jié)構(gòu)精巧、式樣新穎的LEDs以面陣列的形式，以任何圖案和外形組裝在門上、墻上、天花板上，甚至嵌入在家具中，形成無(wú)器具感的明亮均勻照明。因此，作為一種新型綠色照明光源，LED，特別是有望進(jìn)入通用照明領(lǐng)域的大功率白光LED引起了人們廣泛的關(guān)注和深入的研究，它很有可能在不久的將來(lái)取代熒光燈等傳統(tǒng)光源，成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈和高壓放電燈（High Intensity Discharge，HID

15、）之后的第四代人工照明光源。1.2 LED的特性1.2.1 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由族化合物，如GaAs、AlGaInN、GaAsP等半導(dǎo)體材料在襯底（藍(lán)寶石，硅或SiC等）上外延生長(zhǎng)而成，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)，其核心是PN結(jié)。PN結(jié)是攜帶電子的n型半導(dǎo)體和攜帶空穴的p型半導(dǎo)體間的過(guò)渡層。當(dāng)p層加上正向電壓而n層加上負(fù)向電壓，電子就從n層流入p層，空穴從p層遷入n層。在p層中電子較少而存在大量的空穴，反之在n層中，空穴較少而存在大量的電子。這些電子與空穴的區(qū)別是其能量與動(dòng)量的不同，能量之差稱之為半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg。導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴相互復(fù)合時(shí)，要釋放出多余的能量。放出能

16、量的方式有兩大類： 射光子，成為輻射復(fù)合；不發(fā)射光子，成為非輻射復(fù)合，最后轉(zhuǎn)換為熱能或激發(fā)別的載流子。在熱平衡狀態(tài)下存在著熱激發(fā)與載流子間復(fù)合的平衡。由于不管是p區(qū)還是n區(qū)中少數(shù)載流子（少子）密度都很小，這種復(fù)合是很弱的。即使有輻射復(fù)合，由于材料的本征吸收，從外部是觀察不到光發(fā)射的。必須在半導(dǎo)體內(nèi)激發(fā)載流子，形成不平衡載流子，即需正向電流注入，它們的復(fù)合才會(huì)導(dǎo)致顯著的光發(fā)射,實(shí)現(xiàn)電能向光能的直接轉(zhuǎn)換，如圖1-1所示。圖1-1 LED發(fā)光原理圖為了獲得高的發(fā)光效率，需要保證以下幾點(diǎn)：無(wú)輻射復(fù)合的壽命要長(zhǎng)于輻射復(fù)合的壽命，為此需要提高少子的密度；要使晶體中的缺陷密度盡可能少而使注入的載流子密度高，

17、一般是把帶隙寬度小的發(fā)光層夾到禁帶寬度大的層內(nèi)，制成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即 （nm），式中Eg的單位為電子伏特（eV），若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.261.63eV之間。目前已開(kāi)發(fā)出發(fā)射紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光的發(fā)光二管，其中藍(lán)光二極管是近來(lái)人們研究的重點(diǎn)，它具有輸入功率大、發(fā)光亮度高、易于轉(zhuǎn)換得到白光等優(yōu)點(diǎn)，是大功率發(fā)光二極管的主要代表。1.2.2 LED的優(yōu)點(diǎn)LED是一種新型的光源，目前廣泛用于指示性照明和特種照明市場(chǎng)上，隨著性能的不斷提高，正向通用照明光源的方向發(fā)展

18、。與傳統(tǒng)人工照明光源相比，LED照明光源具有很多優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮螅篈發(fā)光效率高：基于特別的材料構(gòu)成，在電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，LED釋放的能量主要集中在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，不像鎢絲燈發(fā)出的電磁能很多集中在紅外線區(qū)，令人感覺(jué)到非常熱。也就是說(shuō)，理論上LED幾乎能把所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能，而白熾燈的可見(jiàn)光效率僅為10-20%?，F(xiàn)在商品化的LED的發(fā)光效率已超過(guò)35流明每瓦，這幾乎是鎢絲燈泡的兩倍。B光線質(zhì)量高：由于光譜中幾乎沒(méi)有紫外線和紅外線，故沒(méi)有輻射，產(chǎn)生的熱量很小，LED屬于典型的綠色照明光源。C光色純：與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光線很純。D LED光源顏色豐富：既有白

19、色的LED，也有發(fā)各種單色光的LED，而且顏色飽和度高，在需要色光的場(chǎng)合，不再需要用濾色片來(lái)進(jìn)行濾光，有利于節(jié)約電能。E能耗小：?jiǎn)误wLED的功率一般在0.05-3W，通過(guò)集群方式可以量體裁衣地滿足不同的需要，浪費(fèi)很少。F壽命長(zhǎng)：目前光通量衰減到70%的標(biāo)稱壽命為10萬(wàn)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈的1500小時(shí)和熒光燈的1萬(wàn)小時(shí)。G可靠耐用：沒(méi)有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，非正常報(bào)廢的可能性很小，維護(hù)費(fèi)用極為低廉。H應(yīng)用靈活：體積小，可平面封裝，易開(kāi)發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品，目前封裝后LED的厚度可小于1mm，易于做成點(diǎn)、線、面等各種形式的具體應(yīng)用產(chǎn)品。I綠色環(huán)保：廢棄物可回收，沒(méi)有污染，不像熒光燈含有汞等有害

20、成分。1.2.3 LED的發(fā)展與分類最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問(wèn)世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（p=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1 lm/W。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生了綠光（p=555nm）、黃光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效也提高到1 lm/W。到80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10lm/W。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著氮化物L(fēng)ED的發(fā)明，LED的發(fā)光效率有了質(zhì)的飛躍，而組成白光的重要原色藍(lán)光，也在1992年由日本著名

21、LED企業(yè)日亞化學(xué)的中村修二發(fā)明7。這樣整個(gè)可見(jiàn)光波譜內(nèi)的單色LED已經(jīng)完整，能夠滿足各種單色發(fā)光的應(yīng)用場(chǎng)所。A發(fā)光顏色從出光顏色上可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)光、白光等。B按發(fā)光強(qiáng)度分按發(fā)光強(qiáng)度分有普通亮度的LED(發(fā)光強(qiáng)度<100mcd)，高亮度LED(發(fā)光強(qiáng)度>l00mcd)，發(fā)光強(qiáng)度在10000mcd以上的稱超高亮度發(fā)光二極管。C按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm,4.4mm,5mm,8mm,10mm及20mm等。人們通常把3mm的LED記作T-1，把5mm的記作T

22、-1(3/4)。D按發(fā)光強(qiáng)度角來(lái)分從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分有三種：高指向型，標(biāo)準(zhǔn)型和散射型。高指向型一般為尖頭形環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑，半強(qiáng)度角為50-200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；標(biāo)準(zhǔn)型的半強(qiáng)度角為200-450，通常作指示燈用；而散射型的半強(qiáng)度角為450-900或更大，散射劑的量較大。1.3 LED照明現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)LED的研制起始于上世紀(jì)六十年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其出光顏色的種類、芯片尺寸、發(fā)光效率、輸入功率和封裝結(jié)構(gòu)等都有了很大的飛躍。最初，LED的發(fā)光量很小，主要采用支架式封裝，應(yīng)用于電子電氣、自動(dòng)化系統(tǒng)、家用電氣和交通運(yùn)輸工具等上面作指示性

23、照明。進(jìn)入90年代，隨著LED制造材料的革新、工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐漸進(jìn)入市場(chǎng)并占據(jù)重要地位。1998年，藍(lán)色和白光LED研制成功，LED照明進(jìn)入了實(shí)施階段。此后國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)高亮度LED器件中存在的散熱、光衰和顯色指數(shù)的控制等重大問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，獲得了很大的進(jìn)步，其發(fā)光效率迅速提高，高亮度LED顯示出在照明領(lǐng)域的巨大潛力。1.3.1大功率LED的研發(fā)計(jì)劃如上所述，LED照明光源具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，特別是自1998年白光LED發(fā)明后，人們認(rèn)識(shí)到了大功率白光LED在普通照明領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿Γ娂娂哟笱芯客度?，從而掀起了了一?chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命照明革命，其標(biāo)

24、志是半導(dǎo)體燈逐步替代白熾燈和熒光燈?？茖W(xué)界預(yù)測(cè)，到2007年，光電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平；2010年至2015年，光電子產(chǎn)業(yè)可能會(huì)取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)，成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)，并成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。因此各國(guó)紛紛制定了相應(yīng)的扶持發(fā)展半導(dǎo)體照明的計(jì)劃：日本于1998年在世界率先開(kāi)展“21世紀(jì)照明”計(jì)劃，旨在通過(guò)使用長(zhǎng)壽命、更薄更輕的GaN高效藍(lán)光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到傳統(tǒng)熒光燈的兩倍，減少CO2的產(chǎn)生，并在2006年完成用LED替代50%的傳統(tǒng)照明光源的目標(biāo)9。整個(gè)計(jì)劃的財(cái)政預(yù)算為60億日元。從1998-2002年，耗資50億日元的第一期目標(biāo)已經(jīng)完

25、成?，F(xiàn)在，日本正在實(shí)施第二期計(jì)劃，計(jì)劃到2010年將LED的發(fā)光效率提高到120 lm/W。美國(guó)能源部于2001年7月提出了“新一代照明光源計(jì)劃”，決定從20002010年投入5億美元，用于LED照明光源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究。為了指導(dǎo)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國(guó)光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)（OIDA）制定了相應(yīng)的技術(shù)路線圖，計(jì)劃到2020年，將LED的發(fā)光效率提高到200lm/W，而照明成本降低到3美元，如下表。歐盟于2000年7月啟動(dòng)了扶持半導(dǎo)體照明發(fā)展的“彩虹計(jì)劃”，決定通過(guò)歐盟的補(bǔ)助金來(lái)推廣白光發(fā)光二極管的應(yīng)用。希望通過(guò)該計(jì)劃實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、不使用有害環(huán)境的材料、模擬自然光的半導(dǎo)體照明。韓國(guó)則推出了“Ga

26、N半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)計(jì)劃”，擬從2000年至2008年，由政府投入4.72億美元，企業(yè)投入7.36億美元來(lái)進(jìn)行該計(jì)劃的開(kāi)發(fā)實(shí)施。其研究項(xiàng)目包括以GaN為研究材料的白光LED，藍(lán)、綠光激光二極管及高功率電子組件三大領(lǐng)域。中國(guó)大陸于2003年6月17日，由中國(guó)科技部牽頭成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組”，提出了我國(guó)實(shí)施半導(dǎo)體照明工程的總體方針，并緊急啟動(dòng)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)重大項(xiàng)目，要求在十五計(jì)劃底，結(jié)合制定國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃和第十一個(gè)科技五年計(jì)劃，研究提出中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體戰(zhàn)略和實(shí)施方案。從2006年的“十一五”開(kāi)始，國(guó)家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大工程

27、進(jìn)行推動(dòng)，這對(duì)于節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，提高照明質(zhì)量具有重要的意義。除了各國(guó)政府制定的宏觀發(fā)展計(jì)劃，在這場(chǎng)照明變革中，各大相關(guān)企業(yè)也推出了自己的研發(fā)計(jì)劃。世界三大照明工業(yè)巨頭通用電氣（GE）、飛利浦（Philips）和歐斯朗(OSRAM)集團(tuán)都已經(jīng)啟動(dòng)了大規(guī)模商用開(kāi)發(fā)計(jì)劃，紛紛與半導(dǎo)體公司合作或進(jìn)行并購(gòu)，成立半導(dǎo)體照明企業(yè)：全球最大的照明光源廠商Philips lighting公司于1999年7月與美國(guó)HP-Agilent技術(shù)公司合作投資1.5億美元，成立了Lumileds公司致力于白光LED研發(fā)工作，其Luxeon系列高亮度LED已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，生產(chǎn)的芯片尺寸為1平方毫米、功率為1w和5w的

28、白光LED光通量分別達(dá)到45lm和180lm；美國(guó)Cree、德國(guó)Siemens光電公司與Osram GmbH聯(lián)合，進(jìn)行白光LED光源的開(kāi)發(fā)研究工作；日本的Toshiba和Honda也進(jìn)行LED聯(lián)合研發(fā)等。1.3.2 LED應(yīng)用于照明的發(fā)展LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。自1998年白光LED研制成功以后，LED照明才真正進(jìn)入了實(shí)施階段。在各國(guó)半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃的大力激勵(lì)下，各研究實(shí)體加倍努力，可應(yīng)用于照明的高亮度LED的性能獲得了很快的提高。目前單顆高亮度白光LED芯片的發(fā)光效率已超過(guò)50lm/W，而輸入功率則超過(guò)3W。其實(shí)在LED產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，也有類似微電子領(lǐng)域的摩爾定律

29、。安捷倫的前任技術(shù)科學(xué)家Roland Haitz預(yù)測(cè)，LED的價(jià)格每十年將為原來(lái)的十分之一，性能則提高二十倍，這個(gè)預(yù)測(cè)后來(lái)被業(yè)界稱為Haitz定律，如圖1-3所示。這個(gè)預(yù)測(cè)給未來(lái)的LED照明產(chǎn)業(yè)預(yù)示了無(wú)限美好的前景，特別在目前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED照明光源給人們更多的期待。圖1-3 Haitz預(yù)測(cè)的LED性能與價(jià)格發(fā)展趨勢(shì)LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域，涉及到材料器件研制、散熱設(shè)計(jì)、光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝材料以及測(cè)試方法等眾多科技領(lǐng)域。目前LED照明光源已經(jīng)在特種照明領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，比如應(yīng)急照明、裝飾照明、景觀照明等，但進(jìn)入通用照明領(lǐng)域才是發(fā)揮LED巨大節(jié)能潛力的目標(biāo)。隨著LED性

30、能的迅速提高，價(jià)格的不斷下降，LED光源取代白熾燈和熒光燈必將很快實(shí)現(xiàn)。我國(guó)是照明燈具生產(chǎn)大國(guó)，在這場(chǎng)興起的半導(dǎo)體照明變革中，一定要抓住機(jī)會(huì)?？萍疾俊皣?guó)家半導(dǎo)體照明工程”計(jì)劃2007年半導(dǎo)體照明逐步取代白熾燈，2012年后取代熒光燈。據(jù)推測(cè)，在汽車尾燈、交通燈、公共設(shè)施以及家庭照明需求的帶動(dòng)下，2003-2007年我國(guó)高亮度發(fā)光管芯市場(chǎng)規(guī)模將保持年均將近25的增長(zhǎng)速度，到2007年我國(guó)高亮度LED管芯市場(chǎng)將會(huì)突破20億元。1.4相關(guān)光度學(xué)參數(shù)簡(jiǎn)LED照明涉及到光度學(xué)方面的知識(shí)，先做一介紹。光度學(xué)是1706年由朗伯建立的,它是研究光的發(fā)射、傳播、吸收和散射等過(guò)程中光的計(jì)量問(wèn)題的學(xué)科，也即對(duì)可見(jiàn)光

31、的能量計(jì)量的學(xué)科，研究各種光量，如發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度等的定義及其單位的選定，以及它們之間的關(guān)系等。了解光度學(xué)中相關(guān)的參數(shù)是光源計(jì)量與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。視見(jiàn)率：又稱“光譜光視效率”,表示不同波長(zhǎng)的光對(duì)人眼的視覺(jué)靈敏度。能引起人視覺(jué)感應(yīng)的可見(jiàn)光波長(zhǎng)在380780nm之間,實(shí)驗(yàn)表明：正常視力的觀察者，對(duì)波長(zhǎng)5.55×10-7米(555nm)的黃綠色光最敏感，而對(duì)紫外光和紅外光，則無(wú)視力感覺(jué)。取人眼對(duì)波長(zhǎng)為5.55×10-7米的黃綠光的視見(jiàn)率為1，其他波長(zhǎng)的可見(jiàn)光的視見(jiàn)率均小于1，紅外光和紫外光的視見(jiàn)率為零。某波長(zhǎng)的光的視見(jiàn)率與波長(zhǎng)為5.5×10-7米的黃綠光視見(jiàn)率的比稱為

32、該波長(zhǎng)的相對(duì)視見(jiàn)率。光通量：人眼所能感覺(jué)到的輻射能量，反映了一個(gè)光源所發(fā)出的光輻射能所引起的人眼光亮感覺(jué)的能力。它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見(jiàn)率的乘積，單位為流明(lm)：光通量(lm)=683×視見(jiàn)率×輻射能量(W)。1.5本課題的研究?jī)?nèi)容大功率LED作為半導(dǎo)體照明光源的代表，其技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用受到人們注。隨著發(fā)光效率的提高和輸入功率的增加，高亮度LED已進(jìn)入景觀照明明領(lǐng)域，并逐漸向通用照明市場(chǎng)發(fā)展。本課題主要圍繞高亮度LED照明光和電、光度特性參數(shù)的測(cè)試進(jìn)行研究，并對(duì)其封裝熱阻的計(jì)算作了探討，為源在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用作了必要的初步探索。本課題的研究?jī)?nèi)

33、容主要集中在以下幾個(gè)方面：1)論述LED封裝發(fā)展趨勢(shì)；2)組裝幾種LED光源樣品并測(cè)試、評(píng)價(jià)其性能；3)關(guān)注LED發(fā)熱問(wèn)題，探討改善其散熱能力的方法并實(shí)際制作出幾種不同的散熱器。4)對(duì)大功率LED的聚光問(wèn)題進(jìn)行初步研究。2 LED2 LED的封裝與組裝2 LED的封裝與組裝LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來(lái)的，但是作為發(fā)光器件，LED的封裝又有自己的特點(diǎn)：LED封裝不但要完成電信號(hào)的輸入輸出，保護(hù)芯片在正常的電流下工作，還得維持工作狀態(tài)下芯片的溫度不超過(guò)允許的范圍，這對(duì)于功率型LED的封裝來(lái)說(shuō)顯得尤為重要；另外封裝結(jié)構(gòu)和材料要有利于提高出光效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)電性能

34、和發(fā)光效率的最優(yōu)化。2.1 LED封裝方法的分類LED的封裝形式很多，主要包括支架式封裝、普通片式封裝、雙列直插式封裝、功率型封裝（芯片工作電流If200mA）和多芯片封裝等：1.支架式封裝始于二十世紀(jì)七十年代，這種封裝不僅可以保護(hù)發(fā)光芯片，而且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子彈頭型的環(huán)氧樹脂可以起到透鏡的作用。這種封裝形式的LED是典型的點(diǎn)狀光源，最適合作指示燈用，而且生產(chǎn)插件時(shí)極其方便，但是其封裝熱阻比較高。2.普通片式封裝迎合了封裝微型化和表面貼裝技術(shù)的要求，主要型號(hào)有0402、0603、0805、1206、1210等，封裝厚度一般在1mm以下，最薄的封裝厚度只有0.4mm,因

35、此在手機(jī)、PDA等便攜式電子產(chǎn)品中廣泛作為按鍵和屏幕的背光照明。3.雙列直插式封裝采用類似IC封裝的銅質(zhì)陰線框架固定芯片，并在焊接電極陰線后用透明環(huán)氧材料包封，如“食人魚”式封裝。這種封裝芯片熱散失較支架式好，熱阻低，LED的輸入功率可達(dá)0.1-0.5W。4.功率型封裝是為了適應(yīng)大光通量的要求而發(fā)展起來(lái)的。因?yàn)閷?duì)于普通照明，要求其光通量足夠大，一般在幾百流明以上。比如40W的白熾燈能發(fā)出約600流明的光通量，而一個(gè)40W的普通熒光燈發(fā)出的光通量超過(guò)3000流明。功率型封裝采用的是大尺寸LED芯片（如邊長(zhǎng)40mil），其工作電流一般在200mA以上，可輸出幾十流明的光通量。輸入功率的不斷增加使得

36、散熱問(wèn)題變得非常突出，因此功率型封裝中LED芯片多為倒裝式互連以提高散熱性能。倒裝型LED由于采用的是厚而不透明的金屬接觸層作為電流擴(kuò)展層，因而與傳統(tǒng)的正裝型LED相比，它能夠在大的工作電流下工作并保持很高的可靠性，同時(shí)，封裝到硅基板上后，由于芯片的激發(fā)區(qū)更靠近熱沉，元件產(chǎn)生的熱量能很快從導(dǎo)電金屬層通過(guò)焊料傳遞到熱沉而散失掉，有利于保持較高的發(fā)光效率。5.為了進(jìn)一步提高單個(gè)元件的光通量并降低封裝成本，近來(lái)出現(xiàn)了多芯片封裝技術(shù)并獲得了很大的發(fā)展。2003年，Lamina Ceramics公司推出了自己的專利封裝技術(shù)多層低溫陶瓷金屬基燒結(jié)(LTCC-M)技術(shù)，生產(chǎn)出集成度很高的LED陣列。通過(guò)倒裝

37、封裝工藝，該多芯片組裝器件的發(fā)光亮度在840cd/in2以上，流明效率超過(guò)40lm/W，而使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年，并且能在較高的溫度環(huán)境下正常工作。美國(guó)UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也為多芯片組合封裝結(jié)構(gòu)，它采用六角形鋁基金屬線路板作為熱沉，直徑為1.25英寸，發(fā)光區(qū)位于中心，可在金屬線路板上排列多達(dá)40個(gè)超高亮度倒裝型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）或白色（RGB三基色合成或藍(lán)色黃色二元色合成)。2006年2月，美國(guó)OPTEK公司推出了最新型的3D封裝的高亮度LED光源16，它的輸入功率為10W，輸出光通量為330流明，而視角則達(dá)

38、到了120度。這些多芯片組合封裝的功率型LED不僅集成度高，散熱性能良好，而且可在大電流下工作，具有很高的光輸出量，是一種很有發(fā)展前途的LED光源封裝模式。2.2功率型LED封裝存在的問(wèn)題作為新型照明光源，LED的發(fā)展?jié)摿κ俏鹩怪靡傻摹Ｈ藗兘诘哪繕?biāo)是將其發(fā)光效率和光通量提高到現(xiàn)有照明光源的水平，這期望于功率型LED和多芯片封裝技術(shù)。但目前功率型LED封裝還存在一些問(wèn)題有待解決，比如散熱效率低和成本過(guò)高，另外靜電防護(hù)和新出現(xiàn)的無(wú)鉛化互連等問(wèn)題也需注意。散熱一直是制約功率型LED發(fā)展的首要問(wèn)題。根據(jù)美國(guó)OIDA發(fā)展規(guī)劃，到2012年，每個(gè)LED單元的發(fā)光量將達(dá)1000流明，發(fā)光效率為150lm/

39、W，因此需要的輸入功率為7瓦，這其中由于產(chǎn)生熱量而浪費(fèi)的功率將達(dá)4瓦（(1klm)/(400lm/W150lm/W)），這還不考慮其它的能量損失，假如驅(qū)動(dòng)電路與發(fā)光單元是集成的，那么還得算上30以上的能量損失。雖然這個(gè)數(shù)值不大，但是由于必須在很小的芯片面積（約為0.017cm2(1klm/(400W/cm2×150lm/W)上散失到周圍環(huán)境中，因此它的熱流量將達(dá)到235W/cm2，這是常規(guī)微處理芯片所產(chǎn)生熱流量的45倍！如此大的熱通量必須及時(shí)的散失掉，因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率嚴(yán)重依賴于溫度，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度升高到一定水平后，會(huì)發(fā)生明顯的顏色漂移以及發(fā)光效率下降等現(xiàn)象。成本過(guò)高是LED光源面臨的

40、另一個(gè)挑戰(zhàn)。目前單顆1W LED元件的價(jià)格在15元左右，3W的價(jià)格在20元以上，標(biāo)稱發(fā)出的光通量分別為35lm和80lm。而一個(gè)出光量為3000多流明的40W熒光燈的價(jià)格卻不到10元。因此還需不斷提高LED元件的光通量，同時(shí)快速降低其價(jià)格。上述的多芯片封裝技術(shù)有望加速LED照明光源進(jìn)入通用照明市場(chǎng)。靜電防護(hù)在功率型LED封裝中是十分重要的。由于芯片的正負(fù)電極均位于芯片的同一個(gè)面上，間距很?。粚?duì)于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化層的厚度僅幾十納米，對(duì)靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，需要從電路設(shè)計(jì)、工藝操作以及附加保護(hù)器件上來(lái)保護(hù)功率型L

41、ED免遭靜電的損害。芯片輸入功率的提高還帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題熱遷移。因?yàn)長(zhǎng)ED芯片的功率密度非常大，而目前LED的發(fā)光效率較低，因此大量的電能轉(zhuǎn)化為了熱量。這些熱量在微小的芯片上產(chǎn)生很大的熱流密度，使得芯片與基板間形成一個(gè)較高的溫度梯度。由于原子在高低溫下的遷移速度不同，從而導(dǎo)致原子形成定向移動(dòng)，引起器件互連失效。2.3封裝發(fā)展趨勢(shì)隨著大功率LED芯片性能的迅速提高，功率型LED的封裝技術(shù)不斷改進(jìn)以適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展，如圖2-5所示：從開(kāi)始的引線框架式封裝到多芯片陣列組裝，再到如今的3D陣列式封裝，其輸入功率不斷提高，而封裝熱阻顯著降低。根據(jù)美國(guó)光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA)制定的目標(biāo)，到2012年，L

42、ED的發(fā)光效率將提高到150 lm/W，輸入功率密度達(dá)到400W/cm2，而成本則降到熒光燈的水平。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，進(jìn)一步改善LED封裝的熱管理將是關(guān)鍵之一，另外芯片設(shè)計(jì)制造與封裝工藝的有機(jī)融合也非常有利于產(chǎn)品性價(jià)比的提升，如美國(guó)Cree公司與Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，開(kāi)發(fā)出了光通量超過(guò)1000 lm，發(fā)光效率達(dá)57 lm/W的LED燈泡，并已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用；隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，采用透明型封裝材料和功率型MOSFET封裝平臺(tái)將是LED封裝發(fā)展的一個(gè)方向，功能集成(比如驅(qū)動(dòng)電路)也將進(jìn)一步的推動(dòng)LED封裝技術(shù)的發(fā)展。以前應(yīng)用于其它學(xué)科中的技術(shù)也可能在未來(lái)LED照

43、明光源的封裝中找到舞臺(tái)，如新興的流體自組裝（Fluidic Self-Assembly，F(xiàn)SA）技術(shù)等。2.4新穎的LED陣列封裝技術(shù)流體自組裝功率型LED封裝采用的是大尺寸、高輸入電流的芯片。芯片尺寸的增大使得比表面積下降，出光效率降低，同時(shí)大的輸入電流會(huì)產(chǎn)生更多的集中熱量，這加劇了封裝散熱的負(fù)擔(dān)，影響了芯片性能的正常發(fā)揮。因此，人們?cè)O(shè)想能否采用發(fā)光效率高、散熱性能好的小尺寸LED芯片(比如0.3×0.3mm2)進(jìn)行陣列式封裝，這不但能提高元件的發(fā)光效率，而且能形成高光通量的面光源，并有利于成本的降低。但是，芯片陣列封裝技術(shù)的要求很高，目前一種以流體作為工作介質(zhì)的流體自組裝技術(shù)（F

44、SA）受到了人們的關(guān)注。FSA具有并行地、大批量地、高精度地將LED芯片組裝到基板上的能力，而且操作簡(jiǎn)單靈活、散熱性能良好，有望實(shí)現(xiàn)多LED芯片的陣列式封裝。2.4.1 FSA的基本特征FSA是指在無(wú)人工干預(yù)的情況下，微元件（比如LED芯片）在載體溶液中依靠溶液的流動(dòng)，自行完成與基板相應(yīng)組裝位置的對(duì)位組裝方式。組裝系統(tǒng)一般包括四個(gè)組成部分：微元件、組裝基板、載體溶液和粘結(jié)材料。其中選用的粘結(jié)材料只與互連的微元件/基板表面形成良好的潤(rùn)濕，而不能潤(rùn)濕其它表面。FSA源于分子生物學(xué)中的電泳技術(shù)，其工藝過(guò)程為：首先批量制造出一定外形的微元件，同時(shí)在基板上刻蝕出相應(yīng)外形的組裝點(diǎn)，并在互連位置涂上焊料；然

45、后將過(guò)量的微元件分散懸浮在特定的載體溶液中，溶液的溫度使焊料處于熔融狀態(tài)；在外力攪拌的作用下，微元件就在基板組裝點(diǎn)周圍移動(dòng)，并隨機(jī)地接近某個(gè)對(duì)應(yīng)的組裝點(diǎn)；微元件在自身重力、液態(tài)粘結(jié)材料的毛細(xì)管力和表面張力等的作用下，經(jīng)過(guò)定位、定向而非常精確地連接到組裝點(diǎn)上；最后將沒(méi)有組裝的剩余微元件沖出基板表面，清除掉基板上的溶液。隨著組裝系統(tǒng)溫度的降低，粘結(jié)材料固化，從而完成機(jī)械與電互連。2.4.2 LED芯片在FSA工藝中的對(duì)位方式在FSA工藝中，LED芯片在基板相應(yīng)組裝點(diǎn)上的定向和定位是組裝成功的關(guān)鍵步驟之一，它直接影響LED芯片組裝的質(zhì)量和效率。芯片與基板組裝點(diǎn)對(duì)位的方式大致可分為以下三種：外形匹配、

46、粘結(jié)劑導(dǎo)向和混合對(duì)位模式。外形匹配式對(duì)位是主要通過(guò)微元件與基板上凹坑的外形對(duì)應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)微元件的定向和定位。其工藝一般是：首先制造出特定外形的LED芯片，同時(shí)在硅、玻璃等基板上刻蝕出相應(yīng)形狀的凹坑；然后將過(guò)量的LED芯片分散懸浮在選定的載體溶液中，在液體流動(dòng)或震動(dòng)的條件下，不同外形的元件將隨機(jī)落入與之相匹配的凹坑內(nèi)，如同拼裝積木一樣。沒(méi)有進(jìn)入組裝點(diǎn)的元件將被沖出基板表面，經(jīng)過(guò)清洗，進(jìn)入下一次的組裝。芯片在基板組裝點(diǎn)上對(duì)位后，將溶液清除干凈，經(jīng)過(guò)引線互連完成產(chǎn)品的組裝。外形匹配式自組裝原理簡(jiǎn)單，具有在三維空間內(nèi)高密度組裝、可靠性高和組裝面平整等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景很好。Hsi-Jen J等采用外形匹配方法

47、成功地將GaAs LED自組裝到Si基板上，實(shí)現(xiàn)了光電子元件與硅基板的大規(guī)模集成，如圖2-1所示。由于元件的高度和凹坑的深度一致，組裝后留下一個(gè)較平整的表面。然后將載體溶液去除，在范德華力作用下，微元件的下表面就和凹坑的底面連接在一起了。最后采用半導(dǎo)體工藝中的金屬化和引線刻蝕等方法完成表面的電互連。圖2-1外形匹配式FSA示意圖粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位是在載體溶液的振蕩激發(fā)作用下，利用粘接劑產(chǎn)生的毛細(xì)管力先粘接住LED芯片，然后在系統(tǒng)界面自由能最小化的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)芯片在組裝點(diǎn)上精確地定位和定向。對(duì)于不同特性的微元件，通常需要進(jìn)行多匹次并行裝配，即在單匹次中只并行裝配同一類芯片。在單匹次FSA工藝中，首

48、先在基板和/或待裝配微元件的綁定位置涂上自組裝單層（self-assembled monolayer，SAM），形成相互匹配的綁定點(diǎn)；然后在基板綁定點(diǎn)上涂粘結(jié)劑，粘結(jié)劑可以是導(dǎo)電焊料或不導(dǎo)電的粘結(jié)材料，它與SAM間有很好的潤(rùn)濕性，與其它的材料表面和載體溶液則難以潤(rùn)濕；接著將懸浮有芯片的載體溶液倒入裝有基板的裝配槽內(nèi)進(jìn)行對(duì)位組裝；最后去除載體溶液，通過(guò)加熱或紫外線照射等固化粘結(jié)材料，完成微系統(tǒng)的自組裝?；旌蠈?duì)位模式自組裝是使用具有特定導(dǎo)向性外形的LED芯片，在基板或芯片相應(yīng)的焊盤上涂覆粘結(jié)劑，然后將微元件懸浮在載體溶液中，在液體流動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自行對(duì)位組裝。它結(jié)合了外形匹配和粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位

49、這兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的識(shí)別不同類型微元件和高可靠性地并行組裝能力，因此能夠更加高效準(zhǔn)確地完成芯片的自組裝。Wei Zheng等研究了這種混合對(duì)位模式的自組裝方法，成功地將幾百個(gè)微小的AlGaInP/GaAs發(fā)光二極管在4分鐘內(nèi)組裝到載體基板上，組裝成功率超過(guò)97。該實(shí)驗(yàn)性微系統(tǒng)包括三個(gè)組件：一個(gè)LED芯片，一個(gè)硅載體和一個(gè)耐熱的玻璃包封單元。硅載體和玻璃包封單元均刻蝕有200微米深的菱臺(tái)形開(kāi)口，這與LED芯片的厚度一致。三個(gè)組件具有明顯互補(bǔ)的外形、銅引線電路和銦焊料圖案，圖2-1（a）顯示了硅載體和玻璃包封單元的制作過(guò)程。完成微組件的制備后，然后在100的乙烯乙二醇（沸點(diǎn)197）溶液中，在活塞泵產(chǎn)生的脈沖流體的強(qiáng)力攪拌下，經(jīng)兩步完成微系統(tǒng)的自組裝：第一步是硅載體和LED芯片依靠外形識(shí)別自行對(duì)位，鍍金的芯片背面與硅載體凹坑內(nèi)涂覆有銦焊料的底面連接，液態(tài)焊料表面能最小化驅(qū)使LED芯片自行地調(diào)整到對(duì)準(zhǔn)的位置，對(duì)準(zhǔn)精度一般