LED制造技術(shù)與應(yīng)用1-1

1、第一篇 LED封裝技術(shù)天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院光伏發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)，電子信息與自動(dòng)化學(xué)院LEDLED制造技術(shù)與應(yīng)用制造技術(shù)與應(yīng)用 沈沈 潔潔 情境一情境一 LED的認(rèn)識(shí)的認(rèn)識(shí) LED（Light Emitting Diode）即發(fā)光二極管，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的固體器件。常見的Lamp LED的基本結(jié)構(gòu)為：1.1 LED 發(fā)展簡史 LED是繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈之后的第四代新光源。光源自然光人造光源傳統(tǒng)型電光源LED LED的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：指示應(yīng)用階段信號(hào)顯示階段全彩照明階段1.2 LED的發(fā)光原理LED的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，核心部分由P型半導(dǎo)體

2、和N型半導(dǎo)體組成的晶片。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為PN結(jié)。其發(fā)光過程可以用PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來做解釋。半導(dǎo)體能級(jí)圖 LED發(fā)光的顏色由半導(dǎo)體的種類決定，不同種類的半導(dǎo)體具有不同的禁帶寬度Eg。電子、空穴復(fù)合釋放的能量由禁帶寬度Eg決定。1240nmEg要產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光 780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26 eV 1.63eV 之間，比紅光波長長的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光等各種顏色的LED。1.3 LED的基本參數(shù)1.3.1 LED的電學(xué)參數(shù)的電學(xué)參數(shù)LED電壓電流特性曲線1.正向電流IF、最大正向電流IFmLED正向電流IF是指L

3、ED正常發(fā)光時(shí)的正向電流值；最大正向電流IFm是指允許加在LED兩端的最大正向直流電流。LED電壓電流特性曲線2正向電壓VFVF是指通過發(fā)光二極管的正向電流為確定值時(shí)，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。一般是在IF=20mA時(shí)測(cè)得的。LED電壓電流特性曲線3反向漏電流IRIR是指LED器件處于反向偏置時(shí)的PN節(jié)漏電流。按照LED的常規(guī)規(guī)定，習(xí)慣指反向電壓在5V時(shí)的反向漏電流。LED電壓電流特性曲線4最大反向電壓VRmVRm是指LED兩端所允許加的最大反向電壓。LED電壓電流特性曲線5允許功耗PmPm是指允許加在LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱，易損壞。1.3.2 LE

4、D的光學(xué)參數(shù)1LED的光波長（）LED的光波長決定了LED的發(fā)光顏色，是一個(gè)很重要的一項(xiàng)指標(biāo)。此參數(shù)在LED生產(chǎn)和設(shè)計(jì)過程中相當(dāng)重要，因?yàn)轭伾煌?，相關(guān)的參數(shù)也有很大的變化。目前LED的顏色主要有紅色、綠色、藍(lán)色、青色、黃色、白色、暖白、琥珀色等顏色。2光通量（F）光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的光通量，單位流明，即lm。光通量是人為量。因?yàn)檫@種定義完全是根據(jù)人眼對(duì)光的響應(yīng)而來的。人眼對(duì)不同顏色的光的感覺是不同的，此感覺決定了光通量與光功率的換算關(guān)系。3發(fā)光強(qiáng)度（I）發(fā)光強(qiáng)度簡稱光度，指光源的明亮程度。是說從光源一個(gè)立體角（單位為Sr）所放射出來的光通量，即光源或照明燈具所發(fā)出的光通量在

5、空間選定方向上分布密度。單位是坎德拉，即cd。4LED光照度（E）光照度是受照平面上接受光通量的密度，可用每一單位面積的光通量來測(cè)量。單位：勒克斯，即lx。1流明的光通量均勻分布在1 平方米表面上所產(chǎn)生的光照度，即為1勒克斯。5發(fā)光亮度（L）亮度是指物體明暗的程度，定義是單位面積的發(fā)光強(qiáng)度。單位：cd/ m2，也稱尼特。6光效光效是光源效率的簡稱，是指光源發(fā)出的光通量除以光源的功率，即光源效率（Lm/W）= 流明（Lm）/ 耗電量（W）。它是衡量光源節(jié)能的重要指標(biāo)，其數(shù)值越高表示光源的效率越高，也越為節(jié)能。1.3.3 LED的色度學(xué)參數(shù)1色溫以絕對(duì)溫度 K 來表示，即將一標(biāo)準(zhǔn)黑體加熱，溫度升高

6、到一定程度時(shí)，顏色開始由深紅淺紅橙黃綠藍(lán)，逐漸改變，當(dāng)加熱到與光源的顏色相同時(shí)，我們將黑體當(dāng)時(shí)的絕對(duì)溫度稱為該光源的色溫。2顯色性光源對(duì)物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度。1.3.4 LED的其他參數(shù)1發(fā)光角度二極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，主要靠二極管生產(chǎn)時(shí)加散射劑來控制。根據(jù)角度的不同，一般分為三大類：（1） 高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。發(fā)光角度520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。（2） 標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其發(fā)光角度為2045。（3） 散射型。這是視角較大的指示燈，發(fā)光角

7、度為4590或更大，散射劑的量較大。2眩光視野內(nèi)有亮度極高的物體或強(qiáng)烈的亮度對(duì)比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質(zhì)量的重要因素。3結(jié)溫結(jié)溫就是半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度。4光衰光衰就是LED發(fā)光亮度的衰減，各種品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的廠家能夠給出標(biāo)準(zhǔn)的光衰曲線來。一般來講結(jié)溫越高光衰越快。5使用壽命LED的壽命表現(xiàn)為它的光衰，也就是時(shí)間長了，亮度就越來越暗，直到最后熄滅。通常定義亮度衰減到初始亮度的30%的時(shí)間作為其壽命。1.4 LED光源的優(yōu)點(diǎn)光源的優(yōu)點(diǎn)1節(jié)能25W白熾燈5W節(jié)能燈3W白光LED燈泡單價(jià)（元）21250平均壽命（小時(shí)）1500600050000使用5萬

8、小時(shí)所需燈泡數(shù)34915萬小時(shí)耗電量（KWh）12503502505萬小時(shí)總花費(fèi)（元）813.8311195三種亮度相同的光源2. 環(huán)保（1）LED是環(huán)保性能最好的光源。用于照明的LED光譜中，沒有多余的紫外線和紅外線，不含汞等有害物質(zhì)。（2）在運(yùn)輸、包裝和使用中不會(huì)破碎，廢棄物可回收，無污染，是一種綠色光源。3. 發(fā)光效率高燈的種類光效電源效率光照效率燈具效率壽命實(shí)際光效白熾燈、鹵鎢燈1224lm/W60%60%1800h7.2lm/W熒光燈5080 lm/W65%60%60%1800h18.72lm/W高壓鈉燈90140 lm/W50%55%51%6000h14lm/WLED7080 lm

9、/W95%85%90%5w10wh58.14lm/W幾種光源的光效比較4體積小、重量輕，便于集成、組合易于設(shè)計(jì)輕、薄、小的產(chǎn)品，比如LED燈具與LED平板電視屏，固體發(fā)光管；而且能更好地實(shí)現(xiàn)夜景照明中“只見燈光不見光源”的效果。5使用壽命長，堅(jiān)固耐用 （1） 單只LED的使用壽命為5萬10萬小時(shí)，因?yàn)長ED是半導(dǎo)體器件，即使是頻繁的開關(guān)，也不會(huì)影響到使用壽命。 （2）采用環(huán)氧樹脂封裝，耐震動(dòng)、耐沖擊，沒有玻璃與燈泡等易損易燒部件。6單色性好，色彩鮮艷豐富7. 發(fā)光指向性強(qiáng)8. 響應(yīng)速度快9. 無閃爍、無紫外線10. 亮度可調(diào)性好11. 采用直流供電，安全穩(wěn)定1.5 LED的常見分類的常見分類1

10、.5.1 按發(fā)光顏色分類按發(fā)光管發(fā)光顏色分，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)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。1.5.2 按出光面特征分類按發(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。1.5.3 按發(fā)光強(qiáng)度角分類1. 高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。2. 標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為2045。3. 散射型。這是視角較

11、大的指示燈，半值角為4590或更大，散射劑的量較大。1.5.4 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分類按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。1.5.5 按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分類按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有發(fā)光強(qiáng)度小于10mcd的普通亮度LED；發(fā)光強(qiáng)度在10100mcd間的稱為高亮度LED；達(dá)到或超過100mcd 的稱超高亮度LED。1.5.6 按封裝形式分類LED按封裝形式分類主要有引腳式封裝（Lamp LED）、平面式封裝（Flat LED）、貼片式封裝（SMD LED）、大功率型封裝（High-power LED）、Flip Chip 封裝等LED產(chǎn)品。1.6

12、 LED的應(yīng)用的應(yīng)用LED的應(yīng)用很廣，括通訊、消費(fèi)性電子、汽車、照明、信號(hào)燈等，可大體區(qū)分為信息顯示、交通、汽車用燈、背光源、照明等五大領(lǐng)域。1.6.1 信息顯示1.6.2 交通領(lǐng)域1.6.3 汽車用燈1.6.4 背光源1.6.5 半導(dǎo)體照明1.7 LED的產(chǎn)業(yè)鏈上游：制造LED的原材料，外延片的制備等。中游：LED芯片制造。下游：LED封裝及產(chǎn)品應(yīng)用。2. LED產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀LED經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀看，日本和美國最具有技術(shù)實(shí)力，德國Osram公司在某些領(lǐng)域擁有世界領(lǐng)先技術(shù)。全球的LED市場份額如下圖思考題：1-在LED的發(fā)展歷史中，隨著發(fā)光效率的增加，其用途越來越廣泛。請(qǐng)?jiān)嚪?/p>

13、析，LED的發(fā)光效率和其它點(diǎn)光源相比，有什么優(yōu)勢(shì)？有什么劣勢(shì)？ 2-在LED發(fā)光原理中，其發(fā)出的光子波長和其禁帶寬度有關(guān)。請(qǐng)?jiān)嚪治?，如果一顆LED發(fā)出的光是620nm的紅光，那么，其禁帶寬度是多少？ 3-在LED的光學(xué)參數(shù)中，涉及到光譜，光效，光通量，光強(qiáng)，亮度，照度等，請(qǐng)?jiān)嚪治?，這幾個(gè)參數(shù)之間的聯(lián)系與影響。 4-LED光源的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)能，環(huán)保等，請(qǐng)?jiān)嚪治?，隨著時(shí)間推移，社會(huì)發(fā)展，LED的哪一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在未來會(huì)越來越突出。 5-在LED的分類中，我們介紹了幾種分類方法，試分析這些分類的區(qū)別與聯(lián)系。 6-在LED的應(yīng)用中，請(qǐng)查找資料，試分析現(xiàn)在這些應(yīng)用的普及情況及發(fā)展趨勢(shì)。 7-在LED的產(chǎn)業(yè)鏈中，

14、試分析上中下游行業(yè)的進(jìn)入門檻及發(fā)展趨勢(shì)。 無論何種LED產(chǎn)品，都需要針對(duì)不同用途和結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)出合理的封裝形式。LED只有經(jīng)過封裝才能成為終端產(chǎn)品，才能投入實(shí)際應(yīng)用，因此，對(duì)LED而言，封裝前的設(shè)計(jì)和封裝過程的質(zhì)量控制尤為重要。1.8 LED封裝知識(shí)封裝知識(shí)1.8.1 為什么要對(duì)LED進(jìn)行封裝 LED封裝是完成輸出電信號(hào)，保護(hù)管芯正常工作，輸出可見光的功能。 LED封裝的功能主要包括：機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高LED性能；光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制。1.8.2 LED封裝材料的要求用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕

15、性，絕緣性，機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對(duì)光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB線路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。1.8.3 LED封裝環(huán)境的要求1 LED封裝工藝環(huán)境封裝工藝環(huán)境1. 凈化要求2. 溫濕度要求3.防靜電要求2 LED封裝過程中的安全防護(hù)（1）. LED封裝安全性的認(rèn)識(shí)LED在生產(chǎn)、測(cè)試、存儲(chǔ)、運(yùn)輸及裝配過程中，儀器設(shè)備、材料和操作人員都很容易因摩擦而產(chǎn)生幾千伏的靜電電壓。（2）. LED封裝防靜電規(guī)程設(shè)法不使靜電產(chǎn)生,對(duì)已產(chǎn)生的靜電，應(yīng)盡量限制，使其達(dá)不到危險(xiǎn)的程度。使產(chǎn)生的電荷盡快泄漏或中和，從而消除電荷的大量積聚。常用的靜電測(cè)量、測(cè)試、消除設(shè)備1.8.4 Lamp-LED封裝 Lamp-LED早期出現(xiàn)的是直插LED，它的封裝采用灌封的形式。直插式Lamp LED的封裝結(jié)構(gòu)1. 支架2. 芯片3. 金線和鋁線4. 反光杯5. 環(huán)氧樹脂或硅膠透鏡1.8.