LED光電參數介紹

白光LED及功率LED簡介黃海山2009-3-9主要內容LED發(fā)光原理芯片結構光（色）參數電參數熱參數工藝不良應用GR&RLED發(fā)光原理芯片的發(fā)光原理芯片的核心是PN結。通過摻雜工藝使N型區(qū)內電子很多而空穴很少，P型區(qū)內空穴很多而電子很少。多子的擴散（濃度差導致）與少子的漂移（PN區(qū)的內建電場作用導致）的動態(tài)平衡使得P區(qū)與N區(qū)之間形成PN結（耗盡層）當在PN結兩端加上正向偏壓之后，動態(tài)平衡被破壞，電子在電場作用下由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，進入對方區(qū)域的少數載流子（少子）與多數載流子（多子）復合，就會以輻射光子的形式將多余的能量轉化為光能。激發(fā)態(tài)，不穩(wěn)定,自發(fā)輻射，跳回基態(tài)，并發(fā)光芯片結構橫向結構垂直結構橫向結構垂直結構光參數光通量（Φ）光強（Iv）半強角（θ1/2）色坐標（XY）波長（主波長λD、峰值波長λp、平均波長λ）色溫、相對色溫（Tc）顯色指數（Ra）光效光通量（φ）光源每秒種發(fā)出的可見光量之和點光源或非點光源在單位時間內所發(fā)出的能量,其中可產生視覺者（人能感覺出來的輻射通量）即稱為光通量單位：流明（lm）光通量并不等同與光功率，這其中與光學窗口有關，也就是人眼睛對顏色的靈敏度。人的眼睛對555nm(綠光)靈敏度最強，所以同樣條件下綠光相比藍光而言具有更高的光通量。光通量測試方法：積分球法和變角光度計法。如圖所示，現有的積分球法測LED光通量中有兩種測試結構，一種是將被測LED放置在球心，另外一種是放在球壁。

積分球內壁涂白色漫反射層，且球內壁各點漫射均勻。光源在球壁上任意一點上產生的光照度是由多次反射光產生的光照度疊加而成的。由積分學原理可得，球面上任意一點的光照度為與光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的標準燈與被測燈進行比較得到被測燈的光通量光強（Iv）描述了光源在某方向上的強度定義為發(fā)射到單位立體角內的光通量值法向光強、最大光強光強空間分布曲線：表征光源在各個方向上的強度單位：坎德拉（cd）1坎德拉表示在單位立體角內輻射出1流明的光通量光強LED由于其光強分布的不一致使得測試結果隨測試距離和探測器孔徑變化。因此，CIE-127提出了兩種推薦測試條件使得各個LED在同一條件下進行光強測試與評價d=100mm，圓孔=100mm2d=316mm，圓孔=100mm2半強角(θ1/2)發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角體現LED的視角大小與產品的封裝外形、封裝深度有關

色坐標（x，y）表示CIE1931色度圖上的一個點包含了顏色的飽和度、色調、色溫、主波長等信息CIE1931RGBCIE1976UCSL*a*b色空間的色立體表示法孟賽爾色度圖CIE1931XYZCIE1931色度圖

(CIE1931ChromaticityDiagram）

（CIE1931xyY）圖中x坐標是紅原色的比例，y坐標是綠原色的比例，代表藍原色的坐標z可由x＋y＋z＝1推出弧線上的各點代表純光譜色，此弧線稱為光譜軌跡。從400納米(紫)到700納米(紅)的直線是光譜上沒有的紫-紅顏色系列(非光譜色)。中心點C代表白色，相當于中午太陽光的顏色，其色品坐標為x＝0.3101，y＝0.3162。任何兩種顏色混合時，混合色的顏色點一定在前兩顏色點的連線上。色域自然界中各種實際顏色都位于這條閉合曲線內，輪廓包含所有的感知色調CIE1931色度圖

(CIE1931ChromaticityDiagram）

（CIE1931xyY）色品圖上任給一點S，連結CS，其延長線交光譜軌跡于O點，O點處的波長即顏色S的主波長，決定了顏色S的色調。從C到S點和O點的距離之比CS／CO為該顏色的飽和度（純度）。從光譜軌跡上任一點通過C點引一直線到達對側光譜軌跡上的另一點，則該直線兩端的顏色互為補色。從代表非光譜色系列的直線上任一點P通過C點引一直線，交光譜軌跡于Q點，Q點的顏色是P點非光譜色的補色。非光譜色的表示方法是在它的補色波長后加一字母c波長用于表征光的顏色對于波長為585nm的光，當顏色變化大于1nm時，人眼就可以感覺到。而對于波長為650nm的紅光，當顏色變化在3nm的時候，人眼才能察覺到。對于波長為465nm的藍光和525nm的綠光，人眼的分辨率分別為～2nm和～3nm。波長主波長（λD）任何一個顏色都可以看作為用某一個光譜色按一定比例與一個參照光源（如CIE標準光源A、B、C等，等能光源E，標準照明體D65等）相混合而匹配出來的顏色相當于人眼觀測到的顏色的色調（心理量）無法唯一的表示一個顏色峰值波長（λp）：光譜輻射功率最大的波長。色溫、相關色溫（Tc）將一標準黑體加熱，溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時，我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫。相關色溫：當光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時，黑體對應的溫度就稱為該光源的相對色溫。單位：開爾文（K）色溫在3300K以下，光色偏紅給以溫暖的感覺；有穩(wěn)重的氣氛，溫暖的感覺；色溫在3000--6000K為中間，人在此色調下無特別明顯的視覺心理效果，有爽快的感覺；故稱為“中性”色溫。色溫超過6000K，光色偏藍，給人以清冷的感覺，

自然光源（太陽、星星、火等）的溫度特性曲線都非常接近普朗克軌跡（黑體輻射軌跡）人工光源中，只有白熾燈與黑體加熱發(fā)光相似，一般使用相關色溫表征普朗克軌跡等溫線顯色指數（Ra）把光源對物體真實顏色的呈現程度稱為光源的顯色性，為了對光源的顯色性進行定量的評價，引入顯色指數的概念。以標準光源（太陽）為準，將其顯色指數定位100，其余光源的顯色指數越接近100，說明光源對物體顏色的還原性越好。顯色性高的光源對顏色表現較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色表現較差，我們所見到的顏色偏差也較大連續(xù)光譜、非連續(xù)光譜提高色溫的方法YAG熒光粉、硅酸鹽熒光粉的差異硅酸鹽熒光粉YAG熒光粉麥克亞當寬容度橢圓對人眼視覺來說，當一種顏色在CIE色度圖上的坐標位置變化很小時，人眼仍認為它是原來的顏色，感覺不出它的變化。因此，每個顏色實際上是一個范圍(即所謂的“顏色寬容量”)，在這個范圍內變化時人跟視覺是感覺不到的。為各種顏色的分光、分bin提供依據。坐標上距離差與眼睛所感覺色差不相同，所以CIE1931色度圖不是一個均勻色彩系統(tǒng)。光效光源所發(fā)出的總光通量（流明、亮度）與該光源所消耗的電功率（瓦）的比值，稱為該光源的光效。發(fā)光效率值越高，表明照明器材將電能轉化為光能的能力越強，即在提供同等亮度的情況下，該照明器材的節(jié)能性越強；在同等功率下，該照明器材的照明性越強，即亮度越大。單位：流明/瓦（lm/w）電參數正向電壓VF正向電流IF反向擊穿電壓VR反向電流IRI-V特性曲線閾值電壓閘流體小電壓電參數極限參數IFP：允許加的最大的正向脈沖電流，超過此值可損壞二極管；IFM：允許加的最大的正向直流電流；VR：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。其他參數結電容：Cj

響應時間：上升時間tr，下降時間tf

熱參數結溫熱阻（Rth）熱阻（Rth）在LED點亮后達到熱量傳導穩(wěn)態(tài)時，芯片表面每耗散1W的功率，芯片PN結點的溫度與連接的支架或鋁基板的溫度之間的溫差就稱為熱阻Rth。單位為℃/WRth=(Tj-Tx)/P==(Tj-Tx)/(IF*VF)Tj為施加大小為P的加熱功率脈沖后測得的LED結溫；Tx為熱沉鋁基板上的溫度。

瞬態(tài)熱阻測試利用半導體器件在恒定電流下LED的正向電壓與溫度具有很好的線性關系VTj=VTo+K(Tj-To)

式中，VTj、VTo分別是Tj和To時的輸入電壓；K是熱敏溫度系數（通過測試穩(wěn)態(tài)熱阻獲得）Rth=ΔVF/K·P

降低熱阻的方法降低芯片的熱阻。最佳化熱通道。通道架構：長度（L）越短越好；面積（S）越大越好；環(huán)節(jié)越少越好；消除通道上的熱傳導瓶頸。通道材料的導熱系數λ越大越好。改良封裝工藝，令通道環(huán)節(jié)間的介面接觸更緊密可靠。強化電通道的導/散熱功能。選用導/散熱效能更高的出光通道材料（封裝材料）。結溫當電流流過LED元件時，PN結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把PN結區(qū)的溫度定義為LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。Tpn=T環(huán)境+（Rth+R接觸熱阻）·（IF·VF-P光）結溫的產生芯片內部產生的極大部分光子(>90％)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質介面產生全反射，返回芯片內部并通過多次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。散熱（熱阻）接觸電阻導致的發(fā)熱少子的擴散、注入效率小于100%降低結溫的方法減少LED本身的熱阻；良好的二次散熱機構；減少LED與二次散熱機構安裝介面之間的熱阻控制額定輸入功率;降低環(huán)境溫度制作工藝裝架鍵合點熒光膠封裝切筋測試包裝白光LED紅、綠、藍三原色LED芯片或者三原色LED管混合實現白光。發(fā)紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍三基色的熒光粉（顯然，也可選用兩基色、四基色、五基色熒光粉）有機結合組成白光LED。在InGaN/GaN藍光芯片上涂敷釔鋁石榴石(YAG∶Ce3+)熒光粉。部分藍光激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出黃光與剩余的藍光混色形成白光。白光LED膠的控制配比膠量控制氣泡攪拌沉淀燒結顯色指數光斑功率LED散熱、熱阻材料散熱能力粘結膠薄而均勻空洞封裝TopLED吸潮支架表面處理烘烤不良開路：芯片損壞、虛焊、應力導致的金絲斷、環(huán)氧開裂等。反向（漏電流）：芯片損壞、銀膠過高、靜電破壞電壓：虛焊、銀膠過高、過低色坐標：膠量、配比、芯片選用。小電壓：IV特性曲線變差，PN結特性變差。光通量：芯片、封裝材料錯誤熱阻：銀膠不足或過厚、芯片、材料不良光強：封裝深度、偏支架、散色劑量外觀：黑點、劃傷、色差、混料應用GR&R重復性同一評價人多次測量獲得的測量變差計量型測量系統(tǒng)分析系統(tǒng)內部變差可能由于儀器一致性不好、內部磨損引起再現性不同評價人，測量平均值的變差系統(tǒng)外部變差可能由于評價人、環(huán)境、方法、誤差引起的計量型測量系統(tǒng)分析方法極差法均值極差法方差法進行步驟選擇樣本（10個）穩(wěn)定分布遍布我們的使用：游標卡尺（測量定位柱、管腳）、波長（測量紅光、藍光、綠光……）對樣本進行編號（編號必須隱秘，測試時不可見）由測量人A以隨機順序測量10個樣本，并記錄測量人B、C也以隨機順序對這10個樣本進行測量（結果互不可見）用不同的隨機測量順序重復該循環(huán)2次將測量數值填入Excell表格，自動判定步驟4、5最好間隔一個班以上，同時測量前須常規(guī)操作，如校正、點檢等。結果分析均值圖：測量系統(tǒng)的“可用性”指示控制限內部區(qū)域表示測量靈敏度一半以上的均值應落在控制限以外，否則說明分辨率不足或者樣本有缺陷極差圖：確定過程是否受控若一個評價人不受控，說明他的方法與他人不同若三個測量人均不受控，說明測量系統(tǒng)對測量人的技術很敏感，必須改善。GR&R實例其他R&R：小于10%，可以接受介于10%到30%之間，可接受或不可接受，依重要性大于30%，不能接受。EV（重復性）>AV（再現性）：夾緊、定位、保養(yǎng)須改善EV<AV：作業(yè)標準化。ESD人體模式機器模式充電器件模式人體模式該模型表征人體帶電接觸器件放電，Rb為等效人體電阻，Cb為等效人體電容。機器模式機器模型的等效電路與人體模型相似，