1、白光白光LED及功率及功率LED简介简介黄海山黄海山2009-3-9主要内容nLED发光原理发光原理n芯片结构芯片结构n光（色）参数光（色）参数n电参数电参数n热参数热参数n工艺工艺n不良不良n应用应用nGR&RLED发光原理n芯片的发光原理芯片的发光原理n芯片的核心是芯片的核心是PN结。通过掺杂工艺使结。通过掺杂工艺使N型区内电子很多而空穴很少，型区内电子很多而空穴很少，P型区型区内空穴很多而电子很少。多子的扩散（浓度差导致）与少子的漂移（内空穴很多而电子很少。多子的扩散（浓度差导致）与少子的漂移（PN区区的内建电场作用导致）的动态平衡使得的内建电场作用导致）的动态平衡使得P区与区与N区之间
2、形成区之间形成PN结（耗尽层）结（耗尽层）n当在当在PN结两端加上正向偏压之后，结两端加上正向偏压之后，动态平衡被破坏，电子在电场作用下动态平衡被破坏，电子在电场作用下由由N区注入区注入P区，空穴由区，空穴由P区注入区注入N区区 ，进入对方区域的少数载流子（少子，进入对方区域的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合）与多数载流子（多子）复合 ，就，就会以辐射光子的形式将多余的能量转会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。化为光能。激发态，不稳定,自发自发辐射辐射，跳回基态，并发光芯片结构n横向结构横向结构 n垂直结构垂直结构 横向结构垂直结构光参数n光通量（光通量（）n光强（光强（Iv）
3、n半强角（半强角（1/2）n色坐标（色坐标（XY）n波长波长（主波长（主波长D、峰值波长、峰值波长p、平均波长、平均波长）n色温、相对色温（色温、相对色温（Tc）n显色指数（显色指数（Ra）n光效光效光通量（）n光源每秒种发出的可见光量之光源每秒种发出的可见光量之和和n点光源或非点光源在单位时间点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量内所发出的能量,其中可产生视其中可产生视觉者（人能感觉出来的辐射通觉者（人能感觉出来的辐射通量）即称为光通量量）即称为光通量 n单位：流明（单位：流明（lm）n光通量并不等同与光功率，这光通量并不等同与光功率，这其中与光学窗口有关，也就是其中与光学窗口有关，也就是
4、人眼睛对颜色的灵敏度。人的人眼睛对颜色的灵敏度。人的眼睛对眼睛对555nm(绿光绿光)灵敏度最灵敏度最强，所以同样条件下绿光相比强，所以同样条件下绿光相比蓝光而言具有更高的光通量。蓝光而言具有更高的光通量。光通量n测试方法：测试方法：积分球法积分球法和和变角光度计法变角光度计法。如图所示，现有的积分球法测。如图所示，现有的积分球法测LED光通量中有两种测试结构，一种是将被测光通量中有两种测试结构，一种是将被测LED放置在球心，另外一种是放放置在球心，另外一种是放在球壁。在球壁。 n积分球内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点积分球内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀漫射均匀。光源在球壁上任意。光
5、源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可得，球面上任意一点的光照度为与光源光通量成正比，因此可利用原理可得，球面上任意一点的光照度为与光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的标准灯与被测灯进行比较得到被测灯的光通量已知光通量的标准灯与被测灯进行比较得到被测灯的光通量光强（Iv）n描述了光源在某方向上的强描述了光源在某方向上的强度度n定义为发射到单位立体角内定义为发射到单位立体角内的光通量值的光通量值n法向光强、最大光强法向光强、最大光强n光强空间分布曲线：表征光光强空间分布曲线：表征光源
6、在各个方向上的强度源在各个方向上的强度n单位：坎德拉（单位：坎德拉（cd）n1坎德拉表示在单位立体角坎德拉表示在单位立体角内辐射出内辐射出1流明的光通量流明的光通量 光强nLED由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化。因此，离和探测器孔径变化。因此，CIE-127提出了两种推提出了两种推荐测试条件使得各个荐测试条件使得各个LED在同一条件下进行光强测试在同一条件下进行光强测试与评价与评价nd=100mm，圆孔，圆孔=100mm2nd=316mm，圆孔，圆孔=100mm2半强角(1/2)n发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（
7、法向）的夹发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角角n体现体现LED的视角大小的视角大小n与产品的封装外形、封装深度有关与产品的封装外形、封装深度有关 色坐标（x，y）n表示表示CIE 1931色度图色度图上的一个点上的一个点n包含了颜色的饱和度包含了颜色的饱和度、色调、色温、主波、色调、色温、主波长等信息长等信息CIE 1931 RGBCIE 1976 UCSL*a*b 色空间的色立体表示法孟赛尔色度图CIE 1931 XYZCIE 1931色度图(CIE 1931 Chromaticity Diagram ）（CIE 1931 xyY）n图中图中x x坐标是红原色的比例，坐
8、标是红原色的比例，y y坐标坐标是绿原色的比例，代表蓝原色的坐是绿原色的比例，代表蓝原色的坐标标z z可由可由x xy yz z1 1推出推出n弧线上的各点代表纯光谱色，此弧弧线上的各点代表纯光谱色，此弧线称为线称为光谱轨迹光谱轨迹。从。从400400纳米纳米( (紫紫) )到到700700纳米纳米( (红红) )的直线是光谱上没的直线是光谱上没有的紫有的紫- -红颜色系列红颜色系列( (非光谱色非光谱色) )。n中心点中心点C C代表白色，相当于中午太代表白色，相当于中午太阳光的颜色，其色品坐标为阳光的颜色，其色品坐标为 x x0.31010.3101，y y0.31620.3162。 n任
9、何两种颜色混合时，混合色的颜任何两种颜色混合时，混合色的颜色点一定在前两颜色点的连线上。色点一定在前两颜色点的连线上。n色域色域n自然界中各种实际颜色都位于这条自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内闭合曲线内 ，轮廓包含所有的感，轮廓包含所有的感知色调知色调 CIE 1931色度图(CIE 1931 Chromaticity Diagram ）（CIE 1931 xyY）n色品图上任给一点色品图上任给一点S S，连结，连结CSCS，其，其延长线交光谱轨迹于延长线交光谱轨迹于O O点，点， O O点处点处的波长即颜色的波长即颜色S S的的主波长主波长，决定了，决定了颜色颜色S S的的色调色调。
10、 n从从C C到到S S点和点和O O点的距离之比点的距离之比CSCSCOCO为该颜色的为该颜色的饱和度（纯度）饱和度（纯度）。 n从光谱轨迹上任一点通过从光谱轨迹上任一点通过C C点引一点引一直线到达对侧光谱轨迹上的另一直线到达对侧光谱轨迹上的另一点，则该直线两端的颜色互为点，则该直线两端的颜色互为补补色色。从代表非光谱色系列的直线。从代表非光谱色系列的直线上任一点上任一点P P通过通过C C点引一直线，交点引一直线，交光谱轨迹于光谱轨迹于Q Q点，点，Q Q点的颜色是点的颜色是P P点点非光谱色的补色。非光谱色的表非光谱色的补色。非光谱色的表示方法是在它的补色波长后加一示方法是在它的补色波
11、长后加一字母字母c c 波长n用于表征光的颜色用于表征光的颜色n对于波长为对于波长为585 nm的的光，当颜色变化大于光，当颜色变化大于1nm时，人眼就可以感时，人眼就可以感觉到。而对于波长为觉到。而对于波长为650 nm的红光，当颜的红光，当颜色变化在色变化在3nm的时候，的时候，人眼才能察觉到。对于人眼才能察觉到。对于波长为波长为465 nm的蓝光的蓝光和和525 nm的绿光，人的绿光，人眼的分辨率分别为眼的分辨率分别为2 nm和和3nm。 波长n主波长（主波长（ D）n任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源（如比例与一个
12、参照光源（如CIE标准光源标准光源A、B、C等等，等能光源，等能光源E，标准照明体，标准照明体D65 等）相混合而匹配等）相混合而匹配出来的颜色出来的颜色n相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量） n无法唯一的表示一个颜色无法唯一的表示一个颜色n峰值波长（峰值波长（p ）：光谱辐射功率最大的波长。）：光谱辐射功率最大的波长。 色温、相关色温（Tc）n将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红浅红-橙黄橙黄-白白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，
13、我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温色温。n相关色温相关色温： 当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体对应的温度就称为该光源的相对色温。射的颜色接近时，黑体对应的温度就称为该光源的相对色温。n单位：开尔文（单位：开尔文（K）n色温在色温在3300K以下，光色偏红给以温暖的感觉；有稳重的气以下，光色偏红给以温暖的感觉；有稳重的气氛，温暖的感觉；氛，温暖的感觉；n色温在色温在3000-6000K为中间，人在此色调下无特别明显的视为中间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效果，有爽快的感觉；故称为
14、觉心理效果，有爽快的感觉；故称为“中性中性”色温。色温。n色温超过色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，n自然光源（太阳、自然光源（太阳、星星、火等）的温星星、火等）的温度特性曲线都非常度特性曲线都非常接近普朗克轨迹（接近普朗克轨迹（黑体辐射轨迹）黑体辐射轨迹）n人工光源中，只有人工光源中，只有白炽灯与黑体加热白炽灯与黑体加热发光相似发光相似 ，一般使，一般使用相关色温表征用相关色温表征普朗克轨迹 等温线 显色指数（Ra）n把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性，为了对光源的显色性进行定量的评价，引入显
15、色指，为了对光源的显色性进行定量的评价，引入显色指数的概念。数的概念。n以标准光源（太阳）为准，将其显色指数定位以标准光源（太阳）为准，将其显色指数定位100，其余光源的显色指数越接近其余光源的显色指数越接近100，说明光源对物体颜，说明光源对物体颜色的还原性越好。色的还原性越好。n显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大我们所见到的颜色偏差也较大 n连续光谱、非连续光谱连续光谱、非连续光谱n提高色温的方法提高色温的方法nYA
16、G荧光粉、硅酸盐荧光粉的差异荧光粉、硅酸盐荧光粉的差异硅酸盐荧光粉YAG荧光粉麦克亚当宽容度椭圆n对人眼视觉来说对人眼视觉来说 ，当一，当一种颜色在种颜色在 CIE色度图上色度图上的坐标位置变化很小时的坐标位置变化很小时， 人眼仍认为它是原来人眼仍认为它是原来的颜色，的颜色， 感觉不出它的感觉不出它的变化。因此，变化。因此， 每个颜色每个颜色实际上是一个范围实际上是一个范围( 即所即所谓谓 的的“ 颜色宽容量颜色宽容量” ) ， 在这个范围内变化时在这个范围内变化时人跟视觉是感觉不到的人跟视觉是感觉不到的。n为各种颜色的分光、分为各种颜色的分光、分bin提供依据。提供依据。n坐标上距离差与眼睛
17、所坐标上距离差与眼睛所感觉色差不相同，所以感觉色差不相同，所以CIE 1931色度图不是一色度图不是一个均匀色彩系统。个均匀色彩系统。光效n光源所发出的总光通量（流明、亮度）与该光光源所发出的总光通量（流明、亮度）与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。的光效。 n发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。该照明
18、器材的照明性越强，即亮度越大。n单位：流明单位：流明/瓦（瓦（lm/w）电参数n正向电压正向电压VFn正向电流正向电流IFn反向击穿电压反向击穿电压VRn反向电流反向电流IRnI-V特性曲线特性曲线n阈值电压阈值电压n闸流体闸流体n小电压小电压电参数n极限参数极限参数nIFP：允许加的最大的正向脉冲电流，超过此值可：允许加的最大的正向脉冲电流，超过此值可损坏二极管；损坏二极管；nIFM：允许加的最大的正向直流电流：允许加的最大的正向直流电流 ；nVR：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。二极管可能被击穿损坏。n其他参数其他参数n结
19、电容：结电容：Cj n响应时间：上升时间响应时间：上升时间tr，下降时间，下降时间t f 热参数n结温结温n热阻（热阻（Rth）热阻（Rth）n在在LED点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面每耗散每耗散1W的功率，芯片的功率，芯片PN结点的温度与连接结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth。n单位为单位为/W nRt h =( Tj-Tx)/P= =( Tj-Tx)/(IF*VF)nTj为施加大小为为施加大小为P的加热功率脉冲后测得的的加热功率脉冲后测得的LED结温；结温；Tx为热沉铝基板上的温度。为
20、热沉铝基板上的温度。 瞬态热阻测试n利用半导体器件在恒定电流下利用半导体器件在恒定电流下LED的正向电压的正向电压与温度具有很好的线性关系与温度具有很好的线性关系 nVT j=VT o +K(Tj-To) n式中，式中，VT j、VT o分别是分别是Tj和和To时的输入电压；时的输入电压；K是热敏温度系数是热敏温度系数 （通过测试稳态热阻获得）（通过测试稳态热阻获得）nRt h =VF/KP 降低热阻的方法n降低芯片的热阻。降低芯片的热阻。n最佳化热通道。最佳化热通道。n通道架构：长度（通道架构：长度（L）越短越好；面积（）越短越好；面积（S）越大越好；环）越大越好；环节越少越好；消除通道上的
21、热传导瓶颈。节越少越好；消除通道上的热传导瓶颈。n通道材料的导热系数通道材料的导热系数越大越好。越大越好。n改良封装工艺，令通道环节间的介面接触更紧密可靠。改良封装工艺，令通道环节间的介面接触更紧密可靠。n强化电通道的导强化电通道的导/散热功能。散热功能。n选用导选用导/散热效能更高的出光通道材料（封装材料）。散热效能更高的出光通道材料（封装材料）。结温n当电流流过当电流流过LED元件时，元件时，PN结的温度将上升，结的温度将上升，严格意义上说，就把严格意义上说，就把PN结区的温度定义为结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此
22、我们也可把，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温芯片的温度视之为结温。nTpn=T环境环境+（Rth+R接触热阻接触热阻）（IFVF-P光光）结温的产生n芯片内部产生的极大部分光子芯片内部产生的极大部分光子(90)无法顺无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。成热，促使结温升高。 n散热（热阻）散热（热阻）n接触电阻导致的发热接触电阻导致的发热n少子的扩散、注入效率小
23、于少子的扩散、注入效率小于100%降低结温的方法n减少减少LED本身的热阻；本身的热阻；n良好的二次散热机构；良好的二次散热机构；n减少减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻与二次散热机构安装介面之间的热阻n控制额定输入功率控制额定输入功率;n降低环境温度降低环境温度制作工艺n装架装架n键合键合n点荧光胶点荧光胶n封装封装n切筋切筋n测试测试n包装包装白光LEDn红、绿、蓝三原色红、绿、蓝三原色LED芯片或者三原色芯片或者三原色LED管混合实现白光。管混合实现白光。 n发紫外光的发紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激发芯片和可被紫外光有效激发而发射红、绿、蓝三基色的荧光粉（显然，而发射红、
24、绿、蓝三基色的荧光粉（显然，也可选用两基色、四基色、五基色荧光粉）也可选用两基色、四基色、五基色荧光粉）有机结合组成白光有机结合组成白光LED。n在在InGaN/GaN蓝光芯片上涂敷钇铝石榴石蓝光芯片上涂敷钇铝石榴石 (YAG Ce3+)荧光粉。部分蓝光激发荧光粉。部分蓝光激发YAG荧光粉发出黄光与剩余的蓝光混色形成白光荧光粉发出黄光与剩余的蓝光混色形成白光。白光LEDn胶的控制胶的控制n配比配比n胶量控制胶量控制n气泡气泡n搅拌搅拌n沉淀沉淀n烧结烧结n显色指数显色指数n光斑光斑功率LEDn散热、热阻散热、热阻n材料散热能力材料散热能力n粘结胶薄而均匀粘结胶薄而均匀n空洞空洞n封装封装Top
25、 LEDn吸潮吸潮n支架表面处理支架表面处理n烘烤烘烤不良n开路：芯片损坏、虚焊、应力导致的金丝断、环氧开路：芯片损坏、虚焊、应力导致的金丝断、环氧开裂等。开裂等。n反向（漏电流）：芯片损坏、银胶过高、静电破坏反向（漏电流）：芯片损坏、银胶过高、静电破坏n电压：虚焊、银胶过高、过低电压：虚焊、银胶过高、过低n色坐标：胶量、配比、芯片选用。色坐标：胶量、配比、芯片选用。n小电压：小电压：IV特性曲线变差，特性曲线变差，PN结特性变差。结特性变差。n光通量：芯片、封装材料错误光通量：芯片、封装材料错误n热阻：银胶不足或过厚、芯片、材料不良热阻：银胶不足或过厚、芯片、材料不良n光强：封装深度、偏支架
26、、散色剂量光强：封装深度、偏支架、散色剂量n外观：黑点、划伤、色差、混料外观：黑点、划伤、色差、混料应用GR&Rn重复性重复性n同一评价人多次测量获得的测量变差同一评价人多次测量获得的测量变差n计量型测量系统分析计量型测量系统分析n系统内部变差系统内部变差n可能由于仪器一致性不好、内部磨损引起可能由于仪器一致性不好、内部磨损引起n再现性再现性n不同评价人，测量平均值的变差不同评价人，测量平均值的变差n系统外部变差系统外部变差n可能由于评价人、环境、方法、误差引起的可能由于评价人、环境、方法、误差引起的计量型测量系统分析方法n极差法极差法n均值极差法均值极差法n方差法方差法进行步骤n选择样本（选
27、择样本（10个）个）n稳定稳定n分布遍布我们的使用：游标卡尺（测量定位柱、管脚）、分布遍布我们的使用：游标卡尺（测量定位柱、管脚）、波长（测量红光、蓝光、绿光波长（测量红光、蓝光、绿光）n对样本进行编号（编号必须隐秘，测试时不可见）对样本进行编号（编号必须隐秘，测试时不可见）n由测量人由测量人A以随机顺序测量以随机顺序测量10个样本，并记录个样本，并记录n测量人测量人B、C也以随机顺序对这也以随机顺序对这10个样本进行测量（个样本进行测量（结果互不可见）结果互不可见）n用不同的随机测量顺序重复该循环用不同的随机测量顺序重复该循环2次次n将测量数值填入将测量数值填入Excell表格，自动判定表格
28、，自动判定步骤步骤4、5最好间隔一个班以上，同时测量前须常规最好间隔一个班以上，同时测量前须常规操作，如校正、点检等。操作，如校正、点检等。结果分析n均值图：均值图：n测量系统的测量系统的“可用性可用性”指示指示n控制限内部区域表示测量灵敏度控制限内部区域表示测量灵敏度n一半以上的均值应落在控制限以外，否则说明分辨一半以上的均值应落在控制限以外，否则说明分辨率不足或者样本有缺陷率不足或者样本有缺陷n极差图：极差图：n确定过程是否受控确定过程是否受控n若一个评价人不受控，说明他的方法与他人不同若一个评价人不受控，说明他的方法与他人不同n若三个测量人均不受控，说明测量系统对测量人的若三个测量人均不
29、受控，说明测量系统对测量人的技术很敏感，必须改善。技术很敏感，必须改善。其他nR&R：n小于小于10%，可以接受，可以接受n介于介于10%到到30%之间，可接受或不可接受，之间，可接受或不可接受，依重要性依重要性n大于大于30%，不能接受。，不能接受。nEV（重复性）（重复性）AV（再现性）：夹紧、定位（再现性）：夹紧、定位、保养须改善、保养须改善nEVAV：作业标准化。：作业标准化。ESDn人体模式人体模式n机器模式机器模式n充电器件模式充电器件模式人体模式n该模型表征人体带电接触器件该模型表征人体带电接触器件放电，放电，Rb为等效人体电阻，为等效人体电阻，Cb为等效人体电容。为等效人体电容
30、。机器模式n机器模型的等效电路与人体模机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容（型相似，但等效电容（Cb）是是200pF，等效电阻为，等效电阻为0n机器模型与人体模型的差异较机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，化较大，但为了描述的统一，取取200pF。n由于机器模型放电时没有电阻由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。模式远大于人体模型。充电器件模式n半导体器件主要采用三种封装型半导体器件主要采用三种封装型式（金属、陶瓷、塑料）。它们式（金属、陶瓷、塑料）。它们在装配、传递、试验、测试、运在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料（如包装用的塑料袋它绝缘材料（如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等）相互磨、传递用的塑料容器等）相互磨擦，就会使管壳带电。器件本身擦，就会使管壳带电。器件本身作为电容器的一个极板而存贮电作为电容器的一个极板而存贮电荷。荷。CDM模型就是基于已带电的模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的对地放电引起器件失效而建立的
