1、2014.08.15照明知識大講堂 LED基礎(chǔ)知識篇產(chǎn)品基礎(chǔ)產(chǎn)品基礎(chǔ)LEDLED基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 3.LED光源的特性光源的特性 4.LED的發(fā)光原理的發(fā)光原理 5. LED芯片的芯片的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 6.LED芯片的生產(chǎn)芯片的生產(chǎn)LED基礎(chǔ)知識 2.LED優(yōu)點和缺點優(yōu)點和缺點 7.LED芯片芯片的種類的種類 8.LED的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史2014.08.15 1. LED的初步認(rèn)識的初步認(rèn)識 11.LED的產(chǎn)業(yè)分布的產(chǎn)業(yè)分布 12.LED的關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù) 10.LED的封裝樣式的封裝樣式 15.LED* 9. LED光效的比較光效的比較2014.08.15LED LED 是取自 Light E

2、mitting Diode 三個字的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”，是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的固態(tài)半導(dǎo)體電子器件，具有二極管的特性。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片。晶片主要由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成，不同材料的P型和N形半導(dǎo)體經(jīng)正向電流作用下會發(fā)出不同色彩的光（不同于白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，LED采用電場發(fā)光）LED的認(rèn)識2014.08.15LED的優(yōu)點LED的缺點1.節(jié)能,比白熾燈節(jié)能80%以上,比節(jié)能燈節(jié)能50%以上2.體積小，重量輕，不怕震動3.光效高，是白熾燈15m/w的8倍，是熒光燈50Lm/w的2倍多4.光色可選擇，LED光源的發(fā)光顏色和色溫都可以靈活應(yīng)用5.方

3、向性好，LED發(fā)光角度可以靈活調(diào)整6.環(huán)保：沒有節(jié)能燈所含的汞等有害物質(zhì)7.冷光源無紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射。8.8.壽命長,壽命可達(dá)5萬-10萬小時比傳統(tǒng)光源壽命長10-50倍以上9.響應(yīng)速度快，納秒級1.散熱問題，LED在電致光的過程中另外一部分能量轉(zhuǎn)化成熱量，如無法及時散發(fā)出去，PN結(jié)的結(jié)溫將會升高，加速芯片和封裝樹脂的老化，使芯片失效，影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)2.防水性能差，是戶外使用的一個致命弱點 光源內(nèi)部吸水后內(nèi)部金屬氧化影響輸出或 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、熒光粉吸潮變色,光色漂移3.成本較高.光源.散熱器.電源.高透燈罩/透鏡/反射罩.四者成本集體推高LED成本4.需要驅(qū)動

4、器提供恒流電源，驅(qū)動器壽命是影響燈具壽命的重要因素5.半導(dǎo)體器件，對靜電影響比較敏感，易被 靜電擊穿PN結(jié)導(dǎo)致漏電流或死燈LED的優(yōu)缺點2014.08.15LED的發(fā)光原理當(dāng)給PN結(jié)一個正向電壓,PN結(jié)的內(nèi)部電場被抵消，N型區(qū)的-電子和P型區(qū)的+空穴被推向PN結(jié)，在多量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，復(fù)合所產(chǎn)生的能量以光(有效復(fù)合)和熱(無效復(fù)合)的形式釋放，這就是LED發(fā)光的基本原理。(如果給PN結(jié)加反向電壓，PN結(jié)的內(nèi)部電場被增強(qiáng)，電子(負(fù)電荷粒子)以及空穴(正電荷離子)難以注入，故不發(fā)光)正向電流發(fā)光反向電流不發(fā)光2014.08.151.LED工作電壓一般在2-3.9V之間。(不同光色的LED壓降

5、不一樣) 綠色綠色3.3-3.9V3.3-3.9V 藍(lán)色藍(lán)色、寶藍(lán)色寶藍(lán)色3.1-3.9V3.1-3.9V 紅色紅色、琥珀琥珀色色、橘紅色橘紅色、2.1-2.5V2.LED的工作電流會隨著供應(yīng)電壓的變化而產(chǎn)生較大的波動，所以LED 一般要求工作在恒流驅(qū)動狀態(tài)。3.LED具有單向?qū)ǖ奶匦?電流只能從二極管的正極流入,負(fù)極流出)4.LED的光輸出會因應(yīng)其輸入的電流而產(chǎn)生變化5.LED的光輸出深受其工作溫度的影響LED的特性2014.08.15LED各種光色的輻射功率各種光色的輻射功率LED的特性2014.08.15LEDLED的特性正向電流與正向電壓的特性正向電流與正向電壓2014.08.15L

6、EDLED的特性結(jié)溫與輻射通量的特性結(jié)溫與輻射通量2014.08.15LEDLED的特性正向電流與相對輻射通量的特性正向電流與相對輻射通量2014.08.15LED白光的組成白光的組成LED芯片是半導(dǎo)體發(fā)光器件LED的核心部件,它主要由砷(AS).鋁(AL).鎵(Ga).銦(IN).磷(P).氮(N).鍶(i)這幾種元素中的若干種組成。)2014.08.15 JHIGMNGABCEDFKLHL芯片也叫晶粒芯片也叫晶粒A A藍(lán)寶石基板藍(lán)寶石基板E EP P型接觸型接觸I I芯片芯片長度長度 M MP P電極直徑電極直徑B低溫緩沖層F透明導(dǎo)電層J芯片寬度NN電極直徑CN型接觸GP極金屬層K芯片高度

7、D發(fā)光層HN極金屬層L電極厚度LED芯片的結(jié)構(gòu)芯片的結(jié)構(gòu)2014.08.15上游上游: :襯底、外延片、晶粒的生產(chǎn)襯底、外延片、晶粒的生產(chǎn)1.制造成單晶棒，再將單晶棒用鉆石刀切成薄片(主要有藍(lán)寶石和、SiC、Si)長晶爐生長掏取晶棒滾磨品檢切片研磨 倒角拋光清洗品檢OK2.外延片生產(chǎn)利用MOCVD金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積等方法在單晶襯底在上面磊晶襯底 - 結(jié)構(gòu)設(shè)計 - 緩沖層生長 - N型GaN層生長 - 多量子阱發(fā)光層生 - P型GaN層生長 退火 - 檢測（熒光、X射線） - 外延片3.芯片生產(chǎn)在外延片上制作電極(PN電極)并對成品進(jìn)行切割分選等外延片活化蝕刻蒸鍍PN電極制作保護(hù)層上焊盤研磨拋

8、光點測切割擴(kuò)張目檢包裝中游中游: : LEDLED芯片的芯片的封裝封裝1.上支架點底膠放芯片烘烤固晶金絲鍵合模具灌膠插支架離模后固化 切腳 測試光色分選包裝(草帽管、食人魚等)2.上支架點底膠放芯片烘烤固晶金絲鍵合點熒光膠外殼灌封測試光色 分選包裝(大功率LED)下游下游:LED:LED光源的應(yīng)用光源的應(yīng)用光源模組、替代光源、燈具、燈條燈帶、廣告燈箱、燈光工程、家居裝飾、顯示屏、汽車尾燈植物生長、醫(yī)療、手機(jī)筆記本電視的背光源等等LED的生產(chǎn)過程2014.08.15GaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAs850nm940nm紅外線不可見光GaInN/Sapphire45

9、5nm485nm高亮度藍(lán)GaInN/Sapphire490nm540nm高亮度藍(lán)綠/綠AlGaInP/GaAs高亮度綠GaP/GaP555nm560nm綠AlGaInP/GaAs高亮度黃綠GaP/GaP569nm575nm黃綠AlGaInP/GaAs高亮度黃GaAsP/GaP585nm600nm黃AlGaInP/GaAs高亮度橙GaAsP/GaP605nm622nm橙AlGaInP/GaAs630nm645nm高亮度紅AlGaAs/GaAs645nm655nm紅可見光結(jié)構(gòu)波長顏色類別LED的芯片種類2014.08.15LED的發(fā)展歷史1907年，英國馬可尼(Marconi)實驗室的科學(xué)家Hen

10、ry Round第一次推論半導(dǎo)體PN結(jié)在一定的條件下可以發(fā)出光。這個發(fā)現(xiàn)奠定了LED被發(fā)明的物理基礎(chǔ)。1927年，俄羅斯科學(xué)家奧列弗拉基洛謝夫（Oleg Vladimirovich Losev）獨立制作了世界上第一顆LED，其研究成果曾先后在俄國、德國和英國的科 學(xué)雜志上發(fā)表，可惜當(dāng)時并沒有人理睬他。1955年，美國無線電公司（RadioCorporation of America）33歲的物理學(xué)家魯賓布朗石泰（Rubin Braunstein）首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵(GaAs)及其他半 導(dǎo)體合金的紅外放射作用并在物理上實現(xiàn)了二極管的發(fā)光，可惜發(fā)出的光不是可見光而是紅外線，但這個貢獻(xiàn)也很大了。196

11、1年，德州儀器公司（TI）的科學(xué)家鮑勃布萊德（Bob Biard）和加里皮特曼（Gary Pittman）發(fā)現(xiàn)砷化鎵在施加電子流時會釋放紅外光輻射。他們率先 生產(chǎn)出了用于商業(yè)用途的紅外LED并獲得了砷化鎵紅外二極管的發(fā)明專利。不久，紅外LED就被廣泛應(yīng)用于傳感及光電設(shè)備當(dāng)中。1962年， 美國通用電氣公司（GE）一名34歲的普通研究人員尼克何倫亞克（Nick Holonyak Jr.）發(fā)明了可以發(fā)出紅色可見光的LED，被稱為“發(fā)光二極管之 父”，后來也獲得了N多獎項。當(dāng)時的LED還只能手工制造，而且每只的售價需要10美元。1963年，他離開通用電氣公司，出任其母校美國伊利 諾大學(xué)電機(jī)工程系教授

12、，培養(yǎng)自己的接班人。1972年，何倫亞克的學(xué)生喬治克勞福德（M. George Craford）踏著前輩們的腳步發(fā)明了第一顆橙黃光LED，其亮度是先前紅光LED的10倍，這標(biāo)志著LED 向著提高發(fā)光效率方向邁出的第一步。20世紀(jì)70年代末期，LED已經(jīng)出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色，但依然沒有藍(lán)色和白色光的LED。因為只有發(fā)明出藍(lán)光LED才可能實現(xiàn)全彩色LED顯示， 市場價值巨大，也是當(dāng)時世界性的攻關(guān)難題?？茖W(xué)家們轉(zhuǎn)而將重點放在了提高LED的發(fā)光效率上面。20世紀(jì)70年代中期，LED可產(chǎn)生綠、黃、橙色光時，發(fā)光效為1流明/瓦，到了20世紀(jì)80年代中期對砷化鎵和磷化鋁的使用使得第一代高亮度紅、

13、黃、綠色 光LED誕生，發(fā)光效率已達(dá)到10流明/瓦。1993年，中村修二在日本日亞化學(xué)工業(yè)株式 會社(Nichia Corporation)就職期間，利用半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）發(fā)明了藍(lán)光LED，在 藍(lán)光LED出現(xiàn)之前，由于無法通過RGB系統(tǒng)合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應(yīng)用于照明領(lǐng)域。因此在1995年中村修二采用銦氮化稼 又發(fā)明了綠光LED，在1998年利用紅、綠、藍(lán)三種LED制成白光LED，從此綠光與白光LED研制成功，標(biāo)志著LED正式進(jìn)入照明領(lǐng)域，是LED照明發(fā) 展最關(guān)鍵的里程碑。中中村修村修二被稱為二被稱為“藍(lán)光、綠光、白光藍(lán)光、綠光、白光LE

14、D之父之父” 1996年，日亞化學(xué)公司在日本最早申報的白光LED的發(fā)明專利就是在藍(lán)光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉被激活后發(fā)出的黃 光互補(bǔ)而形成白光。藍(lán)色和白色光LED的出現(xiàn)拓寬了LED的應(yīng)用領(lǐng)域，使全彩色LED顯示、LED照明等應(yīng)用成為可能。21世紀(jì)初，LED已經(jīng)可以發(fā)出任何可見光譜顏色的光（還包括有紅外線和紫外線）。其發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到100流明/瓦以上.2014.08.151996年7月29日，日亞化學(xué)公司在日本最早申報的白光LED的發(fā)明專利就是在藍(lán)光LED芯片上涂覆YAG黃色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉被激活后發(fā)出的黃光互補(bǔ)而形成白光?！八{(lán)光、綠光、白

15、光藍(lán)光、綠光、白光LED之父之父”中中村修二村修二中村修二是加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)工程學(xué)院材料系的教授。他于1993年在日本日亞化學(xué)工業(yè)株式 中 村 修 二 會社(Nichia Corporation)就職期間，利用半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）發(fā)明了藍(lán)光LED，在藍(lán)光LED出現(xiàn)之前，由于無法通過RGB系統(tǒng)合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應(yīng)用于照明領(lǐng)域。因此在1995年中村修二采用銦氮化稼又發(fā)明了綠光LED，在1998年利用紅、綠、藍(lán)三種LED制成白光LED，從此綠光與白光LED研制成功，標(biāo)志著LED正式進(jìn)入照明領(lǐng)域，是LED照明發(fā)展最關(guān)鍵的里程碑

16、紅光紅光LED發(fā)明人發(fā)明人-Nick HolonyakJr. 尼克尼克奧隆尼亞克奧隆尼亞克在1962年發(fā)明LED的Nick Holonyak Jr.,他當(dāng)時只是美國大廠通用電氣公司(GE,又稱為奇異)的一名普通研究人員,打造出了第一顆紅光LED,在發(fā)明了LED后,在1963年離開GE回母校任教LED光源的幾個關(guān)鍵性時間節(jié)點光源的幾個關(guān)鍵性時間節(jié)點LED的發(fā)展歷史2014.08.15LED的發(fā)展歷史2014.08.15LED這幾年的光效發(fā)展情況這幾年的光效發(fā)展情況白光LED的發(fā)展LED光源的產(chǎn)業(yè)分布光源的產(chǎn)業(yè)分布2014.08.15 上游：做外延、芯片企業(yè)（如CREECREE、LUMILEDSL

17、UMILEDS、日亞、歐司朗、首爾、三星、LGLG、晶 元、奇力、億光等企業(yè)）。其產(chǎn)品為“芯片”。 中游：主要是做封裝的企業(yè)，有些是純粹拿別的廠家芯片來封裝；有些本身是芯片企 業(yè)自己做封裝的。其產(chǎn)品為“LEDLED光源”。 下游：主要為應(yīng)用行業(yè)，產(chǎn)品為LEDLED燈具。比如照明燈具廠家。芯片經(jīng)過封裝廠家做成LED光源，就是我們在燈具中需要應(yīng)用的產(chǎn)品。 為了更專業(yè)區(qū)分芯片和為了更專業(yè)區(qū)分芯片和LEDLED光源光源，我們應(yīng)該對，我們應(yīng)該對LEDLED產(chǎn)品描述分為芯片和光源的兩種說法產(chǎn)品描述分為芯片和光源的兩種說法封裝LED光源的封裝結(jié)構(gòu)2014.08.15LED的封裝結(jié)構(gòu)1. 環(huán)氧樹脂封裝工藝：優(yōu)

18、點：密封性好、 抗震性強(qiáng)、 防護(hù)能力好、成本低 缺點：散熱效果不佳、耐黃變能力弱、應(yīng)力大、抗紫外能力弱,焊接溫度過高易開裂.故主要作為普光LED外封膠2. 硅樹脂封裝工藝：優(yōu)點：高折射率,高透光率,密封性能優(yōu)于硅膠,散熱能力 介于環(huán)氧樹脂和硅膠之間,具有樹脂和硅膠的部分特性缺點：應(yīng)力較硅膠大，防潮或焊接不當(dāng)易出現(xiàn)膠裂/分層硅樹脂由于價格昂貴，主要作為高亮度級白光LED外封膠3. 硅膠封裝工藝： 優(yōu)點：熱膨脹系數(shù)小,散熱性能好、應(yīng)力較小、紫光能力強(qiáng)、回流焊時不容易膠裂、耐黃變能力強(qiáng) 缺點：密封性不佳、防護(hù)能力弱、抗震性差,具有透氧透濕特性，用于戶外時需對燈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次防護(hù) 處理硅脂相對價格較貴

19、，主要作為對光衰有要求的白光LED封膠LED的常見封裝樣式LED基礎(chǔ)知識2014.08.15 LAMP LED TOP LED HIGH POWER COB LED SIDE LED CHIP LED2014.08.15LED的相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)指標(biāo)1、LED的光色：紅.綠.藍(lán).黃.冷白.中性白.暖白等 2、LED的光通量3、LED的色溫4、LED的電流5、LED的電壓6、LED的發(fā)光角度（高指向性、標(biāo)準(zhǔn)型、散射型）7、LED的焊接方式8、LED的最高結(jié)溫9、LED光源的熱阻10、顯色性（分忠實顯色、效果顯色）11、眩光（點光源，光集中，光強(qiáng)高）12、LED的使用壽命（5-10萬小時，主要受發(fā)熱影

20、響）LED基礎(chǔ)知識2014.08.15LED與傳統(tǒng)光源發(fā)光對比與傳統(tǒng)光源發(fā)光對比白熾燈1510028001000鹵鎢燈2510030002000-5000普通熒光燈7070全系列10000三基色熒光燈9380-98全系列12000緊奏型熒光燈6085全系列8000高壓汞燈50453300-43006000金屬鹵燈物燈75-9565-923000/4500/56006000-20000高壓鈉燈100-12023/60/851950/2200/250024000低壓鈉燈20085175028000高頻無極燈50-70853000-400040000-800002014.08.15電流光色主波長正向

21、電壓額定(V)最大(V)350 mA白色3.053.9350 mA寶藍(lán)色450-465 nm 3.13.9350 mA藍(lán)色465-485 nm 3.13.9350 mA綠色 520-535 nm3.93.9350 mA琥珀色585-595 nm2.12.5350 mA橘紅色610-620 nm2.12.5350 mA紅色 620-630 nm2.12.5500 mA琥珀色585-595 nm2.3700 mA白色3.3700 mA橘紅色610-620 nm2.3700 mA紅色620-630 nm2.31000 mA白色3.51000 mA寶藍(lán)色450-465 nm 3.51000 mA藍(lán)色4

22、65-485 nm 3.51000 mA綠色520-535 nm3.8LED的參數(shù)2014.08.15A.顯示屏、交通訊號顯示光源的應(yīng)用。(利用LED抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長等優(yōu)點)LED的應(yīng)用的應(yīng)用B、汽車工業(yè)上的應(yīng)用。汽車用燈包含汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開關(guān)的背光源、閱讀燈和外部 的剎車燈、尾燈、側(cè)燈以及頭燈等。 利用LED長壽命、響應(yīng)速度快的優(yōu)點。C、LED背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源。主要應(yīng)用在LED背光源電視，LED光源投影機(jī)。 利用LED的廣色 域、薄型、低功耗的優(yōu)點。D、LED照明。利用LED光源節(jié)能省電的特點。E、裝飾、指示。主要應(yīng)用在玩具、裝飾燈、服飾等。

23、利用LED體積小、無污染、色彩豐富、不易 碎破以及低壓使用的安全性的優(yōu)點。F、家用室內(nèi)照明。利用LED省電、無污染、長壽命的優(yōu)勢。熱的傳遞傳導(dǎo).對流.輻射2014.08.15LED光源的三大核心部份散熱光源的三大核心部份散熱LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過程中會放出大量的熱，在工作過程中會放出大量的熱，使結(jié)使結(jié)溫溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性能變化與衰減，非輻射復(fù)合增加，器件的漏電流增加，半導(dǎo)體材料缺陷增長，金屬能變化與衰減，非

24、輻射復(fù)合增加，器件的漏電流增加，半導(dǎo)體材料缺陷增長，金屬電極電遷移，封裝用環(huán)氧樹脂黃化等等，嚴(yán)重影響電極電遷移，封裝用環(huán)氧樹脂黃化等等，嚴(yán)重影響LED的光電參數(shù)。甚至使功率的光電參數(shù)。甚至使功率LED失效。因此，對于失效。因此，對于LED器件，降低熱阻與結(jié)溫、對發(fā)光二極管的熱特性進(jìn)行研究顯器件，降低熱阻與結(jié)溫、對發(fā)光二極管的熱特性進(jìn)行研究顯得日趨重要。得日趨重要。2014.08.15LED光源的三大核心部份配光光源的三大核心部份配光配光可以控制燈具的照射范圍，照射方向，估計有效安裝高度、射程（當(dāng)然跟光源有關(guān)系），照射范圍里的大概照度如何、照明環(huán)境的布光效果等光線的基本定理：（1）獨立傳播定律（

25、2）直線傳播定律（3）反射定律（4）折射定律（5）全反射定律（6）光路可逆現(xiàn)象主要構(gòu)成的光學(xué)部分：LED光源、反射杯、透鏡、導(dǎo)光板、擴(kuò)散板等等所需參數(shù)：LED光源：光通量、光強(qiáng)分布、外形尺寸反射杯：材料表面特性（如反射率、吸收率、是鏡面反射還是漫反射）、外形尺寸透鏡：折射率、透光率、表面特性、外形尺寸2014.08.15LED光源的三大核心部份電源光源的三大核心部份電源LED燈具燈具LED 光源組件LED電氣LED燈體（散熱器）驅(qū)動器（+控制器）串聯(lián)并聯(lián)混聯(lián)LED格柵/透鏡2014.08.15LED光源的三大核心部份電源光源的三大核心部份電源LEDLED光源聯(lián)接方式光源聯(lián)接方式串聯(lián)方式：串聯(lián)方式：優(yōu)點：流過優(yōu)點：流過LEDLED的電流相等，保證亮度的一致性。的電流相等，保證亮度的一致性。 缺點：當(dāng)某一缺點：當(dāng)某一LEDLED品質(zhì)不良斷開后，串聯(lián)在一起品質(zhì)不良斷開后，串聯(lián)在一起 的的LEDLED將全部不亮。將全部不亮。并聯(lián)方式：并聯(lián)方式：優(yōu)點優(yōu)點：當(dāng)某一：當(dāng)某一LEDLED品質(zhì)