LED照明基础知识之光源

1、楚骥科技技术总监：邹亲胜LED照明基础知识之LED光源LED应用时的注意事项LED概念及特点一一LED的基本结构三三LED的主要技术参数四四LED的主要类型五五目目 录录照明发展史二二六六LED概念 LED的全称Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。高光效、高节能（理论光效628LM/W）光源方向性好色彩丰富不含有毒物质，环保寿命长，理想状态能达10万小时光源响应时间快，运行成本低LED的优点L

2、ED的优点LED的优点照明发展史照明发展史照明发展史照明发展史到目前为止，量产的大功率LED的发光效率最高已达186LM/W（科锐XLampXM系列）中功率LED发光效率最高的是首尔半导体的5630LED，已达180LM/W；9月10日首尔半导体，正式推出光效达到140lm/W的Acrich2 LED模组照明发展史照明发展史LED的基本结构的基本结构支架胶水芯片荧光粉金线透镜LED的基本结构的基本结构大功率仿流明支架（2*10）LED7060折湾支架（2*10）大功率SMD支架（4*8）LED的基本结构的基本结构-支架支架3535、5050、5630支架3014、2835、5730支架LED的

3、基本结构的基本结构-支架支架3528单芯支架3528全彩支架2427支架LED的基本结构的基本结构-支架支架LED封装常用的胶水道康宁信越有机硅卡夫特国硅实业LED的基本结构的基本结构-支架支架芯片波长 芯片尺寸芯片尺寸（1mil=1/1000inch=0.0254mm）常用大功率芯片尺寸：35、38、45、50mil常用中功率芯片尺寸：24*24mil、20*38mil、 24*46mil常用小功率芯片尺寸：8*10、8*12、8*13、12*12、10*23、10*24milLED的基本结构的基本结构-芯片芯片芯片材料LED的基本结构的基本结构-芯片芯片芯片衬底除了美国CREE、SEMIL

4、ED（旭明）以外，目前市场上其他公司制造的蓝绿色芯片基本上都是采用蓝宝石衬底（Sapphire，分子式：Al2O3），这类芯片的特点是：1、背面不导电，P、N两个电极都在正面；2、金线键合时，必须严格控制焊点大小，确保不超出电极，否则容易因正负极短路而出现漏电；3、对静电敏感，生产过程必须切实做好静电防护措施;LED的基本结构的基本结构-芯片芯片芯片衬底CREE是目前全世界唯一一家采用SiC衬底制作LED芯片的厂家，其最大的特点是具有强的抗静电能力。缺点是容易发生芯片与银浆粘附不牢的现象，必须采用特殊的银浆和封装材料，才能确保产品的可靠性。 LED的基本结构的基本结构-芯片芯片Led芯片的结构

5、LED芯片有两种基本结构，水平结构（Lateral）和垂直结构（Vertical）。横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。 制造垂直结构LED芯片技术主要有三种方法：一、采用碳化硅基板生长GaN薄膜，优点是在相同操作电流条件下， 光衰少、寿命长，不足处是硅基板会吸光。 二、利用芯片

6、黏合及剥离技术制造。优点是光衰少、寿命长，不足 处是须对LED表面进行处理以提高发光效率。 三、是采用异质基板如硅基板成长氮化镓LED磊晶层，优点是散热 好、易加工。LED的基本结构的基本结构-芯片芯片Led芯片的结构水平型产品以普瑞芯片为代表，芯片的主要特点是：光效一般：最高在 100 lmw左右；电压高：蓝光在3.44V； 热阻高：使用蓝宝石衬底导热性差。芯片本身的热阻在 46 C/W; 亮度一般：由于采用水平结构，电流横向动，电流密度不均，容易局部烧坏；为弥补这一缺陷，在芯片的上表面做ITO.ITO将以减少出光为代价。同一尺寸芯片，发光面窄，亮度低。光利用率低：65%左右的光从正面发出，

7、35%的光从侧面发出，靠反射来达到出光，利用率低。 唯一的优点就是：便于集成封装。不过，它也是缺点，由于没解决好散热，所以集成封装只有加速它的衰减，不可取。LED的基本结构的基本结构-芯片芯片Led芯片的结构由于当前芯片主要是垂直型的和水平型的两种。垂直型产品以CREE芯片为代表特点主要是：光效高：最高可达 161 lmw，节能；电压低：蓝光在2.93.3V；热阻小：芯片本身的热阻小于 1 C/W;亮度高：由于采用垂直结构，电流垂直流动，电流密度均匀，耐冲击型强；同一尺寸芯片，发光面宽，亮度高。光型好：85%以上光从正面发出，易封装，好配光；唯一的缺点就是：不方便集成封装。若要集成封装，芯片需

8、做特殊处理。LED的基本结构的基本结构-芯片芯片白光LED的实现方法一、配色，白平衡 白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21，蓝色的亮度为10时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的 亮度得到白色光，称为配色。 二、二、 LED采用荧光粉实现白光主要有三种方法，但它们并没有完全成熟，由此严重地影响白光LED在照明领域的应用。 LED的基本结构的基本结构白光LED的实现方法第一种方法是第一种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发

9、出的黄光互补形成白光。该技术被日本Nichia公司垄断，而且这种方案的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3离子的发射光谱不具连续光谱特性，显色性较差， 难以满足低色温照明的要求。同时发光效率还不够高，需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。第二种方法是第二种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光。该类产品虽显色性较好，但所用荧光粉的转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高，因此推广也较慢。 LED的基本结构的基本结构白光LED的实现方法 第三种方法第三种方法：在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该

10、芯片发射的长波紫外光（370nm380nm）或紫光（380nm410nm）来激发荧光粉，从而实现白光发射。该种LED的显色性更好，但存在与第二种方法类似的问题，且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系。这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大，故还没批量使用。其他方法：其他方法： 在特殊的场合，白光LED还有其他几种封装方法。这里简单的介绍一下：第一种第一种：将红、蓝、绿三芯片封装在一起，按照一定的比例对其光色进行控制，混出白光。第二种第二种：实现方法是用红、蓝、绿、黄四芯片混出白光。LED的基本结构的基本结构荧光粉目前LED用荧光粉材料三大热门：铝酸盐 （YAG）荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮氧

11、化 物荧光粉 。YAG只能做出黄粉，硅酸盐能 做出绿粉和橙粉，氮氧化物能做出红粉、 绿粉和黄粉，覆盖从蓝色到红色的全部色 色 域，有机会成为未来的一个主流发展趋势。 氮氧化物荧光粉目前的效率还低于铝酸盐和硅酸盐荧光粉, 且其制程通常需要高温、高压的条件 。 铝酸盐体系发光材料具有抗湿性差，发光颜色单一等缺点， 需要在颗粒表面进行物理化学修饰，以提高其稳定性。 硅酸盐体系的发光材料具有良好的化学稳定性和热稳定性， 对紫外、近紫外、蓝光具有显著的吸收，量产制备成本低 廉，灼烧温度比铝酸盐体系低100 以上 。 LED的基本结构的基本结构铝酸盐（YAG）荧光粉 1996年日本日亚公司首先研制出发黄光

12、的钇铝石榴石（YAG）荧光粉，化学式为Y3Al5O12：Ce3+，此荧光粉的激发光谱450470nm的蓝光，发射光谱550560nm的黄光，色温为4000K8000K，可制得高亮度白光LED，具有成本低、效率高的特点，YAG:Ce的主要缺点由于缺少红光成分，制得的LED显色指数偏低，偏冷白光。该技术由亚化学垄 断。蓝光 蓝光芯片+YAG铝酸盐 ，蓝光 黄色荧光粉是当前白光 白光LED的主流实现方式。是现在业界公认效率最好的产生白光的组合。LED的基本结构的基本结构硅酸盐荧光粉在荧光粉转换LED的制作上，硅酸盐系列为另一种重要的选择方向。该材料对紫外、近紫外、蓝光光谱范围具有显著的吸收，并且在所

13、有黄色荧光体中，硅酸盐系列具有最高的辉度值，输出量子效率高于90%，并仍有改善的空间；在紫外LED激发时，具有高温度稳定性（至少120以上），可制作各种色温的白光LED；另外，它的物理和化学性质较稳定，抗氧化、抗潮、不与封装树脂作用。日本的“21 世纪照明”计划就将这类近紫外激发的荧光材料作为白光 LED荧光粉的研究重点。目前主要硅酸盐荧光粉的重要专利仍为丰田合成、日亚化 学、欧司朗光电半导体等公司所拥有 LED的基本结构的基本结构氮氧化物荧光粉 氮化物/氮氧化物作为一种新型的LED荧光粉，其激发光谱范围涵盖了紫外、近紫外以及蓝光波段，而且其发光范围覆盖了整个可见光范围。同时由于其热稳定性，化

14、学稳定性好，发光效率高，且材料本身无污染。所以作为白光LED用荧光粉非常适合。 氮氧化物荧光粉目前的效率还低于铝酸盐和硅酸盐荧光粉, 且其制程通常需要高温、高压的条件 。 氮化物与氮氧化物荧光粉 领先者主要为荷兰Technical University of Eindhoven、 日本National Institute for Materials Science(NIMS)、日 本三菱化学公司、日本Ube工业与欧司朗光电半导体等单 位 。 LED的基本结构的基本结构金线 LED键合金线是由Au纯度为99.99%以上的材质键合拉丝而成，其中包含了微量的Ag/Cu/Si/Ca/Mg等微量元素。金

15、线在LED封装中起到一个导线连接的作用，将芯片表面电极和支架连接起来，当导通电流时，电流通过金线进入芯片，使芯片发光。金线具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，相比较其他材质而言，其最大的优点就是抗氧化性，这是金线广泛应用于封装的主要原因。 LED的基本结构的基本结构 透镜透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。 LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度（大于180范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚chip的所有光线并可得到如

16、180、160、140、120、90、60等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差别（一般的规律是：角度越大效率越高）。硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用来直接封装在LED芯片上。一次透镜除了硅胶外还有PMMA、PC、光学玻璃等材料LED的基本结构的基本结构LED主要技术参数主要技术参数主要电参数主要电参数正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。正向工作电压VF：正向工作电压是在给定的正向电流下得到的。在外界温度升高时，VF将下降。最大反向电压VRm：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。反向电流是指给LED加上规定的反向电压时

17、，通过LED的电流，用符号IR表示。正常的LED，IR值应接近0。LED主要技术参数主要技术参数大功率I-V特性曲线LED主要技术参数主要技术参数LED主要技术参数主要技术参数主要光参数主要光参数光通量（Luminous FluxLuminous Flux）：光源在单位时间内发出的光量称为光源光通量，以为表示，单位为lm。光强（Luminous IntensityLuminous Intensity）：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向上的光强度（简称光强），以I表示,单位：坎德拉（cd）光束角在发光强度分布图形中，发光强度等于最大强度一半构成的角度。也称为半值角。LE

18、D主要技术参数主要技术参数主要光参数主要光参数亮度（L Luminuminanceance）：光源在某一方向的光亮度（简称亮度）是光源在该方向上的单位投影面在单位立体角中发射的光通量，以L表示。单位：坎/平方米（cd/m）直接影响人眼的主观感觉。照度一定时，物体的反射率越大，亮度越高。照度（IllIlluminuminanceance):入射于被照物体单位面积上的光通量。以E表示。（某一表面上单位面积入射光通量。）单位：勒克斯（lux，简写为lx）。平方反比定理：平方反比定理：点光源对物体入射法线上的照度和距离平方成反比。E=I/r。（当距离大于光源最大尺寸的五倍时，光源视为点光源，此定理成立

19、。）LED主要技术参数主要技术参数主要光参数主要光参数光源光源光通量（流明光通量（流明lmlm）光强（坎德拉光强（坎德拉cdcd）照度（勒克斯照度（勒克斯luxlux）亮度（坎亮度（坎/ /平方米平方米cd/mcd/m）眼睛眼睛LED主要技术参数主要技术参数主要颜色参数主要颜色参数色温（Color Temperature）： 当光源所发出的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体”的温度就称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。色温是衡量一种光源“有多么热”或者“有多么冷”的指标，也是表示一种光源“白得程度”、“黄得程度”或者“蓝得程度”的指

20、标。 暖色5000K。CIE XYZCIE XYZ系统，系统，RGBRGB三原色三原色CIECIE色度图色度图LED主要技术参数主要技术参数光颜色与波长光颜色与波长 光的颜色是否可以看见是由它的波长决定，光的波长是以纳米（nm）为单位。发光二极管发出的光几乎都是一致的也就是说它几乎都是在一个波长，发出非常纯的颜色。可见光的波长范围为380nm780nm，以下是光的颜色和它的波长：中红外线红光： 4600nm - 1600nm -不可见光 低红外线红光： 1300nm - 870nm -不可见光 850nm - 810nm -几乎不可见光近红外线光近红外线光: :（780740nm）LED主要技

21、术参数主要技术参数光颜色与波长光颜色与波长红色光红色光： 630nm - 620nm - 橙红 橙色光橙色光： 605nm - 琥珀色光绿绿 色色 ： 525nm - 纯绿色 蓝蓝 色：色： 470nm - 460nm-鲜亮蓝色； 450nm - 纯蓝色 ； UV-AUV-A型紫外线光：型紫外线光： 370nm -几乎是不可见光，受木质玻璃滤光时显现出一个暗深紫色。LED主要技术参数主要技术参数光颜色与波长光颜色与波长LED主要技术参数主要技术参数色温色温LED主要技术参数主要技术参数色温色温LED主要技术参数主要技术参数色温色温LED主要技术参数主要技术参数色温色温LED主要技术参数主要技术参数主要颜色参数主要颜色参数显色指数显色指数（color rendering index）：光源对物体的显色能力称为显色性，是通过与同色温的参考或基准光源（白炽灯或画光）下物体外观颜色的比较。白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。自然性显指。还原物体本色。效果性显指。增强物体某种颜色或效果LED主要技术参数主要技术参数显色指数显色指数LED主要技术参数主要技术参数显色指数显色指数LED主要技术参数主要技术参数热学参数热学参数结温（Junction Temperature）:LED芯片