LED

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LED基础知识

Light Emitting Diode “发光二极管”，是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。除此之外还有在蓝光 LED 上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光 LED。

LED的色彩与工艺
   制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。历史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga) ,其正向PN结压降(VF，可以理解为点亮或工作电压)为1.424V，发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga)，其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。
   基于这两种材料，早期 LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构，理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通过PN结压降可以确定LED的波长颜色。其中典型的有GaAs0.6P0.4 的红光 LED，GaAs0.35P0.65 的橙光LED，GaAs0.14P0.86 的黃光 LED等。由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。而GaN（氮化镓）的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。
    而目前最新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。

发光强度：
   发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司Lux）、光通量单位（流明Lumen）、发光强度单位（烛光　Candle power）
   1CD（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。（以前指直径为2.2厘米，质量为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5厘米，沿水平方向的发光强度）
   1L（流明）指1 CD烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。
   1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。
   一般主动发光体采用发光强度单位烛光　CD，如白炽灯、LED等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L，如LCD投影机等；而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。比如：如果说一部LCD投影机的亮度（光通量）为1600流明，其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸（1平方米），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1厘米，出光口面积为1平方厘米，则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50％的效率就很好了。
   实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED显示屏须达到4000CD／平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED，最大亮度在700～2000 CD／平方米左右。　
   单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。
   当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。
   一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。

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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。
   当为全彩色LED显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成像素。
   白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。
原色、基色：
   原色指能合成各种颜色的基本颜色。色光中的原色为红、绿、蓝，下图为光谱表，表中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差，则可合成颜色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰富程度减少。
LED发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要，因为绿色占据了白色中69％的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时，绿色是着重考虑的对象。

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LED基本概念

【正向电压】   通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。
【反向电流】   加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。   
【峰值波长】   光谱辐射功率最大的波长。   
【半强度角】   在发光（或辐射）强度分布中，发光（或辐射）发光强度大于等于最大强度一半构成的角度。
【 主波长 】   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CIE标准光源A、B、C等，等能光源E，标准照明体D65 等）相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）。若已获得被测LED器件的色度坐标，就可以采用等能白光E光源（ x0＝0.3333，y0 ＝0.3333）作为参照光源来计算决定颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率，查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长。  
【平均强度】   光源在给定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量dΦv与这个立体角dΩ的比值,单位为坎德拉( cd)  
【辐射带宽】   光谱辐射功率大于等于最大值一半的波长间隔。

  LED测试技术

    CIE-127-1997 Measurement of LEDs推荐标准条件A和B来测量近场条件下的平均LED强度  

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在应用LED时经常会出现这样种问题，LED焊在产品上刚开始的时候是正常工作的，但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象，给产品带来严重的损害。引起这种现象的原因大致有：
1．应用产品时，焊接制程有问题，例如焊接温度过高焊接时间过长，没有做好防静电工作等，这些问题95％以上是封装过程造成。
2．LED本身质量或生产制程造成。

预防方法有：
1.做好焊接制程的控制。
2.对产品进行老化测试。
    老化是电子产品可靠性的重要保证，是产品生产的最后必不可少的一步。LED产品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能稳定。LED老化测试在产品质量控制是一个非常重要的环节，但在很多时候往往被忽视，无法进行正确有效的老化。LED老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策，以此来提高产品的可靠性，但这种方法并不是必需的，毕竟老化测试是以牺牲单颗LED产品的寿命为代价的。
    LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。恒流源是指电流在任何时间都恒定不变的。有频率的问题，就不是恒流了。那是交流或脉动电流。交流或脉动电流源可以设计成有效值恒定不变，但这种电源无法称做「恒流源」。恒流老化是最符合LED电流工作特征，是最科学的LED老化方式；过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段，通过使用频率可调，电流可调的恒流源进行此类老化，以期在短时间内判断LED的质量预期寿命，并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。

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LED为什么要串联一个电阻
串联电阻起到限流作用，因为 LED 的 PN结 电压--电流特性，对温度十分敏感，实际使用环境条件不同，会造成LED亮度不同，甚至会烧毁。串联电阻之后，电流大小基本由外部电源电压、电阻阻值大小决定的，LED 结电压变化的影响很小，保证了LED的亮度稳定以及使用寿命.

LED衬底材料的选用

对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。 应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为 衬底： 　·蓝宝石（Al2O3） 　·硅 (Si) 　·碳化硅（SiC） 　蓝宝石衬底     通常，GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技 术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械 强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。图1示例了使用蓝宝石衬底做成 的LED芯片。     图1  蓝宝石作为衬底的LED芯片     使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配， 这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电 阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n 型和p型电极（如图1所示）。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中 的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型 GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约 30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中 需要较好的设备，这将会增加生产成本。     蓝宝石的硬度非常高， 在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减 到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。     蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。因此在 使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考 虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能 。 　　硅衬底     目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅 衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact ,水平接触）和V接触 （Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部 的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积， 从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件 的寿命。 　　碳化硅衬底     碳化硅衬底（美国的CREE 公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器 件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图2所示 。     图2  采用蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片     碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为490W/(m·K)） 要比蓝宝石衬底高出10倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶， 这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所 产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸 收，这样又提高了出光效率。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降 低相应的成本。 　　三种衬底的性能比较     前面的内 容介绍的就是制作LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能比较可参见表1。     表1  三种衬底材料的性能比较     除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬 底，通常根据设计的需要选择使用。[/td]

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LED胶水使用中常见问题及解决

一、LED气泡问题
原因：1.碗内气泡：支架蘸胶不良。
         2.支架气泡：固化温度太高，环氧固化过于激烈。
         3.裂胶、爆顶：固化时间短，环氧树脂固化不完全或不均匀。AB胶超出可使用时间。
         4.灯头表面气泡:环氧胶存在脱泡困难或用户使用真空度不够，配胶时间过长。
解决：根据使用情况，改善工艺或与环氧供应商联系。
二、LED黄变
原因：1、烘烤温度太高或时间过长;
          2、配胶比例不对，A胶多容易黄。                                       
解决：1、HY-7001A/B在120-140度/30分钟内固化脱模，150度以上长时间烘烤易黄变。
          2、HY-7001-1A/B在120-130度/30-40分钟固化脱模，超过150度或长时间烘烤会黄变。
          3、做大型灯头Ø8、Ø10时，要降低固化温度。
三、LED支架爬胶
原因：1、支架表面凹凸不平產生毛細現象。2、AB胶中含有易挥发材料。
解决：请与供应商联系。
四、LED封装短烤离模后长烤变色。
原因：1、烘箱内堆放太密集，通风不良。
        2、烘箱局部温度过高。
        3、烘箱中存在其他色污染物质。
解决：改善通风。去除色污，确认烘箱内实际温度。
五、不易脱模
原因：AB胶问题或胶未达固化硬度。
解决：与供应商联系，确认固化温度和时间。
六、同一排支架上的灯，部分有着色现象或胶化时间不一，品质不均。
原因：搅拌不充分。
解决：充分搅拌均匀，尤其是容器的边角处要注意。
七、加同一批次同一剂量的色剂，但做出的产品颜色不一样。
原因：色剂浓度不均；或色剂沉淀。
解决：色剂加温，搅拌均匀后再使用。
八、加同一批次同一剂量的色剂，但颜色不一样。
原因：色剂浓度不均；或色剂沉淀。
解决：色剂加温，搅拌均匀后再使用。
九、红墨水失效
原因：AB胶固化不完全，密封性不良。
解决：1、加强AB胶混合后的搅拌，并正确控制固化及老化温度，使AB胶固化完全。
         2、与供应商联系。
十、双组分胶灌胶后在相应条件下不固化或不能完全硬化。
原因：1、AB胶配比不准。      2、配胶后搅拌不充分。
解决：AB胶配比称量准确；配胶后应充分搅拌；检查配胶过程，有无疏 忽，造成配比不准。
十一、HY-8003A/333B（或其他双组分胶）固化后表面有小气泡。
原因：1、AB胶混合后未能在规定时间内灌胶。 2、一次配胶过多  3、固化温度太高。4、被 灌器件含水量过高。
解决：AB胶混合后在规定时间内使用；少量多次配胶；控制固化温度； 元器件预烘排潮。
十二、PU水晶胶或灌封胶表面小气泡或其他不良。
原因：此类现象多是由于环境湿度过大所造成。
解决：控制环境湿度，最好在温度25摄氏度，相对湿度75度以下的恒温 恒湿的环境中固化。可大大减少PU胶的表面不良。

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LED封装质量控制

     由于高辉度蓝光LED的问世，因此利用荧光体与蓝光LED的组合，就可轻易获得白光LED。目前白光LED已成为可携式信息产品的主要背光照明光源，未来甚至可成为一般家用照明光源。此外最近几年出现高功率近紫外LED，同样的可利用荧光体变成白光LED，LED的特点是小型、低耗电量、寿命长，若与具备色彩设计自由度、稳定、容易处理等特点的荧光体组合时，就可成为全新的照明光源。
   通常LED与荧光体组合时，典型方法是将荧光体设于LED附近，主要原因是希望荧光体能高效率的将LED产生的光线作波长转换，而将荧光体设于光线放射密度较高的区域，对波长转换而言是最简易的方法。此外荧光体封装方法决定白光LED的发光效率与色调，因此接着将根据白光化的观点，深入探讨LED与荧光体的封装技术。
蓝色LED+YAG荧光体的白光化封装

是目前已商品化白光LED，具体而言它是将可产生黄光的YAG:Ce荧光体分散于透明的环氧树脂内，再用设于碗杯内的蓝色LED产生的光线激发转换成白光，这种方式的白光发光机制是利用LED产生蓝色光线，其中部份蓝光会激发YAG荧光体变成黄色发光，剩余的蓝光则直在外部进行蓝光与黄光混色进而变成白光，这种方式的特点是结构简单，只需在LED的制作过成中追加荧光体涂布工程即可，因此可以大幅抑制制作成本，此外另一特点是色度调整非常单纯。　
只要色坐标是在LED与YAG荧光体两色坐标形成的直线范围内，就可任意调整色调，依此可知YAG荧光体浓度较低时，蓝色穿透光的比率较多，整体就会呈蓝色基调白光；相对的如果YAG荧光体浓度较高时，黄色转换光的比率较多，整体呈黄色基调白光。
    如上所述将部份蓝色LED当作互补色的方式，不需要高密度(与树脂的百分比)的荧光体涂布，因此可以有效降低荧光体的使用量。一般而言荧光体与树脂的百分比，虽然会随着YAG荧光体的转换效率，与碗杯的形状而改变，不过10～20wt%左右低配合比就能获得白光。此外由于蓝光LED放射的光强度，在中心轴与周围的分布并不相同，即使LED芯片周围的YAG荧光体的密度完全相同，仍然会造成轴上与周围的光线不均等问题，这也是今后必需克服的课题之一。
Lead Frame Type与Chip Type都是将蓝光LED设于碗杯内，再用混有定量YAG荧光体的树脂涂布封装。由于LED具备小型、省电、长寿等特征，因此已经广泛应用于行动电话、PDA等可携式信息产品的背光照明光源，以及步道引导灯等领域。

hvfda

很详细,受教了

ethan.liao

不錯，謝謝了！

wt1982

学习了