

LED封裝全步驟
一、生產(chǎn)工藝
1.生產(chǎn):
a) 清洗:采用超聲波清洗PCB或LED支架,并烘干。
b) 裝架:在led管芯(大圓片)底部電極備上銀膠后進(jìn)行擴(kuò)張,將擴(kuò)張后的管芯(大圓片)安置在刺晶臺(tái)上,在顯微鏡下用刺晶筆將管芯一個(gè)一個(gè)安裝在PCB或LED支架相應(yīng)的焊盤上,隨后進(jìn)行燒結(jié)使銀膠固化。
c)壓焊:用鋁絲或金絲焊機(jī)將電極連接到LED管芯上,以作電流注入的引線。LED直接安裝在PCB上的,一般采用鋁絲焊機(jī)。(制作白光TOP-LED需要金線焊機(jī))
d)封裝:通過點(diǎn)膠,用環(huán)氧將LED管芯和焊線保護(hù)起來。在PCB板上點(diǎn)膠,對(duì)固化后膠體形狀有嚴(yán)格要求,這直接關(guān)系到背光源成品的出光亮度。這道工序還將承擔(dān)點(diǎn)熒光粉(白光LED)的任務(wù)。
e)焊接:如果背光源是采用SMD-LED或其它已封裝的LED,則在裝配工藝之前,需要將LED焊接到PCB板上。
f)切膜:用沖床模切背光源所需的各種擴(kuò)散膜、反光膜等。
g)裝配:根據(jù)圖紙要求,將背光源的各種材料手工安裝正確的位置。
h)測(cè)試:檢查背光源光電參數(shù)及出光均勻性是否良好。
2.包裝:將成品按要求包裝、入庫(kù)。
二、封裝工藝
1. LED的封裝的任務(wù)
是將外引線連接到LED芯片的電極上,同時(shí)保護(hù)好led芯片,并且起到提高光取出效率的作用。關(guān)鍵工序有裝架、壓焊、封裝。
2. LED封裝形式
LED封裝形式可以說是五花八門,主要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用相應(yīng)的外形尺寸,散熱對(duì)策和出光效果。led按封裝形式分類有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。
3. LED封裝工藝流程
a)芯片檢驗(yàn)
鏡檢:1、材料表面是否有機(jī)械損傷及麻點(diǎn)麻坑(lockhill) ;
2、芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求 ;
3、電極圖案是否完整。
b)擴(kuò)片
由于LED芯片在劃片后依然排列緊密間距很小(約0.1mm),不利于后工序的操作。我們采用擴(kuò)片機(jī)對(duì)黏結(jié)芯片的膜進(jìn)行擴(kuò)張,是LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。也可以采用手工擴(kuò)張,但很容易造成芯片掉落浪費(fèi)等不良問題。
c)點(diǎn)膠
在led支架的相應(yīng)位置點(diǎn)上銀膠或絕緣膠。(對(duì)于GaAs、SiC導(dǎo)電襯底,具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片,采用銀膠。對(duì)于藍(lán)寶石絕緣襯底的藍(lán)光、綠光led芯片,采用絕緣膠來固定芯片。)
工藝難點(diǎn)在于點(diǎn)膠量的控制,在膠體高度、點(diǎn)膠位置均有詳細(xì)的工藝要求。
由于銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴(yán)格的要求,銀膠的醒料、攪拌、使用時(shí)間都是工藝上必須注意的事項(xiàng)。
d)備膠
和點(diǎn)膠相反,備膠是用備膠機(jī)先把銀膠涂在led背面電極上,然后把背部帶銀膠的led安裝在led支架上。備膠的效率遠(yuǎn)高于點(diǎn)膠,但不是所有產(chǎn)品均適用備膠工藝。
e)手工刺片
將擴(kuò)張后LED芯片(備膠或未備膠)安置在刺片臺(tái)的夾具上,LED支架放在夾具底下,在顯微鏡下用針將LED芯片一個(gè)一個(gè)刺到相應(yīng)的位置上。手工刺片和自動(dòng)裝架相比有一個(gè)好處,便于隨時(shí)更換不同的芯片,適用于需要安裝多種芯片的產(chǎn)品.
f)自動(dòng)裝架
自動(dòng)裝架其實(shí)是結(jié)合了沾膠(點(diǎn)膠)和安裝芯片兩大步驟,先在led支架上點(diǎn)上銀膠(絕緣膠),然后用真空吸嘴將led芯片吸起移動(dòng)位置,再安置在相應(yīng)的支架位置上。
自動(dòng)裝架在工藝上主要要熟悉設(shè)備操作編程,同時(shí)對(duì)設(shè)備的沾膠及安裝精度進(jìn)行調(diào)整。在吸嘴的選用上盡量選用膠木吸嘴,防止對(duì)led芯片表面的損傷,特別是蘭、綠色芯片必須用膠木的。因?yàn)殇撟鞎?huì)劃傷芯片表面的電流擴(kuò)散層。
g)燒結(jié)
燒結(jié)的目的是使銀膠固化,燒結(jié)要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控,防止批次性不良。
銀膠燒結(jié)的溫度一般控制在150℃,燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)。根據(jù)實(shí)際情況可以調(diào)整到170℃,1小時(shí)。
絕緣膠一般150℃,1小時(shí)。
銀膠燒結(jié)烘箱的必須按工藝要求隔2小時(shí)(或1小時(shí))打開更換燒結(jié)的產(chǎn)品,中間不得隨意打開。燒結(jié)烘箱不得再其他用途,防止污染。
h)壓焊
壓焊的目的將電極引到led芯片上,完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作。
LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。右圖是鋁絲壓焊的過程,先在LED芯片電極上壓上第一點(diǎn),再將鋁絲拉到相應(yīng)的支架上方,壓上第二點(diǎn)后扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點(diǎn)前先燒個(gè)球,其余過程類似。
壓焊是LED封裝技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),工藝上主要需要監(jiān)控的是壓焊金絲(鋁絲)拱絲形狀,焊點(diǎn)形狀,拉力。
對(duì)壓焊工藝的深入研究涉及到多方面的問題,如金(鋁)絲材料、超聲功率、壓焊壓力、劈刀(鋼嘴)選用、劈刀(鋼嘴)運(yùn)動(dòng)軌跡等等。(下圖是同等條件下,兩種不同的劈刀壓出的焊點(diǎn)微觀照片,兩者在微觀結(jié)構(gòu)上存在差別,從而影響著產(chǎn)品質(zhì)量。)我們?cè)谶@里不再累述。
i)點(diǎn)膠封裝
LED的封裝主要有點(diǎn)膠、灌封、模壓三種?;旧瞎に嚳刂频碾y點(diǎn)是氣泡、多缺料、黑點(diǎn)。設(shè)計(jì)上主要是對(duì)材料的選型,選用結(jié)合良好的環(huán)氧和支架。(一般的LED無法通過氣密性試驗(yàn)) 如右圖所示的TOP-LED和Side-LED適用點(diǎn)膠封裝。手動(dòng)點(diǎn)膠封裝對(duì)操作水平要求很高(特別是白光LED),主要難點(diǎn)是對(duì)點(diǎn)膠量的控制,因?yàn)榄h(huán)氧在使用過程中會(huì)變稠。白光LED的點(diǎn)膠還存在熒光粉沉淀導(dǎo)致出光色差的問題。
j)灌膠封裝
Lamp-led的封裝采用灌封的形式。灌封的過程是先在led成型模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧,然后插入壓焊好的led支架,放入烘箱讓環(huán)氧固化后,將led從模腔中脫出即成型。
k)模壓封裝
將壓焊好的led支架放入模具中,將上下兩副模具用液壓機(jī)合模并抽真空,將固態(tài)環(huán)氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中,環(huán)氧順著膠道進(jìn)入各個(gè)led成型槽中并固化。
l)固化與后固化
固化是指封裝環(huán)氧的固化,一般環(huán)氧固化條件在135℃,1小時(shí)。模壓封裝一般在150℃,4分鐘。
m)后固化
后固化是為了讓環(huán)氧充分固化,同時(shí)對(duì)led進(jìn)行熱老化。后固化對(duì)于提高環(huán)氧與支架(PCB)的粘接強(qiáng)度非常重要。一般條件為120℃,4小時(shí)。
n)切筋和劃片
由于led在生產(chǎn)中是連在一起的(不是單個(gè)),Lamp封裝led采用切筋切斷l(xiāng)ed支架的連筋。SMD-led則是在一片PCB板上,需要?jiǎng)澠瑱C(jī)來完成分離工作。
o)測(cè)試
測(cè)試led的光電參數(shù)、檢驗(yàn)外形尺寸,同時(shí)根據(jù)客戶要求對(duì)LED產(chǎn)品進(jìn)行分選。
p)包裝
將成品進(jìn)行計(jì)數(shù)包裝。超高亮LED需要防靜電包裝。
如何預(yù)測(cè)LED的壽命
一切事物都有發(fā)生、發(fā)展和消亡的過程,LED也不例外,是有一定壽命的。早期的LED只是手電筒、臺(tái)燈這類的禮品,用的時(shí)間不長(zhǎng),壽命問題不突出。但是現(xiàn)在LED已經(jīng)開始廣泛地用于室外和室內(nèi)的照明之中,尤其是大功率的LED路燈,其功率大、發(fā)熱高、工作時(shí)間長(zhǎng),壽命問題就十分突出。過去認(rèn)為L(zhǎng)ED壽命一定就是10萬小時(shí)的神話似乎徹底破滅了。那么到底問題出在哪里呢?
假如不考慮電源和驅(qū)動(dòng)的故障,LED的壽命表現(xiàn)為它的光衰,也就是時(shí)間長(zhǎng)了,亮度就越來越暗,直到最后熄滅。通常定義衰減30%的時(shí)間作為其壽命。
那么LED的壽命能不能預(yù)測(cè)呢?這個(gè)問題無法簡(jiǎn)單地回答,需要從頭講起。
1.LED的光衰:
大多數(shù)白色LED是由藍(lán)色LED照射黃色熒光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有兩個(gè),一個(gè)是藍(lán)光LED本身的光衰,藍(lán)光LED的光衰遠(yuǎn)比紅光、黃光、綠光LED要快。還有一個(gè)是熒光粉的光衰,熒光粉在高溫下的衰減十分嚴(yán)重。各種品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的廠家能夠給出一套標(biāo)準(zhǔn)的光衰曲線來。例如美國(guó)Cree公司的光衰曲線就如圖1所示。

圖1. Cree公司的LED的光衰曲線
從圖中可以看出,LED的光衰是和它的結(jié)溫有關(guān),所謂結(jié)溫就是半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度,結(jié)溫越高越早出現(xiàn)光衰,也就是壽命越短。從圖上可以看出,假如結(jié)溫為105度,亮度降至70%的壽命只有一萬多小時(shí),95度就有2萬小時(shí),而結(jié)溫降低到75度,壽命就有5萬小時(shí),65度時(shí)更可以延長(zhǎng)至9萬小時(shí)。所以延長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵就是要降低結(jié)溫。不過這些數(shù)據(jù)只適合于Cree的LED。并不適合于其他公司的LED。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲線就如圖2所示。

圖2. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲線
當(dāng)結(jié)溫從115℃提高到135℃,就會(huì)使壽命從50,000小時(shí)降低到20,000小時(shí)。
其他各家公司的光衰曲線應(yīng)當(dāng)可以向原廠索取。
2.如何才能延長(zhǎng)LED的壽命
由圖中可以得出結(jié)論,要延長(zhǎng)其壽命的關(guān)鍵是要降低其結(jié)溫。而降低結(jié)溫的關(guān)鍵就是要有好的散熱器。能夠及時(shí)地把LED產(chǎn)生的熱散發(fā)出去。
結(jié)溫看上去是一個(gè)溫度測(cè)量問題,可是要測(cè)量的結(jié)溫在LED的內(nèi)部,總不能拿一個(gè)溫度計(jì)或熱電偶放進(jìn)PN結(jié)來測(cè)量它的溫度。當(dāng)然它的外殼溫度還是可以用熱電偶測(cè)量的,然后根據(jù)給出的熱阻Rjc(結(jié)到外殼),可以推算出它的結(jié)溫。,但是在安裝好散熱器以后,問題就又變得復(fù)雜起來了。因?yàn)橥ǔED是焊接到鋁基板,而鋁基板又安裝到散熱器上,假如只能測(cè)量散熱器外殼的溫度,那么要推算結(jié)溫就必須知道很多熱阻的值。包括Rjc(結(jié)到外殼),Rcm(外殼到鋁基板,其實(shí)其中還應(yīng)當(dāng)包括薄膜印制版的熱阻),Rms(鋁基板到散熱器),Rsa(散熱器到空氣),其中只要有一個(gè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確就會(huì)影響測(cè)試的準(zhǔn)確度。圖3給出了LED到散熱器各個(gè)熱阻的示意圖。其中合并了很多熱阻,使得其精確度更加受到限制。也就是說,要從測(cè)得的散熱器表面溫度來推測(cè)結(jié)溫的精確度就更差。

圖3. LED到散熱器各個(gè)熱阻的示意圖
幸好有一個(gè)間接測(cè)量溫度的方法,那就是測(cè)量電壓。那么結(jié)溫和哪個(gè)電壓有關(guān)呢?這個(gè)關(guān)系又是怎么樣的呢?
我們首先要從LED的伏安特性講起。
4.LED伏安特性的溫度系數(shù)
我們知道LED是一個(gè)半導(dǎo)體二極管,它和所有二極管一樣具有一個(gè)伏安特性,也和所有的半導(dǎo)體二極管一樣,這個(gè)伏安特性有一個(gè)溫度特性。其特點(diǎn)就是當(dāng)溫度上升的時(shí)候,伏安特性左移。圖4中畫出了LED的伏安特性的溫度特性。

圖4. LED伏安特性的溫度特性
假定對(duì)LED以Io恒流供電,在結(jié)溫為T1時(shí),電壓為V1,而當(dāng)結(jié)溫升高為T2時(shí),整個(gè)伏安特性左移,電流Io不變,電壓變?yōu)閂2。這兩個(gè)電壓差被溫度去除,就可以得到其溫度系數(shù),以mV/oC表示。對(duì)于普通硅二極管,這個(gè)溫度系數(shù)大約為-2mV/oC。但是LED大多數(shù)不是用硅材料制成的,所以它的溫度系數(shù)也要另外去測(cè)定。幸好各家LED廠家的數(shù)據(jù)表中大多給出了它的溫度系數(shù)。例如對(duì)于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED,其溫度系數(shù)為-4mV/oC。要比普通硅二極管大2倍。而美國(guó)Philips-Lumileds公司的Luxeon RebEL的伏安特性溫度系數(shù)為-2—4mV/oC。至于美國(guó)普瑞的陣列LED(BXRA)就給出了更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

圖5. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲線
但是,他們給出的數(shù)據(jù),其范圍也未免過于寬大,以至于失去了利用的價(jià)值。不管怎樣,只要知道LED的溫度系數(shù)就很容易可以從測(cè)量LED的前向電壓中推算出LED的結(jié)溫了。
5.如何具體測(cè)算LED的結(jié)溫。
現(xiàn)在就以Cree公司的XLamp7090XR-E為例。來說明如何具體測(cè)算LED的結(jié)溫。要求已經(jīng)把LED安裝到散熱器里,并且是采用恒流驅(qū)動(dòng)器作為電源。同時(shí)要把連接到LED去的兩根線引出來。在通電以前就把電壓表連接到輸出端(LED的正極和負(fù)極),然后接通電源,趁LED還沒有熱起來之前,馬上讀出電壓表的讀數(shù),也就是相當(dāng)于V1的值,然后等至少1小時(shí),等它已經(jīng)達(dá)到熱平衡,再測(cè)一次,LED兩端的電壓,相當(dāng)于V2。把這兩個(gè)值相減,得出其差值。再被4mV去除一下,就可以得出結(jié)溫了。實(shí)際上,LED多半為很多個(gè)串聯(lián)再并聯(lián),這也不要緊,這時(shí)的電壓差值是由很多串聯(lián)的LED所共同貢獻(xiàn),所以要把這個(gè)電壓差值除以所串聯(lián)的LED數(shù)目再去除以4mV,就可以得到其結(jié)溫。例如,LED是10串2并,第一次測(cè)得的電壓為33V,第二次熱平衡后測(cè)得的電壓為30V,電壓差為3V。這個(gè)數(shù)字先要除以所串聯(lián)的LED個(gè)數(shù)(10個(gè)),得到0.3V,再除以4mV,可以得到75度。假定開機(jī)前的環(huán)境溫度是20度,那么這時(shí)候的結(jié)溫就應(yīng)當(dāng)是95度。
采用這種方法得出的結(jié)溫,肯定要比用熱電偶測(cè)量散熱器的溫度再來推算其結(jié)溫要準(zhǔn)確很多。
6.如何來預(yù)測(cè)這個(gè)燈具的壽命。
從結(jié)溫來推測(cè)壽命好像應(yīng)該很簡(jiǎn)單,只要查一下圖1的曲線,就可以知道對(duì)應(yīng)于95度結(jié)溫時(shí)的壽命就可以得到LED的壽命為2萬小時(shí)了。但是,這種方法用于室內(nèi)的LED燈具還有一定的可信度,如果應(yīng)用到室外的LED燈具,尤其是大功率LED路燈,那里還有很多不確定因素。最大的問題是LED路燈的散熱器的散熱效率的隨時(shí)間而降低。這是由于塵土、鳥屎的積累而使得其散熱效率降低。也還因?yàn)槭彝庥泻軓?qiáng)烈的紫外線,也會(huì)使LED的壽命降低。紫外線主要是對(duì)封裝的環(huán)氧樹脂的老化起很大作用,假如采用硅膠,可以有所改善。紫外線對(duì)熒光粉的老化也有一些壞作用,但不是很嚴(yán)重。
不過,這種方法用來相對(duì)比較兩種散熱器的散熱效果是比較有效的。很明顯,伏安特性左移越小的散熱器,其散熱效果就越好。另外,對(duì)于預(yù)測(cè)室內(nèi)LED燈具的壽命也還是有一定的準(zhǔn)確度的。
LED主要參數(shù)與特性
LED是利用化合物材料制成pn結(jié)的光電器件。它具備pn結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性:I-V特性、C-V特性和光學(xué)特性:光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強(qiáng)指向特性、時(shí)間特性以及熱學(xué)特性。本文將為你詳細(xì)介紹。
1、LED電學(xué)特性
1.1 I-V特性
表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。LED的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì):?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?,即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻,反之為高接觸電阻。

圖1 LED I-V特性曲線
如圖1:
?。?) 正向死區(qū):(圖oa 或oa′段)a點(diǎn)對(duì)于V0 為開啟電壓,當(dāng)V<Va,外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng),此時(shí)R很大;開啟電壓對(duì)于不同LED其值不同,GaAs 為1V,紅色GaAsP 為1.2V,GaP 為1.8V,GaN 為2.5V。
?。?)正向工作區(qū):電流IF 與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系:
IF = IS (e qVF/KT –1)
IS為反向飽和電流。V>0 時(shí),V>VF 的正向工作區(qū)IF 隨VF 指數(shù)上升:
IF = IS e qVF/KT
?。?)反向死區(qū) :V<0 時(shí)pn 結(jié)加反偏壓V= - VR 時(shí),反向漏電流IR(V= -5V)時(shí),GaP 為0V,GaN 為10uA。
?。?)反向擊穿區(qū) V<- VR ,VR 稱為反向擊穿電壓;VR 電壓對(duì)應(yīng)IR 為反向漏電流。當(dāng)反向偏壓一直增加使V<- VR 時(shí),則出現(xiàn)IR 突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同,各種LED 的反向擊穿電壓VR 也不同。
1.2 C-V特性
鑒于LED 的芯片有9×9mil (250×250um),10×10mil,11×11mil (280×280um),12×12mil (300×300um),故pn 結(jié)面積大小不一,使其結(jié)電容(零偏壓)C≈n+pf左右。C-V 特性呈二次函數(shù)關(guān)系(如圖2)。由1MHZ 交流信號(hào)用C-V 特性測(cè)試儀測(cè)得。

圖2 LED C-V特性曲線
1.3 最大允許功耗PFm
當(dāng)流過LED的電流為IF、管壓降為UF 則功率消耗為P=UF×IF. LED工作時(shí),外加偏壓、偏流一定促使載流子復(fù)合發(fā)出光,還有一部分變?yōu)闊?,使結(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta,則當(dāng)Tj>Ta 時(shí),內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱,散逸熱量(功率),可表示為P = KT(Tj – Ta)。
1.4 響應(yīng)時(shí)間
響應(yīng)時(shí)間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢。現(xiàn)有幾種顯示LCD(液晶顯示)約10-3~10-5S,CRT、PDP、LED 都達(dá)到10-6~10-7S(us 級(jí))。
1.響應(yīng)時(shí)間從使用角度來看,就是LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間,即圖3中tr 、tf 。圖中t0 值很小,可忽略。

圖3
?、?響應(yīng)時(shí)間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED 的點(diǎn)亮?xí)r間——上升時(shí)間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開始,一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。LED 熄滅時(shí)間——下降時(shí)間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。
不同材料制得的LED 響應(yīng)時(shí)間各不相同;如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應(yīng)時(shí)間<10-9S,GaP 為10-7 S。因此它們可用在10~100MHZ 高頻系統(tǒng)。
2、LED光學(xué)特性
發(fā)光二極管有紅外(非可見)與可見光兩個(gè)系列,前者可用輻射度,后者可用光度學(xué)來量度其光學(xué)特性。
2.1 發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布Iθ
2.1.1 發(fā)光強(qiáng)度(法向光強(qiáng))是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要性能。LED 大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝,由于凸透鏡的作用,故都具有很強(qiáng)指向性:位于法向方向光強(qiáng)最大,其與水平面交角為90°。當(dāng)偏離正法向不同θ角度,光強(qiáng)也隨之變化。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向。
2.1.2 發(fā)光強(qiáng)度的角分布Iθ是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。它主要取決于封裝的工藝(包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否)
⑴ 為獲得高指向性的角分布(如圖4)

圖4
?、?LED 管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些;
?、?使用圓錐狀(子彈頭)的模粒頭;
?、?封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。
采取上述措施可使LED 2θ1/2 = 6°左右,大大提高了指向性。
?、?當(dāng)前幾種常用封裝的散射角(2θ1/2 角)圓形LED:5°、10°、30°、45°。
2.2 發(fā)光峰值波長(zhǎng)及其光譜分布
?、?LED 發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同,繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后,器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。
LED 的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)(外延層厚度、摻雜雜質(zhì))等有關(guān),而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。

圖5 LED光譜分布曲線
4.紅外GaAs 5.Si 光敏二極管 6.標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈
圖5繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED 光譜響應(yīng)曲線。其中
① 是藍(lán)色I(xiàn)nGaN/GaN 發(fā)光二極管,發(fā)光譜峰λp = 460~465nm;
?、?是綠色GaP:N 的LED,發(fā)光譜峰λp = 550nm;
③ 是紅色GaP:Zn-O 的LED,發(fā)光譜峰λp = 680~700nm;
?、?是紅外LED 使用GaAs 材料,發(fā)光譜峰λp = 910nm;
⑤ 是Si 光電二極管,通常作光電接收用。
由圖5可見,無論什么材料制成的LED,都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處(光輸出最大),與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng),此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng),用λp表示。只有單色光才有λp波長(zhǎng)。
?、?譜線寬度:在LED 譜線的峰值兩側(cè)±△λ處,存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值(最大光強(qiáng)度)一半的點(diǎn),此兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)λp-△λ,λp+△λ 之間寬度叫譜線寬度,也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄,即LED 單色性的參數(shù),LED 半寬小于40 nm。
?、?主波長(zhǎng):有的LED 發(fā)光不單是單一色,即不僅有一個(gè)峰值波長(zhǎng);甚至有多個(gè)峰值,并非單色光。為此描述LED 色度特性而引入主波長(zhǎng)。主波長(zhǎng)就是人眼所能觀察到的,由LED 發(fā)出主要單色光的波長(zhǎng)。單色性越好,則λp也就是主波長(zhǎng)。如GaP 材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(zhǎng),而主波長(zhǎng)只有一個(gè),它會(huì)隨著LED 長(zhǎng)期工作,結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)波。
2.3 光通量
光通量F是表征LED 總光輸出的輻射能量,它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。F為L(zhǎng)ED 向各個(gè)方向發(fā)光的能量之和,它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加,LED 光通量隨之增大??梢姽釲ED 的光通量單位為流明(lm)。
LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色LED 的光通量最大約1 lm,白光LED 的F≈1.5~1.8 lm(小芯片),對(duì)于1mm×1mm的功率級(jí)芯片制成白光LED,其F=18 lm。
2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度
① LED效率有內(nèi)部效率(pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率)與外部效率(輻射到外部的效率)。前者只是用來分析和評(píng)價(jià)芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射出光能量(發(fā)光量)與輸入電能之比,即發(fā)光效率。
?、?視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量。人的視覺靈敏度在λ = 555nm 處有一個(gè)最大值680 lm/w,若視覺靈敏度記為Kλ,則發(fā)光能量P 與可見光通量F 之間關(guān)系為P=∫Pλdλ ; F=∫KλPλdλ
?、?發(fā)光效率——量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn 結(jié)載流子數(shù)=(e/hcI)∫λPλdλ。若輸入能量為W=UI,則發(fā)光能量效率ηP=P/W 若光子能量hc=ev,則η≈ηP,則總光通F=(F/P)P=KηPW 式中K= F/P。
④ 流明效率:LED 的光通量F/外加耗電功率W=KηP
它是評(píng)價(jià)具有外封裝LED 特性,LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大,故也叫可見光發(fā)光效率。
以下列出幾種常見LED 流明效率(可見光發(fā)光效率):

品質(zhì)優(yōu)良的LED 要求向外輻射的光能量大,向外發(fā)出的光盡可能多,即外部效率要高。事實(shí)上,LED 向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分,總的發(fā)光效率應(yīng)為η=ηiηcηe,式中ηi 向?yàn)閜、n 結(jié)區(qū)少子注入效率,ηc 為在勢(shì)壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率,ηe 為外部出光(光取出效率)效率。
由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)(無環(huán)氧封裝)若垂直入射,被空氣反射,反射率為(n1-1)2/(n1+1)2=0.32,反射出的占32%,鑒于晶體本身對(duì)光有相當(dāng)一部分的吸收,于是大大降低了外部出光效率。為了進(jìn)一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施:
① 用折射率較高的透明材料(環(huán)氧樹脂n=1.55 并不理想)覆蓋在芯片表面;
?、?把芯片晶體表面加工成半球形;
?、?用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點(diǎn)玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽,可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4~6倍。
2.5 發(fā)光亮度
亮度是LED 發(fā)光性能又一重要參數(shù),具有很強(qiáng)方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量,單位為cd/m2 或Nit。

若光源表面是理想漫反射面,亮度BO 與方向無關(guān)為常數(shù)。晴朗的藍(lán)天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit(尼特),從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。
LED 亮度與外加電流密度有關(guān),一般的LED,JO(電流密度)增加BO 也近似增大。另外,亮度還與環(huán)境溫度有關(guān),環(huán)境溫度升高,ηc(復(fù)合效率)下降,BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變,電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高,溫升后,亮度呈飽和狀態(tài)。
2.6 壽命
老化:LED 發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān),可描述為Bt=BO e-t/τ,Bt 為t 時(shí)間后的亮度,BO 為初始亮度。

通常把亮度降到Bt=1/2B0 所經(jīng)歷的時(shí)間t 稱為二極管的壽命。測(cè)定t 要花很長(zhǎng)的時(shí)間,通常以推算求得壽命。
測(cè)量方法:給LED 通以一定恒流源,點(diǎn)燃103 ~104小時(shí)后, 先后測(cè)得B0 ,Bt=1000~10000,代入Bt=B0 e-t/τ求出τ;再把Bt=1/2B0代入,可求出壽命t。
長(zhǎng)期以來總認(rèn)為L(zhǎng)ED 壽命為106小時(shí),這是指單個(gè)LED 在IF=20mA 下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用,國(guó)外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。
如LED 的光衰減為原來35%,壽命>6000h。
3、熱學(xué)特性
LED的光學(xué)參數(shù)與pn 結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF<10mA,或者10~20 mA 長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED 溫升不明顯。
若環(huán)境溫度較高,LED 的主波長(zhǎng)或λp 就會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移,BO 也會(huì)下降,尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)LED 的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。
LED的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系可表示為:
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由式可知,每當(dāng)結(jié)溫升高10℃,則波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移1nm,且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對(duì)于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強(qiáng)、光亮度的設(shè)計(jì)尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)iT通用設(shè)備、確保LED 長(zhǎng)期工作。

