【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電的粘結(jié)材料，它與SAM間有很好的潤(rùn)濕性，與其它的材料表面和載體溶液則難以潤(rùn)濕；接著將懸浮有芯片的載體溶液倒入裝有基板的裝配槽內(nèi)進(jìn)行對(duì)位組裝；最后去除載體溶液，通過(guò)加熱或紫外線照射等固化粘結(jié)材料，完成微系統(tǒng)的自組裝。混合對(duì)位模式自組裝是使用具有特定導(dǎo)向性外形的LED芯片，在基板或芯片相應(yīng)的焊盤上涂覆粘結(jié)劑，然后將微元件懸浮在載體溶液中，在液體流動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自行對(duì)位組裝。它結(jié)合了外形匹配和粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位這兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的識(shí)別不同類型微元件和高可靠性地并行組裝能力，因此能夠更加高效準(zhǔn)確地完成芯片的自組裝。Wei Zheng等研究了這種混合對(duì)位模式的自組裝方法，成功地將幾百個(gè)微小的AlGaInP/GaAs發(fā)光二極管在4分鐘內(nèi)組裝到載體基板上，組裝成功率超過(guò)97％。該實(shí)驗(yàn)性微系統(tǒng)包括三個(gè)組件：一個(gè)LED芯片，一個(gè)硅載體和一個(gè)耐熱的玻璃包封單元。硅載體和玻璃包封單元均刻蝕有200微米深的菱臺(tái)形開(kāi)口，這與LED芯片的厚度一致。三個(gè)組件具有明顯互補(bǔ)的外形、銅引線電路和銦焊料圖案，圖21（a）顯示了硅載體和玻璃包封單元的制作過(guò)程。完成微組件的制備后，然后在100℃的乙烯乙二醇（沸點(diǎn)197℃）溶液中，在活塞泵產(chǎn)生的脈沖流體的強(qiáng)力攪拌下，經(jīng)兩步完成微系統(tǒng)的自組裝：第一步是硅載體和LED芯片依靠外形識(shí)別自行對(duì)位，鍍金的芯片背面與硅載體凹坑內(nèi)涂覆有銦焊料的底面連接，液態(tài)焊料表面能最小化驅(qū)使LED芯片自行地調(diào)整到對(duì)準(zhǔn)的位置，對(duì)準(zhǔn)精度一般可達(dá)亞微米級(jí)，如圖21（b）。第二步是互連后的芯片與玻璃包封單元的組裝，玻璃包封單元的中心有一200微米深的菱臺(tái)形開(kāi)口，可以在組裝過(guò)程中識(shí)別第一步完成的LED芯片。每個(gè)開(kāi)口有5個(gè)涂覆焊料的表面，它們可潤(rùn)濕并連接到LED相應(yīng)鍍金的外形面和硅基板上。玻璃包封單元可以保護(hù)組裝的LED元件和完善電互連。經(jīng)過(guò)對(duì)混合模式對(duì)位自組裝工藝過(guò)程的分析，人們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的缺陷不是自組裝方法本身導(dǎo)致的，它主要與可能構(gòu)造的空間局部能量最小化分布和脈沖泵的攪拌水平有關(guān)，通過(guò)優(yōu)化元件設(shè)計(jì)以及合適的攪拌，混合對(duì)位模式自組裝工藝的成功率將進(jìn)一步提高。 1 3 LED光源的光電參數(shù) 3 LED光源的光電參數(shù)對(duì)于照明光源，人們一般傾向于近似太陽(yáng)光的白光照明。目前LED發(fā)白光的方式比較多，每種方法得到的白光的質(zhì)量也不盡相同。為了評(píng)價(jià)LED光源的性能，需要對(duì)其電與光等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，比如發(fā)光效率、光通量、顯色指數(shù)等。但由于LED特殊的結(jié)構(gòu)，其光源性能參數(shù)的測(cè)試有特別的要求，這樣才能保證測(cè)量的一致性和準(zhǔn)確性。 LED發(fā)白光的原理目前使用的白光LED生產(chǎn)技術(shù)，主要可分為單晶型和多晶型兩種： (一)單晶型： (l)藍(lán)色LED+發(fā)黃光的熒光粉其原理是利用釔鋁石榴石熒光粉(YAG)受到藍(lán)色LED照射后會(huì)發(fā)出黃光，經(jīng)與未被吸收的藍(lán)光混合后，即可產(chǎn)生被肉眼視為白色的光。這是目前最為主要的生產(chǎn)方式，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)容易，且沒(méi)有多晶型生產(chǎn)方式普遍存在的各個(gè)LED晶粒的光衰減率、溫度特性和壽命有差異的缺陷，但是其發(fā)光效率較低，目前約只有為25～35 1m/W，且在高電流工作下，色溫升高的問(wèn)題較為嚴(yán)重。 (2)紫外光LED+發(fā)紅、藍(lán)、綠光的熒光粉這種發(fā)光原理和熒光燈的發(fā)光原理相似，利用紫外光或近紫外光激發(fā)RGB三色熒光粉，產(chǎn)生RGB三原色的光混合產(chǎn)生白光。其發(fā)光光譜和藍(lán)色LED+YAG相比要寬得多，而且可以利用熒光體的組合，發(fā)出白光以外的各種發(fā)光色，但是紫外光轉(zhuǎn)換為黃綠光的過(guò)程中，能量損失比藍(lán)光的要大，因此發(fā)光效率比較低，紫外光的泄漏也不安全。目前單晶型最新的技術(shù)動(dòng)向是改變活性層的性質(zhì)，利用三種單純的活性層半導(dǎo)體產(chǎn)生RGB三色光，進(jìn)而直接產(chǎn)生白光效果，所使用的發(fā)光材料是InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)。(二)多晶型：(1)紅色LED+藍(lán)色LED+綠色LED通過(guò)將電流控制在適當(dāng)?shù)妮敵龉β时认?，可將紅(AlGaAs)藍(lán)(InGaN)綠(AlInGaP)三原色LED所發(fā)出的光混合成白光，并可通過(guò)電流加以控制調(diào)整其頻譜特性，具有較高的發(fā)光效率且色溫易調(diào)整，但是它要使用三顆LED晶粒，且個(gè)別晶粒材質(zhì)差異很大，因此在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，整體生產(chǎn)成本較高。(2)藍(lán)綠色LED+琥珀色LED美國(guó)Gentex Corporation利用InGaN藍(lán)綠光LED和InAlGaP琥珀色LED的互補(bǔ)色關(guān)系生產(chǎn)出互補(bǔ)色白光，幾乎與以三元色LED混合成的白光LED具有相同的特性，但是其顯色指數(shù)(Ra)較低。 LED特征參數(shù)簡(jiǎn)介綜合測(cè)試LED各項(xiàng)性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)LED照明光源的基礎(chǔ)。作為應(yīng)用于照明的光電器件，LED的特征參數(shù)主要包括電、光和色三個(gè)方面[35]： (1)相關(guān)電參數(shù)正向電壓(Vf)：通過(guò)LED的正向電流為確定值時(shí)，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。反向電壓(Vr)：被測(cè)LED器件通過(guò)的反向電流為確定值時(shí)，兩極間所產(chǎn)生的電壓降。正向電流(If)：加載在LED兩端的正向電壓為確定值時(shí)，流過(guò)LED的電流。 (2)相關(guān)光參數(shù)相對(duì)光譜功率分布：在光輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各個(gè)波長(zhǎng)的相對(duì)輻射功率分布情況。峰值波長(zhǎng)：光譜輻射功率最大的波長(zhǎng)。光通量：通過(guò)發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時(shí)，器件光學(xué)窗口向整個(gè)空間在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺(jué)的輻射通量，單位為流明。發(fā)光強(qiáng)度：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。 (3)相關(guān)色度學(xué)參數(shù)色度坐標(biāo)：光源對(duì)應(yīng)的RGB三原色在CIE確定的色度圖中的坐標(biāo)值。色溫：光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí)，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。對(duì)于組裝后的LED光源，在應(yīng)用于照明時(shí)還需對(duì)其照明性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，這主要包括光通量、照度以及成本等。在燈具設(shè)計(jì)中，照明計(jì)算主要是包括兩個(gè)方面：一個(gè)是照度的計(jì)算，它表征被照表面單位面積上的光通量。另外一個(gè)是光通量的計(jì)算，通過(guò)分別計(jì)算LED燈具的光通量和LED光源的光通量來(lái)合理布置LED的位置、確定LED的個(gè)數(shù)，合理的添加光學(xué)器件，從而滿足不同的照明需要。對(duì)于LED照明光源，其直接應(yīng)用于各種需要照明的場(chǎng)合，或作為主要照明光源，或作為輔助光源。此時(shí)光源的光通量以及在被照工作面上產(chǎn)生的照度是我們?cè)O(shè)計(jì)燈具時(shí)非常關(guān)心的，其計(jì)算對(duì)于燈具的設(shè)計(jì)有著直接的指導(dǎo)作用[41]。照度表征的是被照表面單位面積上的光通量。對(duì)于單個(gè)點(diǎn)光源的照度，其基本計(jì)算公式可由下面兩個(gè)照度定律導(dǎo)出，這兩個(gè)定律是照度計(jì)算的基礎(chǔ)[42]。(1)距離平方反比定律如圖314所示，點(diǎn)光源S在指向平面N(與入射光線垂直的平面)上P點(diǎn)的方向上光強(qiáng)為Iθ，光源到P點(diǎn)的距離為l,投射到包括P點(diǎn)的指向平面上的面元上的光通量為： 因面元dAn很小，可以把它看成是以點(diǎn)光源為球心的球面積的一部分，所以立體角dω可由下式確定：根據(jù)照度的定義，光源在指向平面上P點(diǎn)產(chǎn)生的照度En為: 距離平方反比定律說(shuō)明，點(diǎn)光源在與照射方向垂直的平面上產(chǎn)生的照度與光源至被照面的距離的平方成反比。(2)余弦定律如果圖中的P點(diǎn)在水平面H上，則P點(diǎn)的照度為： 式中Iθ—光源在照度計(jì)算點(diǎn)方向的發(fā)光強(qiáng)度；cosθ—光源至照度計(jì)算點(diǎn)的連線與光源至照度計(jì)算平面的垂線之間夾角的余弦；l—光源至照度計(jì)算點(diǎn)的距離。對(duì)于LED照明光源，一般為多個(gè)點(diǎn)光源構(gòu)成。光源的尺寸相比于光源和被照面的距離小于五分之一時(shí)，可認(rèn)為光源為點(diǎn)光源。由于不存在相干的問(wèn)題，因此當(dāng)有n個(gè)點(diǎn)光源同時(shí)照射到工作面時(shí)，n個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生的照度等于每一光源分別產(chǎn)生的照度的總和?？傉斩瓤捎孟率奖硎? 式中—第n個(gè)光源在照度計(jì)算點(diǎn)方向的發(fā)光強(qiáng)度；θn—第n個(gè)光源至照度計(jì)算點(diǎn)連線與光源至照度計(jì)算平面垂線之間夾角的余弦；ln—第n個(gè)光源至照度計(jì)算點(diǎn)的距離。當(dāng)LED照明光源在被照面上各點(diǎn)產(chǎn)生的照度比較均勻時(shí)，可用平均照度來(lái)表征工作面上照明的程度。此時(shí)，照明設(shè)計(jì)可以采用比較簡(jiǎn)單的平均照度計(jì)算法而使得計(jì)算簡(jiǎn)化，即計(jì)算落到工作面上的總光通量除以被照面的面積。為了確定LED光源個(gè)數(shù)和LED的位置，必須通過(guò)有效計(jì)算LED照明光源總的光通量。除了積分球方法外，LED照明光源的光通量還可通過(guò)照度來(lái)計(jì)算得到，其思路是通過(guò)環(huán)帶分割然后求和的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體做法是首先將LED燈具垂直固定，讓其光線投射到被照面上，被照面被劃分為不同半徑的若干同心小環(huán)帶，將每個(gè)小環(huán)帶的面積乘以該面積上測(cè)得的平均照度值，即為該面積上的光通量，各個(gè)小環(huán)帶面積上的光通量相加，即為該燈具所發(fā)射的總光通量[43]。燈具固定懸掛在距離被照平面高度為H的位置上，根據(jù)不同的中心角θ1,θ2,…θn，將被照平面分成對(duì)應(yīng)半徑為R1, R2,…Rn的不同環(huán)帶，各環(huán)帶面積比為S1, S2,… Sn，對(duì)應(yīng)各環(huán)帶所測(cè)平均照度分別為Erp1 ,Erp2,…Erpn，各環(huán)帶的光通量分別應(yīng)為：第一環(huán)帶光通量：第二環(huán)帶光通量：依次類推：第n 環(huán)帶光通量：故總的光通量：球帶半徑R由燈具的懸掛高度H和要求角度的精度決定，習(xí)慣上，配光曲線均采用等角角度分割法，測(cè)試中每5為一間隔。也可以采用等間距測(cè)量法，即在X和Y軸上，每隔等距離測(cè)量一次數(shù)據(jù)，進(jìn)而求出總的光通量。4 LED照明光源的制備 4 LED照明光源的制備據(jù)行業(yè)分析機(jī)構(gòu)CIR的研究報(bào)告預(yù)測(cè)，全球2008年LED銷售額將逾56億美元，其中大功率LED占據(jù)絕大部分，主要應(yīng)用是普通燈具。目前LED照明光源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于特種照明領(lǐng)域，比如汽車上的閱讀燈和剎車燈，手機(jī)背光源，景觀照明裝飾燈，舞臺(tái)照明燈，安全照明燈以及手電筒等，這為L(zhǎng)ED進(jìn)入通用照明市場(chǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。中國(guó)作為照明器具生產(chǎn)大國(guó)，需要抓住這次半導(dǎo)體照明變革的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明產(chǎn)業(yè)的提升，特別應(yīng)把握2008北京奧運(yùn)會(huì)和2010上海世博會(huì)舉辦的機(jī)遇，加快在LED照明領(lǐng)域的應(yīng)用研究。單只LED發(fā)光亮度低，不能滿足一般光源所需的亮度要求，為達(dá)到照明要求，一般采取將多只高亮度LED組成點(diǎn)陣光源，并且選用合適的光學(xué)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)良好的照明效果。為了探索LED光源的性能及其在組裝上存在的問(wèn)題，我們制備了幾種不同的LED光源，通過(guò)對(duì)燈具設(shè)計(jì)、基板組裝、驅(qū)動(dòng)電路、照度測(cè)試以及成本評(píng)估了解并掌握LED照明光源組裝工藝及性能測(cè)試方法，為進(jìn)一步研究LED光源在通用照明市場(chǎng)上的應(yīng)用做準(zhǔn)備。 LED吊頂燈與射燈的設(shè)計(jì)隨著人們對(duì)家裝要求的提高，室內(nèi)照明質(zhì)量及光源特色受到人們更多的關(guān)注。LED光源由于具有節(jié)能環(huán)保以及長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，并且可方便的設(shè)計(jì)成各種大小和形狀的燈具，因此很受人們的青睞。從性能和成本上考慮，LED目前已具備作為小型照明光源的條件，可應(yīng)用于家庭內(nèi)部輔助照明，比如吊頂燈和射燈等。LED燈具一般由三部分組成：LED組合光源、驅(qū)動(dòng)電路和光學(xué)透鏡系統(tǒng)。透鏡的作用是將光線按所希望的路徑出射。影響燈具發(fā)光效果的因素包括：芯片的率35及個(gè)數(shù)、芯片在燈具內(nèi)的放置位置和透鏡的形狀等。在我們的實(shí)驗(yàn)中，選用的LED為美國(guó)CREE公司生產(chǎn)的1W LED，發(fā)光顏色為近白色。在照明光源的設(shè)計(jì)中，光效率和光分布均勻性是最重要的兩個(gè)因數(shù)，對(duì)于目前LED照明光源，基于自身的特點(diǎn)，還得特別考慮散熱性能問(wèn)題。為了得到均勻而亮度足夠的照明效果，同時(shí)將燈的成本控制在合適范圍內(nèi)且散熱良好，我設(shè)計(jì)了1種LED組合光源。如下圖：該光源為3顆1W的LED元件，先貼裝到MCPCB上，然后成對(duì)稱分布組裝到鋁基板上，3顆LED為串聯(lián)，電流為1A，可作為射燈或露營(yíng)燈。選用MCPCB是為了快速地將大功率LED產(chǎn)生的熱量散失掉，從而保證其穩(wěn)定發(fā)揮性能。MCPCB為鋁、環(huán)氧樹脂和銅箔組成的復(fù)合基板，具有非常高的熱導(dǎo)率，它是將銅箔通過(guò)環(huán)氧樹脂粘結(jié)到鋁基板上，然后在銅箔上刻蝕出引線和焊盤。除了LED的選擇及分布外，驅(qū)動(dòng)電路也直接影響到LED光源性能的正常發(fā)揮。LED為直流工作元件，出射光強(qiáng)隨正向電流變化比較大，為了出光均勻，應(yīng)采用恒流驅(qū)動(dòng)，但生活中恒壓電源更容易獲得，因此實(shí)際中LED的工作模式包括恒流與恒壓兩種。 LED光源驅(qū)動(dòng)電路LED的亮度由流過(guò)的電流決定，在不損壞LED的情況下，一般二極管的亮度是隨著流過(guò)LED電流的增加而變亮，流過(guò)LED電流的大小與亮度大致成正比，圖41是我們使用的1W LED的相對(duì)光強(qiáng)與正向電流的關(guān)系。同種LED在恒流驅(qū)動(dòng)下亮度一致，出射光均勻，但恒流電源的獲取比較困難，一般是從恒壓電源變換得到，這降低了整體驅(qū)動(dòng)電路的效率并增加了成本。圖41 LED光強(qiáng)與正向電流的關(guān)系 LED連接方式的比較LED是由電流驅(qū)動(dòng)的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是采用LED VI曲線來(lái)確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實(shí)現(xiàn)方法一般采用一個(gè)電壓電源和一個(gè)鎮(zhèn)流電阻器，如圖42所示。但此方法有許多不足之處，LED正向電壓的任何變化都會(huì)導(dǎo)致LED電流的變化。，則圖36中LED的電流為20mA。，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11％會(huì)導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30％。另外，根據(jù)可用的輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會(huì)浪費(fèi)功率和降低電池使用壽命。圖42 帶鎮(zhèn)流電阻的電壓電源導(dǎo)致效率降低和正向電流失配在電源電壓較為有限的應(yīng)用場(chǎng)合，多個(gè)LED只能以并聯(lián)方式工作。此時(shí)，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通常須為每個(gè)LED配備獨(dú)立的限流電阻，避免通過(guò)它們的電流出現(xiàn)差異，借以克服LED正向壓降一致性差。但是這些電阻也會(huì)浪費(fèi)功率，降低電路效率。第二種方法、也是首選的LED電流調(diào)整方法是利用恒流電源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。恒流電源可消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化。 因此可產(chǎn)生恒定