【正文】 [43]。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。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。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。對(duì)于LED照明光源，一般為多個(gè)點(diǎn)光源構(gòu)成。(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。照度表征的是被照表面單位面積上的光通量。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。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。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。發(fā)光強(qiáng)度：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。峰值波長(zhǎng)：光譜輻射功率最大的波長(zhǎng)。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。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。(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。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)。 (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。 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。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。 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。玻璃包封單元可以保護(hù)組裝的LED元件和完善電互連。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)形開口，可以在組裝過(guò)程中識(shí)別第一步完成的LED芯片。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。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。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。在單匹次FSA工藝中，首先在基板和/或待裝配微元件的綁定位置涂上自組裝單層（selfassembled monolayer，SAM），形成相互匹配的綁定點(diǎn)；然后在基板綁定點(diǎn)上涂粘結(jié)劑，粘結(jié)劑可以是導(dǎo)電焊料或不導(dǎo)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。圖21外形匹配式FSA示意圖粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位是在載體溶液的振蕩激發(fā)作用下，利用粘接劑產(chǎn)生的毛細(xì)管力先粘接住LED芯片，然后在系統(tǒng)界面自由能最小化的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)芯片在組裝點(diǎn)上精確地定位和定向。然后將載體溶液去除，在范德華力作用下，微元件的下表面就和凹坑的底面連接在一起了。HsiJen J等采用外形匹配方法成功地將GaAs LED自組裝到Si基板上，實(shí)現(xiàn)了光電子元件與硅基板的大規(guī)模集成，如圖21所示。芯片在基板組裝點(diǎn)上對(duì)位后，將溶液清除干凈，經(jīng)過(guò)引線互連完成產(chǎn)品的組裝。其工藝一般是：首先制造出特定外形的LED芯片，同時(shí)在硅、玻璃等基板上刻蝕出相應(yīng)形狀的凹坑；然后將過(guò)量的LED芯片分散懸浮在選定的載體溶液中，在液體流動(dòng)或震動(dòng)的條件下，不同外形的元件將隨機(jī)落入與之相匹配的凹坑內(nèi)，如同拼裝積木一樣。芯片與基板組裝點(diǎn)對(duì)位的方式大致可分為以下三種：外形匹配、粘結(jié)劑導(dǎo)向和混合對(duì)位模式。隨著組裝系統(tǒng)溫度的降低，粘結(jié)材料固化，從而完成機(jī)械與電互連。其中選用的粘結(jié)材料只與互連的微元件/基板表面形成良好的潤(rùn)濕，而不能潤(rùn)濕其它表面。 FSA的基本特征FSA是指在無(wú)人工干預(yù)的情況下，微元件（比如LED芯片）在載體溶液中依靠溶液的流動(dòng)，自行完成與基板相應(yīng)組裝位置的對(duì)位組裝方式。但是，芯片陣列封裝技術(shù)的要求很高，目前一種以流體作為工作介質(zhì)的流體自組裝技術(shù)（FSA）受到了人們的關(guān)注。芯片尺寸的增大使得比表面積下降，出光效率降低，同時(shí)大的輸入電流會(huì)產(chǎn)生更多的集中熱量，這加劇了封裝散熱的負(fù)擔(dān)，影響了芯片性能的正常發(fā)揮。以前應(yīng)用于其它學(xué)科中的技術(shù)也可能在未來(lái)LED照明光源的封裝中找到舞臺(tái)，如新興的流體自組裝（Fluidic SelfAssembly，F(xiàn)SA）技術(shù)等。根據(jù)美國(guó)光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA)制定的目標(biāo)，到2012年，LED的發(fā)光效率將提高到150 lm/W，輸入功率密度達(dá)到400W/cm2，而成本則降到熒光燈的水平。由于原子在高低溫下的遷移速度不同，從而導(dǎo)致原子形成定向移動(dòng)，引起器件互連失效。因?yàn)長(zhǎng)ED芯片的功率密度非常大，而目前LED的發(fā)光效率較低，因此大量的電能轉(zhuǎn)化為了熱量。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，需要從電路設(shè)計(jì)、工藝操作以及附加保護(hù)器件上來(lái)保護(hù)功率型LED免遭靜電的損害。靜電防護(hù)在功率型LED封裝中是十分重要的。因此還需不斷提高LED元件的光通量，同時(shí)快速降低其價(jià)格。目前單顆1W LED元件的價(jià)格在15元左右，3W的價(jià)格在20元以上，標(biāo)稱發(fā)出的光通量分別為35lm和80lm。雖然這個(gè)數(shù)值不大，但是由于必須在很小的芯片面積（(1klm/(400W/cm2150lm/W))上散失到周圍環(huán)境中，因此它的熱流量將達(dá)到235W/cm2，這是常規(guī)微處理芯片所產(chǎn)生熱流量的4～5倍！如此大的熱通量必須及時(shí)的散失掉，因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率嚴(yán)重依賴于溫度，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度升高到一定水平后，會(huì)發(fā)生明顯的顏色漂移以及發(fā)光效率下降等現(xiàn)象。散熱一直是制約功率型LED發(fā)展的首要問(wèn)題。人們近期的目標(biāo)是將其發(fā)光效率和光通量提高到現(xiàn)有照明光源的水平，這期望于功率型LED和多芯片封裝技術(shù)。這些多芯片組合封裝的功率型LED不僅集成度高，散熱性能良好，而且可在大電流下工作，具有很高的光輸出量，是一種很有發(fā)展前途的LED光源封裝模式。美國(guó)UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也為多芯片組合封裝結(jié)構(gòu)，它采用六角形鋁基金屬線路板作為熱沉，發(fā)光區(qū)位于中心，可在金屬線路板上排列多達(dá)40個(gè)超高亮度倒裝型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）或白色（RGB三基色合成或藍(lán)色黃色二元色合成)。2003年，Lamina Ceramics公司推出了自己的專利封裝技術(shù)—多層低溫陶瓷金屬基燒結(jié)(LTCCM)技術(shù)，生產(chǎn)出集成度很高的LED陣列。倒裝型LED由于采用的是厚而不透明的金屬接觸層作為電流擴(kuò)展層，因而與傳統(tǒng)的正裝型LED相比，它能夠在大的工作電流下工作并保持很高的可靠性，同時(shí)，封裝到硅基板上后，由于芯片的激發(fā)區(qū)更靠近熱沉，元件產(chǎn)生的熱量能很快從導(dǎo)電金屬層通過(guò)焊料傳遞到熱沉而散失掉，有利于保持較高的發(fā)光效率。功率型封裝采用的是大尺寸LED芯片（如邊長(zhǎng)40mil），其工作電流一般在200mA以上，可輸出幾十流明的光通量。因?yàn)閷?duì)于普通照明，要求其光通量足夠大，一般在幾百流明以上。這種封裝芯片熱散失較支架式好，熱阻低。，主要型號(hào)有0400600801201210等，封裝厚度一般在1mm以下，,因此在手機(jī)、PDA等便攜式電子產(chǎn)品中廣泛作為按鍵和屏幕的背光照明。 LED封裝方法的分類LED的封裝形式很多，主要包括支架式封裝、普通片式封裝、雙列直插式封裝、功率型封裝（芯片工作電流If≥200mA）和多芯片封裝等：，這種封裝不僅可以保護(hù)發(fā)光芯片，而且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子彈頭型的環(huán)氧樹脂可以起到透鏡的作用。4)對(duì)大功率LED的聚光問(wèn)題進(jìn)行初步研究。本課題主要圍繞高亮度LED照明光和電、光度特性參數(shù)的測(cè)試進(jìn)行研究，并對(duì)其封裝熱阻的計(jì)算作了探討，為源在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用作了必要的初步探索。大功率LED作為半導(dǎo)體照明光源的代表，其技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用受到人們注。光通量：人眼所能感覺到的輻射能量，反映了一個(gè)光源所發(fā)出的光輻射能所引起的人眼光亮感覺的能力。107米的黃綠光的視見率為1，其他波長(zhǎng)的可見光的視見率均小于1，紅外光和紫外光的視見率為零。視見率：又稱“光譜光視效率”,表示不同波長(zhǎng)的光對(duì)人眼的視覺靈敏度。光度學(xué)是1706年由朗伯建立的,它是研究光的發(fā)射、傳播、吸收和散射等過(guò)程中光的計(jì)量問(wèn)題的學(xué)科，也即對(duì)可見光的能量計(jì)量的學(xué)科，研究各種光量，如發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度等的定義及其單位的選定，以及它們之間的關(guān)系等。據(jù)推測(cè)，在汽車尾燈、交通燈、公共設(shè)施以及家庭照明需求的帶動(dòng)下，20032007年我國(guó)高亮度發(fā)光管芯市場(chǎng)規(guī)模將保持年均將近25％的增長(zhǎng)速度，到2007年我國(guó)高亮度LED管芯市場(chǎng)將會(huì)突破20億元。我國(guó)是照明燈具生產(chǎn)大國(guó)，在這場(chǎng)興起的半導(dǎo)體照明變革中，一定要抓住機(jī)會(huì)。目前LED照明光源已經(jīng)在特種照明領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，比如應(yīng)急照明、裝飾照明、景觀照明等，但進(jìn)入通用照明領(lǐng)域才是發(fā)揮LED巨大節(jié)能潛力的目標(biāo)。這個(gè)預(yù)測(cè)給未來(lái)的LED照明產(chǎn)業(yè)預(yù)示了無(wú)限美好的前景，特別在目前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED照明光源給人們更多的期待。其實(shí)在LED產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，也有類似微電子領(lǐng)域的摩爾定律。在各國(guó)半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃的大力激勵(lì)下，各研究實(shí)體加倍努力，可應(yīng)用于照明的高亮度LED的性能獲得了很快的提高。 LED應(yīng)用于照明的發(fā)展LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。除了各國(guó)政府制定的宏觀發(fā)展計(jì)劃，在這場(chǎng)照明變革中，各大相關(guān)企業(yè)也推出了自己的研發(fā)計(jì)劃。中國(guó)大陸于2003年6月17日，由中國(guó)科技部牽頭成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組”，提出了我國(guó)實(shí)施半導(dǎo)體照明工程的總體方針，并緊急啟動(dòng)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)重大項(xiàng)目，要求在十五計(jì)劃底，結(jié)合制定國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃和第十一個(gè)科技五年計(jì)劃，研究提出中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體戰(zhàn)略和實(shí)施方案。韓國(guó)則推出了“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計(jì)劃”，擬從2000年至2008年。歐盟于2000年7月啟動(dòng)了扶持半導(dǎo)體照明發(fā)展的“彩虹計(jì)劃”，決定通過(guò)歐盟的補(bǔ)助金來(lái)推廣白光發(fā)光二極管的應(yīng)用。美國(guó)能源部于2001年7月提出了“新一代照明光源計(jì)劃”，決定從2000～2010年投入5億美元，用于LED照明光源的開發(fā)與應(yīng)用研究。從19982002年，耗資50億日元的第一期目標(biāo)已經(jīng)完成。因此各國(guó)紛紛制定了相應(yīng)的扶持發(fā)展半導(dǎo)體照明的計(jì)劃：日本于1998年在世界率先開展“21世紀(jì)照明”計(jì)劃，旨在通過(guò)使用長(zhǎng)壽命、更薄更輕的GaN高效藍(lán)光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到傳統(tǒng)熒光燈的兩倍，減少CO2的產(chǎn)生，并在2006年完成用LED替代50%的傳統(tǒng)照明光源的目標(biāo)[9]。如上所述，LED照明光源具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，特別是自1998年白光LED發(fā)明后，人們認(rèn)識(shí)到了大功率白光LED在普通照明領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?，紛紛加大研究投入，從而掀起了了一?chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命，其標(biāo)志是半導(dǎo)體燈逐步替代白熾燈和熒光燈。1998年，藍(lán)色和白光LED研制成功，LED照明進(jìn)入了實(shí)施階段。最初，LED的發(fā)光量很小，主要采用支架式封裝，應(yīng)用于電子電氣、自動(dòng)化系統(tǒng)、家用電氣和交通運(yùn)輸工具等上面作指示性照明。高指向型一般為尖頭形環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑，半強(qiáng)度角為50200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；標(biāo)準(zhǔn)型的半強(qiáng)度角為200450，通常作指示燈用；而散射型的半強(qiáng)度角為450900或更大，散射劑的量較大。人們通常把φ3mm的LED記作T1，把φ5mm的記作T1(3/4)。C．按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。A．發(fā)光顏色從出光顏色上可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)光、白光等。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著氮化物L(fēng)ED的發(fā)明，LED的發(fā)光效率有了質(zhì)的飛躍，而組成白光的重要原色藍(lán)光，也在1992年由日本著名LED企業(yè)日亞化學(xué)的中村修二發(fā)明[7]。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生了綠光（λp=555nm）、黃光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1 lm/W。 LED的發(fā)展與分類最早應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問(wèn)世于20世紀(jì)60年代初。H應(yīng)用靈活：體積小，可平面封裝，易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品，目前封裝后LED的厚度可小于1mm，易于做成點(diǎn)、線、面等各種形式的具體應(yīng)用產(chǎn)品。F壽命長(zhǎng)：目前光通量衰減到70%的標(biāo)稱壽命為10萬(wàn)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈的1500小時(shí)和熒光燈的