【正文】 1萬(wàn)小時(shí)。D LED光源顏色豐富：既有白色的LED，也有發(fā)各種單色光的LED，而且顏色飽和度高，在需要色光的場(chǎng)合，不再需要用濾色片來(lái)進(jìn)行濾光，有利于節(jié)約電能。B光線(xiàn)質(zhì)量高：由于光譜中幾乎沒(méi)有紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，故沒(méi)有輻射，產(chǎn)生的熱量很小，LED屬于典型的綠色照明光源。也就是說(shuō)，理論上LED幾乎能把所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能，而白熾燈的可見(jiàn)光效率僅為1020%。 LED的優(yōu)點(diǎn)LED是一種新型的光源，目前廣泛用于指示性照明和特種照明市場(chǎng)上，隨著性能的不斷提高，正向通用照明光源的方向發(fā)展。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即 （nm），式中Eg的單位為電子伏特（eV），若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），～。必須在半導(dǎo)體內(nèi)激發(fā)載流子，形成不平衡載流子，即需正向電流注入，它們的復(fù)合才會(huì)導(dǎo)致顯著的光發(fā)射,實(shí)現(xiàn)電能向光能的直接轉(zhuǎn)換，如圖11所示。由于不管是p區(qū)還是n區(qū)中少數(shù)載流子（少子）密度都很小，這種復(fù)合是很弱的。放出能量的方式有兩大類(lèi)：② 射光子，成為輻射復(fù)合；②不發(fā)射光子，成為非輻射復(fù)合，最后轉(zhuǎn)換為熱能或激發(fā)別的載流子。這些電子與空穴的區(qū)別是其能量與動(dòng)量的不同，能量之差稱(chēng)之為半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg。當(dāng)p層加上正向電壓而n層加上負(fù)向電壓，電子就從n層流入p層，空穴從p層遷入n層。目 錄LED照明燈的設(shè)計(jì)制作畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄. ………………………………………………………1 LED的特性………………………………………………………………………1 LED照明現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)………………………………………………………4…………………………………………………………7……………………………………………………………72 LED的封裝與組裝…………………………………………………………………8 LED封裝方法的分類(lèi)…………………………………………………………8…………………………………………………9…………………………………………………………………9——流體自組裝……………………………….103 LED光源的光電參數(shù)………………………………………………………………13 LED發(fā)白光的原理……………………………………………………………13 LED特征參數(shù)簡(jiǎn)介……………………………………………………………13………………………………………………144 LED照明光源的制備……………………………………………………………17 LED吊頂燈與射燈的設(shè)計(jì)……………………………………………………17 LED光源驅(qū)動(dòng)電路……………………………………………………………18………………………………………………23…………………………………………………26………………………………………………………………28…………………………………………………………295 LED的散熱問(wèn)題及解決方案………………………………………………………32………………………………………………………………32 LED光源的熱傳導(dǎo)和疏散……………………………………………………32………………………………………………326結(jié)論………………………………………………………………………………34參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………35致謝…………………………………………………………………………………36外文資料原文………………………………………………………………………37譯文…………………………………………………………………………………391 引 言 5 LED的特性 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如GaAs、AlGaInN、GaAsP等半導(dǎo)體材料在襯底（藍(lán)寶石，硅或SiC等）上外延生長(zhǎng)而成，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)，其核心是PN結(jié)。P－N結(jié)是攜帶電子的n型半導(dǎo)體和攜帶空穴的p型半導(dǎo)體間的過(guò)渡層。在p層中電子較少而存在大量的空穴，反之在n層中，空穴較少而存在大量的電子。導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴相互復(fù)合時(shí)，要釋放出多余的能量。在熱平衡狀態(tài)下存在著熱激發(fā)與載流子間復(fù)合的平衡。即使有輻射復(fù)合，由于材料的本征吸收，從外部是觀察不到光發(fā)射的。圖11 LED發(fā)光原理圖為了獲得高的發(fā)光效率，需要保證以下幾點(diǎn)：無(wú)輻射復(fù)合的壽命要長(zhǎng)于輻射復(fù)合的壽命，為此需要提高少子的密度；要使晶體中的缺陷密度盡可能少而使注入的載流子密度高，一般是把帶隙寬度小的發(fā)光層夾到禁帶寬度大的層內(nèi)，制成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖12所示。目前已開(kāi)發(fā)出發(fā)射紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光的發(fā)光二管，其中藍(lán)光二極管是近來(lái)人們研究的重點(diǎn)，它具有輸入功率大、發(fā)光亮度高、易于轉(zhuǎn)換得到白光等優(yōu)點(diǎn)，是大功率發(fā)光二極管的主要代表。與傳統(tǒng)人工照明光源相比，LED照明光源具有很多優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮螅篈發(fā)光效率高：基于特別的材料構(gòu)成，在電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，LED釋放的能量主要集中在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，不像鎢絲燈發(fā)出的電磁能很多集中在紅外線(xiàn)區(qū)，令人感覺(jué)到非常熱。現(xiàn)在商品化的LED的發(fā)光效率已超過(guò)35流明每瓦，這幾乎是鎢絲燈泡的兩倍。C光色純：與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光線(xiàn)很純。E能耗?。?，通過(guò)集群方式可以量體裁衣地滿(mǎn)足不同的需要，浪費(fèi)很少。G可靠耐用：沒(méi)有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，非正常報(bào)廢的可能性很小，維護(hù)費(fèi)用極為低廉。I綠色環(huán)保：廢棄物可回收，沒(méi)有污染，不像熒光燈含有汞等有害成分。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明， lm/W。到80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10lm/W。這樣整個(gè)可見(jiàn)光波譜內(nèi)的單色LED已經(jīng)完整，能夠滿(mǎn)足各種單色發(fā)光的應(yīng)用場(chǎng)所。B．按發(fā)光強(qiáng)度分按發(fā)光強(qiáng)度分有普通亮度的LED(發(fā)光強(qiáng)度100mcd)，高亮度LED(發(fā)光強(qiáng)度l00mcd)，發(fā)光強(qiáng)度在10000mcd以上的稱(chēng)超高亮度發(fā)光二極管。圓形燈按直徑分為φ2mm,φ5mm,φ8mm,φ10mm及φ20mm等。D．按發(fā)光強(qiáng)度角來(lái)分從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分有三種：高指向型，標(biāo)準(zhǔn)型和散射型。 LED照明現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)LED的研制起始于上世紀(jì)六十年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其出光顏色的種類(lèi)、芯片尺寸、發(fā)光效率、輸入功率和封裝結(jié)構(gòu)等都有了很大的飛躍。進(jìn)入90年代，隨著LED制造材料的革新、工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐漸進(jìn)入市場(chǎng)并占據(jù)重要地位。此后國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)高亮度LED器件中存在的散熱、光衰和顯色指數(shù)的控制等重大問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，獲得了很大的進(jìn)步，其發(fā)光效率迅速提高，高亮度LED顯示出在照明領(lǐng)域的巨大潛力?？茖W(xué)界預(yù)測(cè)，到2007年，光電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平；2010年至2015年，光電子產(chǎn)業(yè)可能會(huì)取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)，成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)，并成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。整個(gè)計(jì)劃的財(cái)政預(yù)算為60億日元?，F(xiàn)在，日本正在實(shí)施第二期計(jì)劃，計(jì)劃到2010年將LED的發(fā)光效率提高到120 lm/W。為了指導(dǎo)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國(guó)光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)（OIDA）制定了相應(yīng)的技術(shù)路線(xiàn)圖，計(jì)劃到2020年，將LED的發(fā)光效率提高到200lm/W，而照明成本降低到3美元，如下表。希望通過(guò)該計(jì)劃實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、不使用有害環(huán)境的材料、模擬自然光的半導(dǎo)體照明。其研究項(xiàng)目包括以GaN為研究材料的白光LED，藍(lán)、綠光激光二極管及高功率電子組件三大領(lǐng)域。從2006年的“十一五”開(kāi)始，國(guó)家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大工程進(jìn)行推動(dòng)，這對(duì)于節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，提高照明質(zhì)量具有重要的意義。世界三大照明工業(yè)巨頭通用電氣（GE）、飛利浦（Philips）和歐斯朗(OSRAM)集團(tuán)都已經(jīng)啟動(dòng)了大規(guī)模商用開(kāi)發(fā)計(jì)劃，紛紛與半導(dǎo)體公司合作或進(jìn)行并購(gòu)，成立半導(dǎo)體照明企業(yè)：全球最大的照明光源廠商Philips ，成立了Lumileds公司致力于白光LED研發(fā)工作，其Luxeon系列高亮度LED已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，生產(chǎn)的芯片尺寸為1平方毫米、功率為1w和5w的白光LED光通量分別達(dá)到45lm和180lm；美國(guó)Cree、德國(guó)Siemens光電公司與Osram GmbH聯(lián)合，進(jìn)行白光LED光源的開(kāi)發(fā)研究工作；日本的Toshiba和Honda也進(jìn)行LED聯(lián)合研發(fā)等。自1998年白光LED研制成功以后，LED照明才真正進(jìn)入了實(shí)施階段。目前單顆高亮度白光LED芯片的發(fā)光效率已超過(guò)50lm/W，而輸入功率則超過(guò)3W。安捷倫的前任技術(shù)科學(xué)家Roland Haitz預(yù)測(cè)，LED的價(jià)格每十年將為原來(lái)的十分之一，性能則提高二十倍，這個(gè)預(yù)測(cè)后來(lái)被業(yè)界稱(chēng)為Haitz定律，如圖13所示。圖13 Haitz預(yù)測(cè)的LED性能與價(jià)格發(fā)展趨勢(shì)LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域，涉及到材料器件研制、散熱設(shè)計(jì)、光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝材料以及測(cè)試方法等眾多科技領(lǐng)域。隨著LED性能的迅速提高，價(jià)格的不斷下降，LED光源取代白熾燈和熒光燈必將很快實(shí)現(xiàn)?？萍疾俊皣?guó)家半導(dǎo)體照明工程”計(jì)劃2007年半導(dǎo)體照明逐步取代白熾燈，2012年后取代熒光燈。LED照明涉及到光度學(xué)方面的知識(shí)，先做一介紹。了解光度學(xué)中相關(guān)的參數(shù)是光源計(jì)量與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。能引起人視覺(jué)感應(yīng)的可見(jiàn)光波長(zhǎng)在380~780nm之間,實(shí)驗(yàn)表明：正常視力的觀察者，107米(555nm)的黃綠色光最敏感，而對(duì)紫外光和紅外光，則無(wú)視力感覺(jué)。107米的黃綠光視見(jiàn)率的比稱(chēng)為該波長(zhǎng)的相對(duì)視見(jiàn)率。它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見(jiàn)率的乘積，單位為流明(lm)：光通量(lm)=683視見(jiàn)率輻射能量(W)。隨著發(fā)光效率的提高和輸入功率的增加，高亮度LED已進(jìn)入景觀照明明領(lǐng)域，并逐漸向通用照明市場(chǎng)發(fā)展。本課題的研究?jī)?nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面：1)論述LED封裝發(fā)展趨勢(shì)；2)組裝幾種LED光源樣品并測(cè)試、評(píng)價(jià)其性能；3)關(guān)注LED發(fā)熱問(wèn)題，探討改善其散熱能力的方法并實(shí)際制作出幾種不同的散熱器。2 LED2 LED的封裝與組裝2 LED的封裝與組裝LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來(lái)的，但是作為發(fā)光器件，LED的封裝又有自己的特點(diǎn)：LED封裝不但要完成電信號(hào)的輸入輸出，保護(hù)芯片在正常的電流下工作，還得維持工作狀態(tài)下芯片的溫度不超過(guò)允許的范圍，這對(duì)于功率型LED的封裝來(lái)說(shuō)顯得尤為重要；另外封裝結(jié)構(gòu)和材料要有利于提高出光效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)電性能和發(fā)光效率的最優(yōu)化。這種封裝形式的LED是典型的點(diǎn)狀光源，最適合作指示燈用，而且生產(chǎn)插件時(shí)極其方便，但是其封裝熱阻比較高。，并在焊接電極陰線(xiàn)后用透明環(huán)氧材料包封，如“食人魚(yú)”式封裝。比如40W的白熾燈能發(fā)出約600流明的光通量，而一個(gè)40W的普通熒光燈發(fā)出的光通量超過(guò)3000流明。輸入功率的不斷增加使得散熱問(wèn)題變得非常突出，因此功率型封裝中LED芯片多為倒裝式互連以提高散熱性能。，近來(lái)出現(xiàn)了多芯片封裝技術(shù)并獲得了很大的發(fā)展。通過(guò)倒裝封裝工藝，該多芯片組裝器件的發(fā)光亮度在840cd/in2以上，流明效率超過(guò)40lm/W，而使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年，并且能在較高的溫度環(huán)境下正常工作。2006年2月，美國(guó)OPTEK公司推出了最新型的3D封裝的高亮度LED光源[16]，它的輸入功率為10W，輸出光通量為330流明，而視角則達(dá)到了120度。作為新型照明光源，LED的發(fā)展?jié)摿κ俏鹩怪靡傻?。但目前功率型LED封裝還存在一些問(wèn)題有待解決，比如散熱效率低和成本過(guò)高，另外靜電防護(hù)和新出現(xiàn)的無(wú)鉛化互連等問(wèn)題也需注意。根據(jù)美國(guó)OIDA發(fā)展規(guī)劃，到2012年，每個(gè)LED單元的發(fā)光量將達(dá)1000流明，發(fā)光效率為150lm/W，因此需要的輸入功率為7瓦，這其中由于產(chǎn)生熱量而浪費(fèi)的功率將達(dá)4瓦（(1klm)/(400lm/W－150lm/W)），這還不考慮其它的能量損失，假如驅(qū)動(dòng)電路與發(fā)光單元是集成的，那么還得算上30％以上的能量損失。成本過(guò)高是LED光源面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。而一個(gè)出光量為3000多流明的40W熒光燈的價(jià)格卻不到10元。上述的多芯片封裝技術(shù)有望加速LED照明光源進(jìn)入通用照明市場(chǎng)。由于芯片的正負(fù)電極均位于芯片的同一個(gè)面上，間距很??；對(duì)于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化層的厚度僅幾十納米，對(duì)靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。芯片輸入功率的提高還帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題——熱遷移。這些熱量在微小的芯片上產(chǎn)生很大的熱流密度，使得芯片與基板間形成一個(gè)較高的溫度梯度。隨著大功率LED芯片性能的迅速提高，功率型LED的封裝技術(shù)不斷改進(jìn)以適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展，如圖25所示：從開(kāi)始的引線(xiàn)框架式封裝到多芯片陣列組裝，再到如今的3D陣列式封裝，其輸入功率不斷提高，而封裝熱阻顯著降低。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，進(jìn)一步改善LED封裝的熱管理將是關(guān)鍵之一，另外芯片設(shè)計(jì)制造與封裝工藝的有機(jī)融合也非常有利于產(chǎn)品性?xún)r(jià)比的提升，如美國(guó)Cree公司與Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，開(kāi)發(fā)出了光通量超過(guò)1000 lm，發(fā)光效率達(dá)57 lm/W的LED燈泡，并已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用；隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，采用透明型封裝材料和功率型MOSFET封裝平臺(tái)將是LED封裝發(fā)展的一個(gè)方向，功能集成(比如驅(qū)動(dòng)電路)也將進(jìn)一步的推動(dòng)LED封裝技術(shù)的發(fā)展?！黧w自組裝功率型LED封裝采用的是大尺寸、高輸入電流的芯片。因此，人們?cè)O(shè)想能否采用發(fā)光效率高、散熱性能好的小尺寸LED芯片()進(jìn)行陣列式封裝，這不但能提高元件的發(fā)光效率，而且能形成高光通量的面光源，并有利于成本的降低。FSA具有并行地、大批量地、高精度地將LED芯片組裝到基板上的能力，而且操作簡(jiǎn)單靈活、散熱性能良好，有望實(shí)現(xiàn)多LED芯片的陣列式封裝。組裝系統(tǒng)一般包括四個(gè)組成部分：微元件、組裝基板、載體溶液和粘結(jié)材料。FSA