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LED光源照明技术概述上海旗升电气有限公司2009年8月1日目录1、LED光源的发展历史。2、光的本质是什么？物体发光有哪几种方式？3、何谓电致光？半导体发光为何属冷光？4、照明光源的基本种类与主要性能5、如何描述LED的基本特性6、与传统光源相比，LED光源优点7、LED产品链的构成8、LED的发光有源层—PN结，是如何制成的？哪些是常用来LED的半导体材料?9、什么是“倒装芯片”？它的结构如何？它有哪些优点？10、用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么？11、LED封装中的“合金粘结”工艺？12、当前制造白光LED的主流方法是什么？13、什么是色温？什么是显色指数？14、什么是光通量？15、照度的定义是什么？知道了辐射光通量，如何求出照度？16、衡量LED长期使用性能退化的主要指标是什么？前言LED为发光二极管英文简称，是二十一世纪最具发展前景的新一代照明光源，被誉为照明技术的革命。LED又称半导体光源或冷光源，与常规白炽光源及气体放电光源具有完全不同的发光原理,其发光机理是利用某些特殊半导体材料电致发光原理直接将电能转化为可见光和辐射能,具有发光效率高、热量低、寿命长等显著特点,具有常规光源无法比拟的优势。ＬＥＤ的发展始于20世纪60年代，最初为彩色LED，因为发光效率低，照度小，主要用作信号及指示。直至1998年白光LED开发成功，带来了LED照明技术的新开端。近几年来，LED技术取得了突破性进展，发光效率提高了近1000倍，尤其是超高亮度白光LED、大功率白光LED技术更是突飞猛进，完全达到了实用化、产业化的水准，获得了广泛应用。目前技术水准的LED照明技术具备以下显著的技术优势：1、光效高、节电效果明显传统光源光效参数为：白炽灯、卤钨灯大约20流明/瓦、低压荧光灯大约40流明/瓦、高压气体放电灯大约80流明/瓦，而功率型LED光效目前典型值为80--100流明/瓦，远期目标为200流明/瓦，LED光源具有极大的光效优势。同时LED光源具有极强的光线指向性，光线方便操控，可以很好避免常规光源360度无序漫射造成光线浪费的缺点，达到同等照度情况下，LED耗电功率大约是白炽光源的20%、低压荧光灯的30%、高压气体灯的50%，具有显著的节电效果。2、本质安全、性能优异LED采用直流低压供电（典型值为：3.2v正向电压），安全可靠，是理想的安全光源。光源光色单纯，无紫外线、无眩光，长期工作对人眼无频闪效用。同时光源为冷光源，发热量低、体积小、重量轻，稳定可靠，性能极为理想。3、稳定可靠、超长寿命LED光源为固体发光，结构牢固，抗冲击，耐震动，稳定可靠，正常条件下使用寿命长达10万小时，是真正的长寿光源。4、绿色、环抱LED光源不含汞、钠等环境有害元素，是名副其实的绿色光源。一、LED光源的发展历史。半导体发光二极管(LED)是在半导体p-n结中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件。发光二极管把注入的载流子转变成光子，辐射出可见或不可见光。目前主要由Ⅲ--Ⅳ族化合物如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，主要生产工艺是：晶片生长——晶片切割筛选——管子封装。LED按发光颜色可分成红色、橙色、绿色、蓝光、白光等，也可以封装二种或三种颜色。按封装方式可以分为管状和贴片、功率型三种，管状包括￠3、￠5、￠10等几种形式，功率型有1W、3W、5W等。LED最早于1964年由美国制成，至今近30年的发展历程可分为两大阶段：一是60年代至90年代初，主要工作是完成了红、橙、绿等系列化制作，LED亮度一般在10MCD以下，主要应用于信号灯等指示领域，范围不广、影响不大。二是91年至今，LED技术取得了重大突破，引起了引起一场技术革命。首先91至94年，红、绿两色LED技术取得长足进步，单管亮度达到了10000MCD，被称为超高亮度LED，其产品应用出现新领域。随后94年日本日亚公司首次制造成功蓝光LED，并达到超高亮度，至此红、绿、蓝三原色全部制成，实现了LED全色化，引起了显示技术的革命，超高亮度全真彩显示屏实现了产品化，96年日亚公司在蓝光LED基础上制造出第一只超高亮度白光LED，引起了技术领域的一场革命，也立即引发了LED在照明技术领域的一轮竞争。以下着重介绍白光LED。白色LED是在蓝光LED基础上制成的。主要有两种制造工艺：一是采用红、绿、蓝三原色晶片合成在一起，驱动后同时发光，利用三色合成白光。二是采用在蓝色LED晶片外围涂抹荧光粉，蓝光激发荧光粉发光后两者混合形成白光。后一种方式工艺简单、光色可调（取决与荧光粉配比），因而获得了广泛应用，目前大部分白光LED都用此工艺生产。LED的主要特征是：驱动电流小，发光效率高，寿命长，发光二极管的寿命一般很长，电流密度小于1A/cm2的情况下，寿命可达100000小时，即可连续点燃多年，这是任何光源均无法与它竞争的。尤其是白光LED用于照明除了发光效率高、寿命长的优点，还有低耗电量(约为白炽灯泡的八分之一，日光灯的二分之一)、低发热量、光色纯、高防震性、易搬运、不易碎、安全无污染、小型化、可做成各式形状等优点，应用领域极广，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命。LED技术现状及发展趋势超高亮度LED产业分为上游、中游、下游三部分，上游为晶片生长，中游为管子封装，下游为产品应用。目前，LED发光效率已经超过白炽灯、荧光灯，与HID相当，价格方面也已具备相当的竞争优势。LED产业竞争的焦点集中在上游的白光、蓝光以及大功率高亮芯片。目前芯片核心技术掌握在日美企业手中，并且设置了专利障碍，台湾企业在管子封装、下游产品开发方面已经有了一定优势，中国大陆起步较晚，目前刚掌握芯片生产技术，中游管子封装主要以进口晶片为主，下游产品开发正在启动。鉴于超高亮度白光LED的光明前景，世界各国政府均给予大力扶持。美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项，编列预算与计划推行白光LED产业化。日本制定了21世纪的光照明计划，从1998年~2002年，将耗费50亿日元推行半导体照明，目标是在2006年用白光LED替代50%的传统照明；美国的国家半导体照明计划，时间是从2000年~2010年，计划投资5亿美元；欧盟的彩虹计划，已在2000年7月启动，通过欧共体的资助，推广应用白光LED。目前，世界上掌握LED技术的新兴半导体企业纷纷和老牌灯泡制造商联手，抢占这个未来最大的照明市场。譬如美国HP联合了日本Nichia和德国Siemens；美国Cree、德国Siemens又和Osram联合；美国EMCORE和GE联合；日本的Toshiba和Honda联合等，其中Osram和GE公司都是世界著名的灯泡制造巨商。我国台湾地区在LED产业上异军突起，在白光LED市场上也占据一席之地。国内在863计划新材料领域的资助下，LED产业取得了重大的进展，氮化镓基半导体材料和器件基本实现产业化，并走集约化经营的道路，确立了白光GaN-LED的研究项目。一些科研院所，如中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、北京有色金属研究院、石家庄十三所等单位也相继开展了这方面的研究工作。目前已取得了可喜的进步，正在缩短与国际先进水平的差距。据美国《激光世界》估计：到2025年白光LED将占照明工具市场的55%以上份额。业内人士预计2005-2010年全球LED照明市场规模将逾10亿美元。国外还有报道称：5年后半导体灯将替代20%的白炽灯。这个估计可能比较乐观，但揭示了半导体灯未来的应用前景和增长潜力。二、光的本质是什么？物体发光有哪几种方式？光是一种能量的形态，它可从一个物体传播到另一个物体，其中无需任何物质作媒介。通常将这种能量的传递方式谓之辐射，其含义是指能量从能源出发沿直线（在同一介质内）向四面八方传播。关于光的本质，早在十七世纪中叶就被牛顿与麦克斯韦分别以“微粒说”、“波动说”进行了详细探讨，并成为当前所公论的光具有“波粒二重性”的理论基础。约100多年前，人们又进一步证实了光是一种电磁波，更严格地说，在极为宽阔的电磁波谱大家族中，可见光的光波只占有很小的空间。如表1所示，其波长范围处在380nm-770nm之间，表1:电磁波谱波长区域电磁波谱种类波长范围nmumcmm长波振荡105无线电波1-105微波10-1-102红外线0.77-103可见光380-770紫外线10-390X射线10-3-50r射线-10-1宇宙射线10-5*1m=102cm＝106um＝109nm包含了人眼可辨别的紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红七种颜色，它的长波方向是波长范围在微米量级至几十千米的红外线、微波及无线电波区域，它的短波端是紫外线、X射线、r射线，其中X射线的波长已小到可与原子直径相比拟。物体的发光方式通常可分成二类，即热光与冷光。所谓热光又称之谓热辐射，是指物质在高温下发出的热，在热辐射的过程中，物体内部的能量并不改变，通过加热使辐射得以进行下去，低温时辐射红外光、高温时变成白光。众所周知，当钨丝在真空或惰性气氛中加热至很高的温度，即会发出灼眼的白光。其实，太阳光就是一种最为常见的白光，三棱镜可将太阳光分解成上述的七种颜色，实验已证明，只要采用其中的蓝、绿、红三种颜色，即可合成自然界中所有色彩。包括白色的光，我们通常将蓝、绿、红三种颜色称之为三原色。冷光是从某种能源在较低温度时所发出的光，发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态，由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。由于这种发光过程不伴随物体的加热，因此将这种形式的光称之为冷光。按物质的种类与激发的方式不同，冷光可分为各种生物发光、化学发光、光致发光、阴极射线发光、场致发光、电致发光等多种类别。萤火虫、荧光粉、日光灯、EL发光、LED发光等均是一些典型的冷光电源。三、何谓电致光？半导体发光为何属冷光？所谓电致发光是一种直接将电能转换成光能的过程。这种发光不存在尤如白炽灯那样先将电能转变成热能，继而使物体温度升高而发光的现象，故将这种光称之为冷光。通常有二种电致发光现象，EL屏是利用固体在电场作用下的发光现象所制成的光源，荧光材料在电场作用下，导带中的电子被加速到足够高的能量并撞击发光中心，使发光中心激发或电离，激活的发光中心回到基态或与电子复合而发光，荧光材料（ZnS）中不同的激活剂决定了发光的颜色。第二类电致发光又称之为注入式场致发光，LED与LD就属于这类发光过程。电致发光实际上也是一种能量的变换与转移的过程。电场的作用使系统受到激发，将电子由低能态跃迁到高能态，当他们从高能态回到低能态时，根据能量守衡原理，多余的能量将以光的形式释放出来，这就是电致激光发光。四、照明光源的基本种类与主要性能有哪些？1、照明光源种类照明光源可分成白炽灯、气体放电灯、固态光源三大类。主要技术指标如表常用照明电光源的主要特性比较常用照明电光源的主要特性比较&常用电光源的色温和感觉表1常用照明电光源的主要特性比较电光源名称普通白炽灯卤钨灯荧光灯荧光高压灯管形氙灯高压钠灯金属卤化物灯额定功率W15-1000500-20006-20050-10001500-10000250，400250-3500光效lm/W7-919．5-2127-6732-5320-3790，10072-80平均寿命h100015001500-50003500-6000500-100010000-1500010000-15000显色指数Ra95-9995-9970-8030-4090-9420-2565-80启动稳定时间瞬时瞬时1-3s4-8min1-2s4-8min4-10min再启动时间瞬时5-10min10-20min10-15min功率因数λ110.32-0.70.44-0.670.4-0.90.440.5-0.61频闪效应不明显明显表面亮度大大小较大大较大大电压变化对光通量的影响大大较大大较大温度变化对光通量的影响小小大较小小较小较小耐震性能较差差较好好好较