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第一章 LED的基础知识

一、LED的特点

1、发光效率高:白炽灯、卤钨灯—12~24lm/W;荧光灯50~70lm/W;钠灯90~140lm/W;改良LED灯50~200lm/W。

2、耗电量少:同样照明效果前提下,耗电量LED是白炽灯泡的八分之一,荧光灯管的二分之一。

3、使用寿命长:5~10年。

4、安全可靠性强:发热量低、无热辐射、冷光源。

5、有利于环保:易安装维护、易回收、节能。

 

二、LED的发光原理

1、LED简述:LED(Light Emitting Diode)是发光二极管的英文简写,是自发辐射的的发光器件,可以发射紫外光、可见光和红外光。其发光原理是电激发光。

2、LED的基本特性:

1)构造坚固,不易破损:经环氧树脂封装,经高温烘烤,硬度极高;

2)信赖度好,使用寿命长:电子与空穴结合发光,不易发热,故寿命长;

3)操作电流及电压低,消耗功率小,省电:由电转换成光之效率高,故耗电量极低;

4)反应速度快,传导性好,容易配合高频驱动:放电性发光,点亮、关灯速度快;

5)体积小:可根据客户不同要求采用不同模条封装,甚至可成形极小表面型、薄型及轻量化产品;

6)可回收,产品符合环保要求:产品不易碎,故对环境不会造成影响;

7)可选择多种不同的颜色及外观:可配合多种不同色剂并按不同比例调配颜色。

3、LED的发光原理:

1)认识发光二极管LED

a.LED在电子线路中的符号;

b.半导体PN结和发光原理;

c.无机半导体材料发光二极管及发光颜色;

d.二极管的结构;

2)半导体材料的能带和LED的发光条件:

a.半导体的能带:不是所有的半导体材料都能发光,半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料,只有直接带隙材料才能发光。直接带隙材料电子可在导带带底垂直跃迁到价带带顶,它在导带和价带中具有相同的动量,发光效率高。

b.制造LED的发光条件:

◆化合物半导体晶体的禁带宽度要能够用来获得所希望的发光波长;

◆发光材料能容易制成PN二极管,多个结层的晶格常数要匹配,做成所谓DH层(Double Hetero Layer),但两侧晶格常数必须一致;

◆以禁带宽度的材料夹着活性层发光区域的两侧,活性层的带隙比覆面层的带隙小,活性层的折射率比覆面层的折射率大,所发光很容易由内部出射;

◆能有稳定的物理及化学结构。结晶的离子性高,禁带带宽比较大,熔点也较高,所成的化合物半导体晶体材料能在较高温度环境下工作;

◆有直接迁移带或间接迁移带的晶体。发光区域多为直接迁移带隙材料,其有较高的发光效率,电子(空穴)的移动度也比间接迁移带隙材料要高。

 

三、LED系列产品介绍

1、LED产业分工:

a.上游:晶圆:单晶棒—单芯片—结构设计—垒芯片(成品:单芯片、垒芯片)(LPE液相垒晶成长法,Liquid Phase Epitaxy;VPE气相垒晶成长法,Vapor Phase Epitaxy;MOVPE/MOCVD有机金属气相垒晶法,Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)

b.中游:制程:金属蒸镀—光罩蚀刻—热处理(p、n电极制作)—切割—崩裂成品(晶粒)

c.下游:封装:点胶固晶—焊线—灌胶—切脚测试—分光—包装(LED应用:灯泡lamp、数字/字符、表面粘贴、点矩阵型、集束型、模块)

2、LED封装分类:LED依发光波长可分为可见光(波长380~780nm)与不可见光(红外线和紫外线)LED(波长850nm~1550nm和波长小于390nm)。

 

四、LED的发展史和前景分析

1、LED的发展史:

1)1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象,由于其发出的黄光太暗并摒弃了研究;

2)20世纪20年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光,再一次因为发光暗淡而停止;

3)1936年,George Destiau发表了一个关于硫化锌粉末发射光的报告,随着电流的应用和广泛的认识,最终出现了“电致发光”这个术语;

4)20世纪50年代,英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。第一个商用    LED只能发出不可见的红外光,但迅速应用于感应与光电领域;

5)20世纪60年代末,在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED,磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮,甚至发出橙色的光;

6)70年代中期,磷化镓被用作发光光源,随后就发出了灰白绿光,双层磷化镓发出黄色光,金刚砂发出黄光及绿色光;

7)80年代早期到中期对砷化镓、磷化铝的使用使得第一代高亮度LED诞生,先是红色、接着是黄色、最后为绿色;

8)90年代早期采用铟铝磷化镓生产出了橘红、橙、黄和绿光的LED,第一个具有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期;

9)90年代中期,出现了超亮度的氮化镓LED,随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心,在这个发光芯片上抹上荧光粉,荧光粉吸收来自芯片上的蓝色光源再转化成白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。

10)LED的发光效率从最初的0.05lm/W,经历了0.1lm/W,几流明/瓦时代,数十流明/瓦时代,到现在约120lm/W以上了。

2、可见光LED的发展趋势和前景:

1)高亮度LED发展进程飞快:尽管LED目前仍有应用瓶颈,但业界认为,但LED发光效率提升2倍,驱动电流提升3倍,封装成本下降1/2三个条件都具备时,可促使整体LED照明价格大幅度下降,LED照明进入家庭成为可能;

2)我国LED发展前景:LED产业在国内有良好的发展前景。

3、  LED的应用:

1)大中小LED显示屏:室内外广告牌、体育场计分牌、信息显示屏等

2)交通信号灯:市内交通信号灯、高速公路、铁路和机场信号灯;

3)光色照明:室外景观照明和室内装饰照明;

4)专用普通照明:便携式照明、低照度照明、阅读照明、显微镜灯、照相机闪光灯、台灯路灯;

5)安全照明:矿灯、防爆灯、应急灯、安全指示灯;

6)特种照明:军用照明灯、医用手术灯、医用治疗灯、农作物和花卉专用照明灯。

4、全球光源市场的发展动向:

1)国际LED厂商:白光LED技术的开发与掌握,是目前国际LED厂商发展的重点,为维持未来市场上的优势,全球重要战略联盟早已成形;

2)白光LED各种制造技术的优缺点;

3)大功率LED封装形态发展的考量点:

a.具有自主知识产权;

b.主流产品标准化;

c.有助于性能指标的提高;

d.有助于光源可靠性的提高;

e.方便照明应用(电路连接、系统配光、散热装配、结构安装)

f.适合大批量生产;

g.有利于降低成本;

4)半导体照明的LED封装形态发展趋势:新大功率LED主流封装形态的特征:

a.应用安装形式平面贴片化;

b.器件尺寸小型化;

c.光学透镜硅胶模造一体化;

d.出光形式泛光化;

e.热电管理分离化;

f.热量管理应用化;

g.单灯光通量最大化;

h.器件热阻最小化;

i.器件结温最高化;

j.应用对接即插化;

k.供电模式交流化;

l.生产技术成熟化;

m.生产工艺简单化;

n.生产模式标准化;

o.生产能力规模化;

p.生产成本最低化。

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