LED光電參數(shù)介紹

白光LED及功率LED簡(jiǎn)介黃海山2009-3-9主要內(nèi)容LED發(fā)光原理芯片結(jié)構(gòu)光（色）參數(shù)電參數(shù)熱參數(shù)工藝不良應(yīng)用GR&RLED發(fā)光原理芯片的發(fā)光原理芯片的核心是PN結(jié)。通過(guò)摻雜工藝使N型區(qū)內(nèi)電子很多而空穴很少，P型區(qū)內(nèi)空穴很多而電子很少。多子的擴(kuò)散（濃度差導(dǎo)致）與少子的漂移（PN區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)作用導(dǎo)致）的動(dòng)態(tài)平衡使得P區(qū)與N區(qū)之間形成PN結(jié)（耗盡層）當(dāng)在PN結(jié)兩端加上正向偏壓之后，動(dòng)態(tài)平衡被破壞，電子在電場(chǎng)作用下由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合，就會(huì)以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能。激發(fā)態(tài)，不穩(wěn)定,自發(fā)輻射，跳回基態(tài)，并發(fā)光芯片結(jié)構(gòu)橫向結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)橫向結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)光參數(shù)光通量（Φ）光強(qiáng)（Iv）半強(qiáng)角（θ1/2）色坐標(biāo)（XY）波長(zhǎng)（主波長(zhǎng)λD、峰值波長(zhǎng)λp、平均波長(zhǎng)λ）色溫、相對(duì)色溫（Tc）顯色指數(shù)（Ra）光效光通量（φ）光源每秒種發(fā)出的可見(jiàn)光量之和點(diǎn)光源或非點(diǎn)光源在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的能量,其中可產(chǎn)生視覺(jué)者（人能感覺(jué)出來(lái)的輻射通量）即稱為光通量單位：流明（lm）光通量并不等同與光功率，這其中與光學(xué)窗口有關(guān)，也就是人眼睛對(duì)顏色的靈敏度。人的眼睛對(duì)555nm(綠光)靈敏度最強(qiáng)，所以同樣條件下綠光相比藍(lán)光而言具有更高的光通量。光通量測(cè)試方法：積分球法和變角光度計(jì)法。如圖所示，現(xiàn)有的積分球法測(cè)LED光通量中有兩種測(cè)試結(jié)構(gòu)，一種是將被測(cè)LED放置在球心，另外一種是放在球壁。

積分球內(nèi)壁涂白色漫反射層，且球內(nèi)壁各點(diǎn)漫射均勻。光源在球壁上任意一點(diǎn)上產(chǎn)生的光照度是由多次反射光產(chǎn)生的光照度疊加而成的。由積分學(xué)原理可得，球面上任意一點(diǎn)的光照度為與光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè)燈進(jìn)行比較得到被測(cè)燈的光通量光強(qiáng)（Iv）描述了光源在某方向上的強(qiáng)度定義為發(fā)射到單位立體角內(nèi)的光通量值法向光強(qiáng)、最大光強(qiáng)光強(qiáng)空間分布曲線：表征光源在各個(gè)方向上的強(qiáng)度單位：坎德拉（cd）1坎德拉表示在單位立體角內(nèi)輻射出1流明的光通量光強(qiáng)LED由于其光強(qiáng)分布的不一致使得測(cè)試結(jié)果隨測(cè)試距離和探測(cè)器孔徑變化。因此，CIE-127提出了兩種推薦測(cè)試條件使得各個(gè)LED在同一條件下進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)試與評(píng)價(jià)d=100mm，圓孔=100mm2d=316mm，圓孔=100mm2半強(qiáng)角(θ1/2)發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角體現(xiàn)LED的視角大小與產(chǎn)品的封裝外形、封裝深度有關(guān)

色坐標(biāo)（x，y）表示CIE1931色度圖上的一個(gè)點(diǎn)包含了顏色的飽和度、色調(diào)、色溫、主波長(zhǎng)等信息CIE1931RGBCIE1976UCSL*a*b色空間的色立體表示法孟賽爾色度圖CIE1931XYZCIE1931色度圖

(CIE1931ChromaticityDiagram）

（CIE1931xyY）圖中x坐標(biāo)是紅原色的比例，y坐標(biāo)是綠原色的比例，代表藍(lán)原色的坐標(biāo)z可由x＋y＋z＝1推出弧線上的各點(diǎn)代表純光譜色，此弧線稱為光譜軌跡。從400納米(紫)到700納米(紅)的直線是光譜上沒(méi)有的紫-紅顏色系列(非光譜色)。中心點(diǎn)C代表白色，相當(dāng)于中午太陽(yáng)光的顏色，其色品坐標(biāo)為x＝0.3101，y＝0.3162。任何兩種顏色混合時(shí)，混合色的顏色點(diǎn)一定在前兩顏色點(diǎn)的連線上。色域自然界中各種實(shí)際顏色都位于這條閉合曲線內(nèi)，輪廓包含所有的感知色調(diào)CIE1931色度圖

(CIE1931ChromaticityDiagram）

（CIE1931xyY）色品圖上任給一點(diǎn)S，連結(jié)CS，其延長(zhǎng)線交光譜軌跡于O點(diǎn)，O點(diǎn)處的波長(zhǎng)即顏色S的主波長(zhǎng)，決定了顏色S的色調(diào)。從C到S點(diǎn)和O點(diǎn)的距離之比CS／CO為該顏色的飽和度（純度）。從光譜軌跡上任一點(diǎn)通過(guò)C點(diǎn)引一直線到達(dá)對(duì)側(cè)光譜軌跡上的另一點(diǎn)，則該直線兩端的顏色互為補(bǔ)色。從代表非光譜色系列的直線上任一點(diǎn)P通過(guò)C點(diǎn)引一直線，交光譜軌跡于Q點(diǎn)，Q點(diǎn)的顏色是P點(diǎn)非光譜色的補(bǔ)色。非光譜色的表示方法是在它的補(bǔ)色波長(zhǎng)后加一字母c波長(zhǎng)用于表征光的顏色對(duì)于波長(zhǎng)為585nm的光，當(dāng)顏色變化大于1nm時(shí)，人眼就可以感覺(jué)到。而對(duì)于波長(zhǎng)為650nm的紅光，當(dāng)顏色變化在3nm的時(shí)候，人眼才能察覺(jué)到。對(duì)于波長(zhǎng)為465nm的藍(lán)光和525nm的綠光，人眼的分辨率分別為～2nm和～3nm。波長(zhǎng)主波長(zhǎng)（λD）任何一個(gè)顏色都可以看作為用某一個(gè)光譜色按一定比例與一個(gè)參照光源（如CIE標(biāo)準(zhǔn)光源A、B、C等，等能光源E，標(biāo)準(zhǔn)照明體D65等）相混合而匹配出來(lái)的顏色相當(dāng)于人眼觀測(cè)到的顏色的色調(diào)（心理量）無(wú)法唯一的表示一個(gè)顏色峰值波長(zhǎng)（λp）：光譜輻射功率最大的波長(zhǎng)。色溫、相關(guān)色溫（Tc）將一標(biāo)準(zhǔn)黑體加熱，溫度升高到一定程度時(shí)顏色開(kāi)始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍(lán)，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時(shí)，我們將黑體當(dāng)時(shí)的絕對(duì)溫度稱為該光源之色溫。相關(guān)色溫：當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時(shí)，黑體對(duì)應(yīng)的溫度就稱為該光源的相對(duì)色溫。單位：開(kāi)爾文（K）色溫在3300K以下，光色偏紅給以溫暖的感覺(jué)；有穩(wěn)重的氣氛，溫暖的感覺(jué)；色溫在3000--6000K為中間，人在此色調(diào)下無(wú)特別明顯的視覺(jué)心理效果，有爽快的感覺(jué)；故稱為“中性”色溫。色溫超過(guò)6000K，光色偏藍(lán)，給人以清冷的感覺(jué)，

自然光源（太陽(yáng)、星星、火等）的溫度特性曲線都非常接近普朗克軌跡（黑體輻射軌跡）人工光源中，只有白熾燈與黑體加熱發(fā)光相似，一般使用相關(guān)色溫表征普朗克軌跡等溫線顯色指數(shù)（Ra）把光源對(duì)物體真實(shí)顏色的呈現(xiàn)程度稱為光源的顯色性，為了對(duì)光源的顯色性進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，引入顯色指數(shù)的概念。以標(biāo)準(zhǔn)光源（太陽(yáng)）為準(zhǔn)，將其顯色指數(shù)定位100，其余光源的顯色指數(shù)越接近100，說(shuō)明光源對(duì)物體顏色的還原性越好。顯色性高的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較好，我們所見(jiàn)到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較差，我們所見(jiàn)到的顏色偏差也較大連續(xù)光譜、非連續(xù)光譜提高色溫的方法YAG熒光粉、硅酸鹽熒光粉的差異硅酸鹽熒光粉YAG熒光粉麥克亞當(dāng)寬容度橢圓對(duì)人眼視覺(jué)來(lái)說(shuō)，當(dāng)一種顏色在CIE色度圖上的坐標(biāo)位置變化很小時(shí)，人眼仍認(rèn)為它是原來(lái)的顏色，感覺(jué)不出它的變化。因此，每個(gè)顏色實(shí)際上是一個(gè)范圍(即所謂的“顏色寬容量”)，在這個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)人跟視覺(jué)是感覺(jué)不到的。為各種顏色的分光、分bin提供依據(jù)。坐標(biāo)上距離差與眼睛所感覺(jué)色差不相同，所以CIE1931色度圖不是一個(gè)均勻色彩系統(tǒng)。光效光源所發(fā)出的總光通量（流明、亮度）與該光源所消耗的電功率（瓦）的比值，稱為該光源的光效。發(fā)光效率值越高，表明照明器材將電能轉(zhuǎn)化為光能的能力越強(qiáng)，即在提供同等亮度的情況下，該照明器材的節(jié)能性越強(qiáng)；在同等功率下，該照明器材的照明性越強(qiáng)，即亮度越大。單位：流明/瓦（lm/w）電參數(shù)正向電壓VF正向電流IF反向擊穿電壓VR反向電流IRI-V特性曲線閾值電壓閘流體小電壓電參數(shù)極限參數(shù)IFP：允許加的最大的正向脈沖電流，超過(guò)此值可損壞二極管；IFM：允許加的最大的正向直流電流；VR：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。其他參數(shù)結(jié)電容：Cj

響應(yīng)時(shí)間：上升時(shí)間tr，下降時(shí)間tf

熱參數(shù)結(jié)溫?zé)嶙瑁≧th）熱阻（Rth）在LED點(diǎn)亮后達(dá)到熱量傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)時(shí)，芯片表面每耗散1W的功率，芯片PN結(jié)點(diǎn)的溫度與連接的支架或鋁基板的溫度之間的溫差就稱為熱阻Rth。單位為℃/WRth=(Tj-Tx)/P==(Tj-Tx)/(IF*VF)Tj為施加大小為P的加熱功率脈沖后測(cè)得的LED結(jié)溫；Tx為熱沉鋁基板上的溫度。

瞬態(tài)熱阻測(cè)試?yán)冒雽?dǎo)體器件在恒定電流下LED的正向電壓與溫度具有很好的線性關(guān)系VTj=VTo+K(Tj-To)

式中，VTj、VTo分別是Tj和To時(shí)的輸入電壓；K是熱敏溫度系數(shù)（通過(guò)測(cè)試穩(wěn)態(tài)熱阻獲得）Rth=ΔVF/K·P

降低熱阻的方法降低芯片的熱阻。最佳化熱通道。通道架構(gòu)：長(zhǎng)度（L）越短越好；面積（S）越大越好；環(huán)節(jié)越少越好；消除通道上的熱傳導(dǎo)瓶頸。通道材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ越大越好。改良封裝工藝，令通道環(huán)節(jié)間的介面接觸更緊密可靠。強(qiáng)化電通道的導(dǎo)/散熱功能。選用導(dǎo)/散熱效能更高的出光通道材料（封裝材料）。結(jié)溫當(dāng)電流流過(guò)LED元件時(shí)，PN結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說(shuō)，就把PN結(jié)區(qū)的溫度定義為L(zhǎng)ED的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。Tpn=T環(huán)境+（Rth+R接觸熱阻）·（IF·VF-P光）結(jié)溫的產(chǎn)生芯片內(nèi)部產(chǎn)生的極大部分光子(>90％)無(wú)法順利地溢出介面，而在芯片與介質(zhì)介面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過(guò)多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動(dòng)的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。散熱（熱阻）接觸電阻導(dǎo)致的發(fā)熱少子的擴(kuò)散、注入效率小于100%降低結(jié)溫的方法減少LED本身的熱阻；良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝介面之間的熱阻控制額定輸入功率;降低環(huán)境溫度制作工藝裝架鍵合點(diǎn)熒光膠封裝切筋測(cè)試包裝白光LED紅、綠、藍(lán)三原色LED芯片或者三原色LED管混合實(shí)現(xiàn)白光。發(fā)紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍(lán)三基色的熒光粉（顯然，也可選用兩基色、四基色、五基色熒光粉）有機(jī)結(jié)合組成白光LED。在InGaN/GaN藍(lán)光芯片上涂敷釔鋁石榴石(YAG∶Ce3+)熒光粉。部分藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出黃光與剩余的藍(lán)光混色形成白光。白光LED膠的控制配比膠量控制氣泡攪拌沉淀燒結(jié)顯色指數(shù)光斑功率LED散熱、熱阻材料散熱能力粘結(jié)膠薄而均勻空洞封裝TopLED吸潮支架表面處理烘烤不良開(kāi)路：芯片損壞、虛焊、應(yīng)力導(dǎo)致的金絲斷、環(huán)氧開(kāi)裂等。反向（漏電流）：芯片損壞、銀膠過(guò)高、靜電破壞電壓：虛焊、銀膠過(guò)高、過(guò)低色坐標(biāo)：膠量、配比、芯片選用。小電壓：IV特性曲線變差，PN結(jié)特性變差。光通量：芯片、封裝材料錯(cuò)誤熱阻：銀膠不足或過(guò)厚、芯片、材料不良光強(qiáng)：封裝深度、偏支架、散色劑量外觀：黑點(diǎn)、劃傷、色差、混料應(yīng)用GR&R重復(fù)性同一評(píng)價(jià)人多次測(cè)量獲得的測(cè)量變差計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析系統(tǒng)內(nèi)部變差可能由于儀器一致性不好、內(nèi)部磨損引起再現(xiàn)性不同評(píng)價(jià)人，測(cè)量平均值的變差系統(tǒng)外部變差可能由于評(píng)價(jià)人、環(huán)境、方法、誤差引起的計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析方法極差法均值極差法方差法進(jìn)行步驟選擇樣本（10個(gè)）穩(wěn)定分布遍布我們的使用：游標(biāo)卡尺（測(cè)量定位柱、管腳）、波長(zhǎng)（測(cè)量紅光、藍(lán)光、綠光……）對(duì)樣本進(jìn)行編號(hào)（編號(hào)必須隱秘，測(cè)試時(shí)不可見(jiàn)）由測(cè)量人A以隨機(jī)順序測(cè)量10個(gè)樣本，并記錄測(cè)量人B、C也以隨機(jī)順序?qū)@10個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)量（結(jié)果互不可見(jiàn)）用不同的隨機(jī)測(cè)量順序重復(fù)該循環(huán)2次將測(cè)量數(shù)值填入Excell表格，自動(dòng)判定步驟4、5最好間隔一個(gè)班以上，同時(shí)測(cè)量前須常規(guī)操作，如校正、點(diǎn)檢等。結(jié)果分析均值圖：測(cè)量系統(tǒng)的“可用性”指示控制限內(nèi)部區(qū)域表示測(cè)量靈敏度一半以上的均值應(yīng)落在控制限以外，否則說(shuō)明分辨率不足或者樣本有缺陷極差圖：確定過(guò)程是否受控若一個(gè)評(píng)價(jià)人不受控，說(shuō)明他的方法與他人不同若三個(gè)測(cè)量人均不受控，說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)量人的技術(shù)很敏感，必須改善。GR&R實(shí)例其他R&R：小于10%，可以接受介于10%到30%之間，可接受或不可接受，依重要性大于30%，不能接受。EV（重復(fù)性）>AV（再現(xiàn)性）：夾緊、定位、保養(yǎng)須改善EV<AV：作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。ESD人體模式機(jī)器模式充電器件模式人體模式該模型表征人體帶電接觸器件放電，Rb為等效人體電阻，Cb為等效人體電容。機(jī)器模式機(jī)器模型的等效電路與人體模型相似，