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1、白光LED及功率LED简介,黄海山2009-3-9,主要内容,LED发光原理芯片结构光（色）参数电参数热参数工艺不良应用GR&R,LED发光原理,芯片的发光原理芯片的核心是PN结。通过掺杂工艺使N型区内电子很多而空穴很少，P型区内空穴很多而电子很少。多子的扩散（浓度差导致）与少子的漂移（PN区的内建电场作用导致）的动态平衡使得P区与N区之间形成PN结（耗尽层）,当在PN结两端加上正向偏压之后，动态平衡被破坏，电子在电场作用下由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。,激发态，不稳定,自发辐射，跳回基
2、态，并发光,芯片结构,横向结构 垂直结构,横向结构,垂直结构,光参数,光通量（）光强（Iv）半强角（1/2）色坐标（XY）波长（主波长D、峰值波长p、平均波长）色温、相对色温（Tc）显色指数（Ra）光效,光通量（）,光源每秒种发出的可见光量之和点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者（人能感觉出来的辐射通量）即称为光通量 单位：流明（lm）光通量并不等同与光功率，这其中与光学窗口有关，也就是人眼睛对颜色的灵敏度。人的眼睛对555nm(绿光)灵敏度最强，所以同样条件下绿光相比蓝光而言具有更高的光通量。,光通量,测试方法：积分球法和变角光度计法。如图所示，现有的积分球法测LED光
3、通量中有两种测试结构，一种是将被测LED放置在球心，另外一种是放在球壁。积分球内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀。光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可得，球面上任意一点的光照度为与光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的标准灯与被测灯进行比较得到被测灯的光通量,光强（Iv）,描述了光源在某方向上的强度定义为发射到单位立体角内的光通量值法向光强、最大光强光强空间分布曲线：表征光源在各个方向上的强度单位：坎德拉（cd）1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量,光强,LED由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化。因此
4、，CIE-127提出了两种推荐测试条件使得各个LED在同一条件下进行光强测试与评价d=100mm，圆孔=100mm2d=316mm，圆孔=100mm2,半强角(1/2),发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角体现LED的视角大小与产品的封装外形、封装深度有关,色坐标（x，y）,表示CIE 1931色度图上的一个点包含了颜色的饱和度、色调、色温、主波长等信息,CIE 1931 RGB,CIE 1976 UCS,L*a*b 色空间的色立体表示法,孟赛尔色度图,CIE 1931 XYZ,CIE 1931色度图(CIE 1931 Chromaticity Diagram）（CIE 1
5、931 xyY）,图中x坐标是红原色的比例，y坐标是绿原色的比例，代表蓝原色的坐标z可由xyz1推出弧线上的各点代表纯光谱色，此弧线称为光谱轨迹。从400纳米(紫)到700纳米(红)的直线是光谱上没有的紫-红颜色系列(非光谱色)。中心点C代表白色，相当于中午太阳光的颜色，其色品坐标为 x0.3101，y0.3162。任何两种颜色混合时，混合色的颜色点一定在前两颜色点的连线上。色域自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内，轮廓包含所有的感知色调,CIE 1931色度图(CIE 1931 Chromaticity Diagram）（CIE 1931 xyY）,色品图上任给一点S，连结CS，其延长线
6、交光谱轨迹于O点，O点处的波长即颜色S的主波长，决定了颜色S的色调。从C到S点和O点的距离之比CSCO为该颜色的饱和度（纯度）。从光谱轨迹上任一点通过C点引一直线到达对侧光谱轨迹上的另一点，则该直线两端的颜色互为补色。从代表非光谱色系列的直线上任一点P通过C点引一直线，交光谱轨迹于Q点，Q点的颜色是P点非光谱色的补色。非光谱色的表示方法是在它的补色波长后加一字母c,波长,用于表征光的颜色对于波长为585 nm的光，当颜色变化大于1nm时，人眼就可以感觉到。而对于波长为650 nm的红光，当颜色变化在3nm的时候，人眼才能察觉到。对于波长为465 nm的蓝光和525 nm的绿光，人眼的分辨率分别
7、为2 nm和3nm。,波长,主波长（D）任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源（如CIE标准光源A、B、C等，等能光源E，标准照明体D65 等）相混合而匹配出来的颜色相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）无法唯一的表示一个颜色峰值波长（p）：光谱辐射功率最大的波长。,色温、相关色温（Tc）,将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。相关色温：当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体对应的温度就称为该光源的相对色温。单位：开尔文（K）色温在3
8、300K以下，光色偏红给以温暖的感觉；有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000-6000K为中间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效果，有爽快的感觉；故称为“中性”色温。色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，,自然光源（太阳、星星、火等）的温度特性曲线都非常接近普朗克轨迹（黑体辐射轨迹）人工光源中，只有白炽灯与黑体加热发光相似，一般使用相关色温表征,显色指数（Ra）,把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性，为了对光源的显色性进行定量的评价，引入显色指数的概念。以标准光源（太阳）为准，将其显色指数定位100，其余光源的显色指数越接近100，说明光源对物体颜色的还原性越好。显色性
9、高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大 连续光谱、非连续光谱提高色温的方法YAG荧光粉、硅酸盐荧光粉的差异,硅酸盐荧光粉,YAG荧光粉,麦克亚当宽容度椭圆,对人眼视觉来说，当一种颜色在 CIE色度图上的坐标位置变化很小时，人眼仍认为它是原来的颜色，感觉不出它的变化。因此，每个颜色实际上是一个范围(即所谓 的“颜色宽容量”)，在这个范围内变化时人跟视觉是感觉不到的。为各种颜色的分光、分bin提供依据。坐标上距离差与眼睛所感觉色差不相同，所以CIE 1931色度图不是一个均匀色彩系统。,光效,光源所发出的总光通量（流明、亮度
10、）与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。单位：流明/瓦（lm/w）,电参数,正向电压VF正向电流IF反向击穿电压VR反向电流IRI-V特性曲线阈值电压闸流体小电压,电参数,极限参数IFP：允许加的最大的正向脉冲电流，超过此值可损坏二极管；IFM：允许加的最大的正向直流电流；VR：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。其他参数结电容：Cj 响应时间：上升时间tr，下降时间t f,热参数,结温热阻（Rth）
11、,热阻（Rth）,在LED点亮后达到热量传导稳态时，芯片表面每耗散1W的功率，芯片PN结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth。单位为/W Rt h=(Tj-Tx)/P=(Tj-Tx)/(IF*VF)Tj为施加大小为P的加热功率脉冲后测得的LED结温；Tx为热沉铝基板上的温度。,瞬态热阻测试,利用半导体器件在恒定电流下LED的正向电压与温度具有很好的线性关系 VT j=VT o+K(Tj-To)式中，VT j、VT o分别是Tj和To时的输入电压；K是热敏温度系数（通过测试稳态热阻获得）Rt h=VF/KP,降低热阻的方法,降低芯片的热阻。最佳化热通道。通道架构：长度（L
12、）越短越好；面积（S）越大越好；环节越少越好；消除通道上的热传导瓶颈。通道材料的导热系数越大越好。改良封装工艺，令通道环节间的介面接触更紧密可靠。强化电通道的导/散热功能。选用导/散热效能更高的出光通道材料（封装材料）。,结温,当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。Tpn=T环境+（Rth+R接触热阻）（IFVF-P光）,结温的产生,芯片内部产生的极大部分光子(90)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或
13、衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。散热（热阻）接触电阻导致的发热少子的扩散、注入效率小于100%,降低结温的方法,减少LED本身的热阻；良好的二次散热机构；减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻控制额定输入功率;降低环境温度,制作工艺,装架键合点荧光胶封装切筋测试包装,白光LED,红、绿、蓝三原色LED芯片或者三原色LED管混合实现白光。发紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激发而发射红、绿、蓝三基色的荧光粉（显然，也可选用两基色、四基色、五基色荧光粉）有机结合组成白光LED。在InGaN/GaN蓝光芯片上涂敷钇铝石榴石(YAGCe3+)荧光粉。部分蓝光激发YAG荧光粉发出黄
14、光与剩余的蓝光混色形成白光。,白光LED,胶的控制配比胶量控制气泡搅拌沉淀烧结显色指数光斑,功率LED,散热、热阻材料散热能力粘结胶薄而均匀空洞封装,Top LED,吸潮支架表面处理烘烤,不良,开路：芯片损坏、虚焊、应力导致的金丝断、环氧开裂等。反向（漏电流）：芯片损坏、银胶过高、静电破坏电压：虚焊、银胶过高、过低色坐标：胶量、配比、芯片选用。小电压：IV特性曲线变差，PN结特性变差。光通量：芯片、封装材料错误热阻：银胶不足或过厚、芯片、材料不良光强：封装深度、偏支架、散色剂量外观：黑点、划伤、色差、混料,应用,GR&R,重复性同一评价人多次测量获得的测量变差计量型测量系统分析系统内部变差可能
15、由于仪器一致性不好、内部磨损引起再现性不同评价人，测量平均值的变差系统外部变差可能由于评价人、环境、方法、误差引起的,计量型测量系统分析,方法,极差法均值极差法方差法,进行步骤,选择样本（10个）稳定分布遍布我们的使用：游标卡尺（测量定位柱、管脚）、波长（测量红光、蓝光、绿光）对样本进行编号（编号必须隐秘，测试时不可见）由测量人A以随机顺序测量10个样本，并记录测量人B、C也以随机顺序对这10个样本进行测量（结果互不可见）用不同的随机测量顺序重复该循环2次将测量数值填入Excell表格，自动判定步骤4、5最好间隔一个班以上，同时测量前须常规操作，如校正、点检等。,结果分析,均值图：测量系统的“
16、可用性”指示控制限内部区域表示测量灵敏度一半以上的均值应落在控制限以外，否则说明分辨率不足或者样本有缺陷极差图：确定过程是否受控若一个评价人不受控，说明他的方法与他人不同若三个测量人均不受控，说明测量系统对测量人的技术很敏感，必须改善。,GR&R实例,其他,R&R：小于10%，可以接受介于10%到30%之间，可接受或不可接受，依重要性大于30%，不能接受。EV（重复性）AV（再现性）：夹紧、定位、保养须改善EVAV：作业标准化。,ESD,人体模式机器模式充电器件模式,人体模式,该模型表征人体带电接触器件放电，Rb为等效人体电阻，Cb为等效人体电容。,机器模式,机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容（Cb）是200pF，等效电阻为0机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取200pF。由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。,充电器件模式,半导体器件主要采用三种封装型式（金属、陶瓷、塑料）。它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料（如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等）相互磨擦，就会使管壳带电。器件本身作为电容器的一个极板而存贮电荷。CDM模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的,
