LED基礎(chǔ)知識大普及

3.3按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分

按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。

3.4按發(fā)光強度和工作電流分

按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發(fā)光強度10mcd);超高亮度的LED(發(fā)光強度>100mcd);把發(fā)光強度在 10~100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA,而低電流LED的工作電流在2mA以下(亮度與普通發(fā)光管相同)。

除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。

4 LED的應(yīng)用

由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應(yīng)根據(jù)實際需要進行恰當選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流 IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實際電流IF應(yīng)在0.6IFm以下;應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR0. 6VRm.LED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。

(1)利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻R限流電阻，其值應(yīng)保證電源電壓最高時應(yīng)使LED的電流小于最大允許電流IFm.

(2)圖6(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。

圖(a)中的電阻≈(E-VF)/IF;

圖(b)中的R≈(1.4Vi-VF)/IF;

圖(c)中的R≈Vi/IF式中，Vi--交流電壓有效值。

(3)單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號是否正常，如圖7所示。R為限流電阻。只有當輸出電壓大于LED的閾值電壓時，LED才可能發(fā)光。

(4)單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê?，電流隨電壓變化非?？?，具有普通穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)電壓在1.4~3V間，應(yīng)根據(jù)需要進行選擇VF.

(5)電平表。目前，在音響設(shè)備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號電平的，即發(fā)光的LED數(shù)目不同，則表示輸出電平的變化。當輸入信號電平很低時，全不發(fā)光。輸入信號電平增大時，首先LED1亮，再增大LED2亮。

5 發(fā)光二極管的檢測

5.1普通發(fā)光二極管的檢測

(1)用萬用表檢測。利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時，二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ，反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或為∞，反向電阻值很小或為0,則易損壞。這種檢測方法，不能實地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因為×10kΩ擋不能向LED提供較大正向電流。

如果有兩塊指針萬用表(最好同型號)可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導(dǎo)線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測發(fā)光管的正極(P區(qū))，余下的“+”筆接被測發(fā)光管的負極(N區(qū))。兩塊萬用表均置×10Ω擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應(yīng)注意，不能一開始測量就將兩塊萬用表置于×1Ω，以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。

(2)外接電源測量。用3V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬用表(指針式或數(shù)字式皆可)可以較準確測量發(fā)光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測得VF在1.4~3V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說明發(fā)光正常。如果測得VF=0或VF≈3V,且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞

5.2紅外發(fā)光二極管的檢測

由于紅外發(fā)光二極管，它發(fā)射1~3μm的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數(shù)mW,不同型號的紅外LED發(fā)光強度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3~2.5V.正是由于其發(fā)射的紅外光人眼看不見，所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結(jié)正、反向電學(xué)特性是否正常，而無法判定其發(fā)光情況正常否。為此，最好準備一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光電池)作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當正向電流后是否發(fā)射紅外光。其測量電路如圖8所示。

6 LED封裝技術(shù)及結(jié)構(gòu)

6.1 LED封裝的特殊性

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)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于LED.

LED的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高LED的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕;采用不同的形狀和材料性質(zhì)(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角;管芯折射率與空氣折射率相關(guān)太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導(dǎo)致過多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應(yīng)的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。

一般情況下，LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經(jīng)pn結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1%左右，封裝散熱;時保持色純度與發(fā)光強度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)LED的驅(qū)動電流限制在20mA左右。但是，LED的光輸出會隨電流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驅(qū)動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，需要改進封裝結(jié)構(gòu)，全新的LED封裝設(shè)計理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計中，PCB線路板等的熱設(shè)計、導(dǎo)熱性能也十分重要。

6.2 封裝結(jié)構(gòu)類型

自上世紀九十年代以來，LED芯片及材料制作技術(shù)的研發(fā)取得多項突破，透明襯底梯形結(jié)構(gòu)、紋理表面結(jié)構(gòu)、芯片倒裝結(jié)構(gòu)，商品化的超高亮度(1cd以上)紅、橙、黃、綠、藍的LED產(chǎn)品相繼問市，如表1所示，2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應(yīng)用。LED的上、中游產(chǎn)業(yè)受到前所未有的重視，進一步推動下游的封裝技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，采用不同封裝結(jié)構(gòu)形式與尺寸，不同發(fā)光顏色的管芯及其雙色、或三色組合方式，可生產(chǎn)出多種系列，品種、規(guī)格的產(chǎn)品。

LED產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)的類型如表2所示，也有根據(jù)發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等情況特征來分類的。單個管芯一般構(gòu)成點光源，多個管芯組裝一般可構(gòu)成面光源和線光源，作信息、狀態(tài)指示及顯示用，發(fā)光顯示器也是用多個管芯，通過管芯的適當連接(包括串聯(lián)和并聯(lián))與合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)組合而成的，構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點。表面貼裝LED可逐漸替代引腳式LED,應(yīng)用設(shè)計更靈活，已在LED顯示市場中占有一定的份額，有加速發(fā)展趨勢。固體照明光源有部分產(chǎn)品上市，成為今后LED的中、長期發(fā)展方向。

6.3 引腳式封裝

LED腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場的封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高，封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進。標準LED被大多數(shù)客戶認為是目前顯示行業(yè)中最方便、最經(jīng)濟的解決方案，典型的傳統(tǒng)LED安置在能承受0.1W輸入功率的包封內(nèi)，其90%的熱量是由負極的引腳架散發(fā)至PCB板，再散發(fā)到空氣中，如何降低工作時pn結(jié)的溫升是封裝與應(yīng)用必須考慮的。包封材料多采用高溫固化環(huán)氧樹脂，其光性能優(yōu)良，工藝適應(yīng)性好，產(chǎn)品可*性高，可做成有色透明或無色透明和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡形狀構(gòu)成多種外形及尺寸，例如，圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等數(shù)種，環(huán)氧樹脂的不同組份可產(chǎn)生不同的發(fā)光效果。花色點光源有多種不同的封裝結(jié)構(gòu)：陶瓷底座環(huán)氧樹脂封裝具有較好的工作溫度性能，引腳可彎曲成所需形狀，體積小;金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節(jié)能指示燈，適作電源指示用;閃爍式將CMOS振蕩電路芯片與LED管芯組合封裝，可自行產(chǎn)生較強視覺沖擊的閃爍光;雙色型由兩種不同發(fā)光顏色的管芯組成，封裝在同一環(huán)氧樹脂透鏡中，除雙色外還可獲得第三種的混合色，在大屏幕顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛，并可封裝組成雙色顯示器件;電壓型將恒流源芯片與LED管芯組合封裝，可直接替代5-24V的各種電壓指示燈。面光源是多個LED管芯粘嵩諼⑿PCB板的規(guī)定位置上，采用塑料反射框罩并灌封環(huán)氧樹脂而形成，PCB板的不同設(shè)計確定外引線排列和連接方式，有雙列直插與單列直插等結(jié)構(gòu)形式。點、面光源現(xiàn)已開發(fā)出數(shù)百種封裝外形及尺寸，供市場及客戶適用。

6.4 表面貼裝封裝

在2002年，表面貼裝封裝的LED(SMD LED)逐漸被市場所接受，并獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢，很多生產(chǎn)廠商推出此類產(chǎn)品。

早期的SMD LED大多采用帶透明塑料體的SOT-23改進型，外形尺寸3.04×1.11mm,卷盤式容器編帶包裝。在SOT-23基礎(chǔ)上，研發(fā)出帶透鏡的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED,前者為單色發(fā)光，后者為雙色或三色發(fā)光。近些年，SMD LED成為一個發(fā)展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可*性、一致性等問題，采用更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產(chǎn)品重量減輕一半，最終使應(yīng)用更趨完美，尤其適合戶內(nèi)，半戶外全彩顯示屏應(yīng)用。

6.5 功率型封裝

LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關(guān)鍵技術(shù)，能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2003年初開始供貨，白光LED光輸出達1871m,光效44.31m/W綠光衰問題，開發(fā)出可承受10W功率的LED,大面積管;匕尺寸為2.5×2.5mm,可在5A電流下工作，光輸出達2001m,作為固體照明光源有很大發(fā)展空間。

Luxeon系列功率LED是將A1GalnN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進行封裝。這種封裝對于取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設(shè)計都是最佳的。其主要特點：熱阻低，一般僅為14℃/W,只有常規(guī)LED的1/10;可*性高，封裝內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在-40-120℃范圍，不會因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使金絲與引線框架斷開，并防止環(huán)氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會因氧化而玷污;反射杯和透鏡的最佳設(shè)計使輻射圖樣可控和光學(xué)效率最高。另外，其輸出光功率，外量子效率等性能優(yōu)異，將LED固體光源發(fā)展到一個新水平。

隨著LED廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏，狀態(tài)指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源，汽車組合尾燈及車內(nèi)照明等等方面，其發(fā)展前景吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發(fā)中。極具發(fā)展與應(yīng)用前景的是白光LED,用作固體照明器件的經(jīng)濟性顯著，且有利環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界年增長率在20%以上，美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導(dǎo)體照明計劃。功率型LED優(yōu)異的散熱特性與光學(xué)特性更能適應(yīng)普通照明領(lǐng)域，被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認為是LED進入照明市場的必由之路。因此，LED被譽為21世紀新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。