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LED封裝步驟、壽命預測、參數(shù)講解

作者: 時間:2012-01-02 來源:網(wǎng)絡 收藏
λp = 550nm;

 ?、?是紅色GaP:Zn-O 的,發(fā)光譜峰λp = 680~700nm;

  ④ 是紅外 使用GaAs 材料,發(fā)光譜峰λp = 910nm;

  ⑤ 是Si 光電二極管,通常作光電接收用。

  由圖5可見,無論什么材料制成的,都有一個相對光強度最強處(光輸出最大),與之相對應有一個波長,此波長叫峰值波長,用λp表示。只有單色光才有λp波長。

 ?、?譜線寬度:在LED 譜線的峰值兩側±△λ處,存在兩個光強等于峰值(最大光強度)一半的點,此兩點分別對應λp-△λ,λp+△λ 之間寬度叫譜線寬度,也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄,即LED 單色性的參數(shù),LED 半寬小于40 nm。

 ?、?主波長:有的LED 發(fā)光不單是單一色,即不僅有一個峰值波長;甚至有多個峰值,并非單色光。為此描述LED 色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的,由LED 發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好,則λp也就是主波長。如GaP 材料可發(fā)出多個峰值波長,而主波長只有一個,它會隨著LED 長期工作,結溫升高而主波長偏向長波。

  2.3 光通量

  光通量F是表征LED 總光輸出的輻射能量,它標志器件的性能優(yōu)劣。F為LED 向各個方向發(fā)光的能量之和,它與工作電流直接有關。隨著電流增加,LED 光通量隨之增大??梢姽釲ED 的光通量單位為流明(lm)。

  LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關。目前單色LED 的光通量最大約1 lm,白光LED 的F≈1.5~1.8 lm(小芯片),對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED,其F=18 lm。

  2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度

 ?、?LED效率有內(nèi)部效率(pn結附近由電能轉化成光能的效率)與外部效率(輻射到外部的效率)。前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射出光能量(發(fā)光量)與輸入電能之比,即發(fā)光效率。

 ?、?視覺靈敏度是使用照明與光度學中一些參量。人的視覺靈敏度在λ = 555nm 處有一個最大值680 lm/w,若視覺靈敏度記為Kλ,則發(fā)光能量P 與可見光通量F 之間關系為P=∫Pλdλ ; F=∫KλPλdλ

 ?、?發(fā)光效率——量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn 結載流子數(shù)=(e/hcI)∫λPλdλ。若輸入能量為W=UI,則發(fā)光能量效率ηP=P/W 若光子能量hc=ev,則η≈ηP,則總光通F=(F/P)P=KηPW 式中K= F/P。

 ?、?流明效率:LED 的光通量F/外加耗電功率W=KηP

它是評價具有外封裝LED 特性,LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大,故也叫可見光發(fā)光效率。

  以下列出幾種常見LED 流明效率(可見光發(fā)光效率):

V-V特性曲線

  品質優(yōu)良的LED 要求向外輻射的光能量大,向外發(fā)出的光盡可能多,即外部效率要高。事實上,LED 向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分,總的發(fā)光效率應為η=ηiηcηe,式中ηi 向為p、n 結區(qū)少子注入效率,ηc 為在勢壘區(qū)少子與多子復合效率,ηe 為外部出光(光取出效率)效率。

  由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。當芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(無環(huán)氧封裝)若垂直入射,被空氣反射,反射率為(n1-1)2/(n1+1)2=0.32,反射出的占32%,鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收,于是大大降低了外部出光效率。為了進一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施:

 ?、?用折射率較高的透明材料(環(huán)氧樹脂n=1.55 并不理想)覆蓋在芯片表面;

 ?、?把芯片晶體表面加工成半球形;

 ?、?用Eg大的化合物半導體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽,可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4~6倍。

  2.5 發(fā)光亮度

  亮度是LED 發(fā)光性能又一重要參數(shù),具有很強方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A,指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量,單位為cd/m2 或Nit。

V-V特性曲線

  若光源表面是理想漫反射面,亮度BO 與方向無關為常數(shù)。晴朗的藍天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit(尼特),從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。

  LED 亮度與外加電流密度有關,一般的LED,JO(電流密度)增加BO 也近似增大。另外,亮度還與環(huán)境溫度有關,環(huán)境溫度升高,ηc(復合效率)下降,BO減小。當環(huán)境溫度不變,電流增大足以引起pn結結溫升高,溫升后,亮度呈飽和狀態(tài)。

  2.6 壽命

  老化:LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關,可描述為Bt=BO e-t/τ,Bt 為t 時間后的亮度,BO 為初始亮度。

V-V特性曲線

  通常把亮度降到Bt=1/2B0 所經(jīng)歷的時間t 稱為二極管的壽命。測定t 要花很長的時間,通常以推算求得壽命。

  測量方法:給LED 通以一定恒流源,點燃103 ~104小時后, 先后測得B0 ,Bt=1000~10000,代入Bt=B0 e-t/τ求出τ;再把Bt=1/2B0代入,可求出壽命t。

  長期以來總認為LED 壽命為106小時,這是指單個LED 在IF=20mA 下。隨著功率型LED開發(fā)應用,國外學者認為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。

  如LED 的光衰減為原來35%,壽命>6000h。

  3、熱學特性

  LED的光學參數(shù)與pn 結結溫有很大的關系。一般工作在小電流IF<10mA,或者10~20 mA 長時間連續(xù)點亮LED 溫升不明顯。

  若環(huán)境溫度較高,LED 的主波長或λp 就會向長波長漂移,BO 也會下降,尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED 的可靠性、穩(wěn)定性影響應專門設計散射通風裝置。

  LED的主波長隨溫度關系可表示為:

LED封裝步驟、壽命預測、參數(shù)講解

  由式可知,每當結溫升高10℃,則波長向長波漂移1nm,且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設計尤其應注意用散熱好的燈具外殼或專門通用設備、確保LED 長期工作。


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