(毕业设计)LED照明灯的设计制作 46页

'Abstract摘要基于节能的需要以及人们对照明质量要求的不断提高，半导体照明光源以其高效节能、长寿命、色彩丰富和环保等特点受到了人们的广泛关注。大功率发光二极管作为半导体照明的代表，其性能近来提高很快，发光效率已超过50lm/W,有望取代白炽灯、荧光灯和高压放电等传统光源，成为人类照明史上的第四代照明光源。目前大功率LED应用于通用照明上还存在着一些问题需解决，比如过高的封装热阻和合适的测试方法等。本文研究了大功率LED光源的组装测试方法，对制作中出现的问题进行了分析和讨论，并提出了改善大功率LE与D散热性能的建议。文章首先论述了LED封装与组装技术的发展，对多芯片封装技术在LED照明光源上的应用作了探讨。并实际制作了一个由3个由大功率LED串联的照明灯，并与传统的白炽灯和荧光灯进行了比较。实验测试结果表明，组装的LED光源的发光量、发光效率均已经超过白炽灯，但其性能还不够稳定。单纯采用小功率高亮度LED或大功率LED制备的光源存在着光通量低、成本过高和散热不理想、能耗高等方面的问题，而高亮度LED与大功率LED混合组装的光源则在发光效率、成本以及散热等方面有相对的优势，可应用于室内辅助照明等场合。关键词：半导体照明，大功率发光二极管，组装，测试方法，热管理III AbstractAbstractWiththedemandofpowersavingandtherequirementforhigherilluminationquality,semiconductorlightingsourceshavebeenattractiveforitsexcellentcharacteristics:highefficiency,lowpowerconsumption,longsourcelife,colorrichnessandenvironmentfriendlessetc.Astherepresentativeofsemiconductorillumination,theperformanceofhighpowerLightEmittingDiodes(LED)improvesquicklyresentyearsanditsluminanceefficiencyhassurpassed50lm/W.ThushighpowerLEDwillbecomethefourthgenerationlightingsourcereplacingincandescent,fluorescentandhighintensitydischarge(HID)lamp.OtherwisesomekeyissuesshouldbesolvedbeforehighpowerLEDswidelyapplicationingeneralilluminationmarket,suchaspackageheatmanagementandsuitablemeasurementmethod.ThisthesisfocusesonhighpowerLEDlightingsourcesandresearchestheirassemblyandmeasurementprocess.Consequently;weanalyzeanddiscusstheproblemsfoundinthisprocess.FinallythesuggestionisproposedtoimprovethermaldissipationforhighpowerLED.ThedevelopmentofLEDpackageandassemblytechnologyisdiscussed,especiallyontheapplicationofmultichippackagetechniqueforLEDlightingsources.Andtheactualproductionofa3byhigh-powerLEDlightsseries.Andwiththetraditionalincandescentandfluorescentlampsarecompared.TestresultsshowthatLEDlightsourceassemblyoflight-emittingvolume,light-emittingefficiencythanincandescent,butitsperformancewasnotenoughstability.ComparingwiththehomogeneouscombinationoflowpowerhighbrightnessLEDs(HB-LEDs)orhighpowerLEDs,thehybridcombinationofHB-LEDs/highpowerLEDshashigherluminousefficiency,lowercostandbetterheatdissipationability,thusitcanbeappliedinfieldsforhomedecoratelightingandoutdoorilluminance.Keywords:Semiconductorillumination,HighpowerLightEmittingDiodes(LED),Assembly,Measurementmethod,HeatmanagementIII 目录目录1引言…………………………………………………………………………………11.1半导体照明光源的提出.………………………………………………………11.2LED的特性………………………………………………………………………11.3LED照明现状及发展趋势………………………………………………………41.4相关光度学参数简介…………………………………………………………71.5本课题的研究内容……………………………………………………………72LED的封装与组装…………………………………………………………………82.1LED封装方法的分类…………………………………………………………82.2功率型LED封装存在的问题…………………………………………………92.3封装发展趋势…………………………………………………………………92.4新颖的LED阵列封装技术——流体自组装……………………………….103LED光源的光电参数………………………………………………………………133.1LED发白光的原理……………………………………………………………133.2LED特征参数简介……………………………………………………………133.3LED照明光源光度参数的计算………………………………………………144LED照明光源的制备……………………………………………………………174.1LED吊顶灯与射灯的设计……………………………………………………174.2LED光源驱动电路……………………………………………………………184.3串联调整型稳流电源工作原理………………………………………………234.4便携式LED采用的驱动设备…………………………………………………264.5照明光源的组装………………………………………………………………284.6实验测试与结果分析…………………………………………………………295LED的散热问题及解决方案………………………………………………………325.1热对LED的影响………………………………………………………………325.2LED光源的热传导和疏散……………………………………………………325.3实际制作的LED散热器及测试………………………………………………326结论………………………………………………………………………………34参考文献……………………………………………………………………………35致谢…………………………………………………………………………………36外文资料原文………………………………………………………………………37译文…………………………………………………………………………………39III1引言-7- 1引言1引言1.1半导体照明光源的提出随着全球能源价格的飞涨和供应不稳定，世界各国纷纷寻求各种节能方法，以减轻对能源的过度依赖。这其中，占电能终端消费量近20％的照明用电很有发掘潜力。据检索，2004年中国累计发电21870亿度，照明用电约占其中的15％；美国2003年照明用电6000亿度，占发电总量的约20％。由于人们生活对电的严重依赖以及对电力需求量的逐年攀升，电力供应不足或中断会对人们生活造成巨大的影响，近年来中国不断恶化的拉闸限电趋势以及2000年美国和加拿大的大停电等都说明了这一点。现在，随着半导体发光技术的进步，人们将照明节电的希望寄托在一种新型的照明光源——固态照明光源（SolidStateLighting,SSL）上。SSL主要包括无机发光二极管（LightEmittingDiodes,LED）和有机发光二极管（OrganicLightEmittingDiodes,LED）。目前LED的亮度较OLED高，其发光效率和发光量提高很快，特别是可用作照明的大功率发光二极管（High-PowerLightEmittingDiodes），其发光效率已经超过白炽灯，并向荧光灯的水平迈进，单颗芯片的输入功率已可达5W，甚至10W的水准，而其发光量已超过100流明。作为充满希望的新一代照明光源，LED具有很多特点：它不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，相比荧光灯，LED也可以达到50%的节能效果；LED为固体封装，结构牢固，使用寿命长达10万小时以上，是荧光灯的10倍，且废弃物不含汞，不会造成二次污染。根据美国光电工业发展协会（OIDA）的研究，LED照明光源潜在的优点包括：到2025年，估计全球范围内由于使用SSL而将节约50％的照明电能，没有任何一种其它的电能消耗行业具有如此大的节能潜力。由于大多数电能来自燃烧矿物燃料，因此节约的电能就相当于每年少向大气中排放几亿吨的碳化物（CO，CO2等）等污染源。不仅减轻对环境的压力，还能节约对电站的投资和巨大的照明支出费用。SSL代表了一种新型的照明光源，它将改变人们对人工照明光源的看法，并创造一个年产值近500亿美元的产业。灯光设计师能将结构精巧、式样新颖的LEDs以面阵列的形式，以任何图案和外形组装在门上、墙上、天花板上，甚至嵌入在家具中，形成无器具感的明亮均匀照明。因此，作为一种新型绿色照明光源，LED，特别是有望进入通用照明领域的大功率白光LED引起了人们广泛的关注和深入的研究，它很有可能在不久的将来取代荧光灯等传统光源，成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯和高压放电灯（HighIntensityDischarge，HID）之后的第四代人工照明光源。1.2LED的特性1.2.1LED发光原理发光二极管是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如GaAs、AlGaInN、GaAsP等半导体材料在衬底（蓝宝石，硅或SiC等）上外延生长而成，通常采用双异质结和量子阱结-7- 1引言构，其核心是PN结。P－N结是携带电子的n型半导体和携带空穴的p型半导体间的过渡层。当p层加上正向电压而n层加上负向电压，电子就从n层流入p层，空穴从p层迁入n层。在p层中电子较少而存在大量的空穴，反之在n层中，空穴较少而存在大量的电子。这些电子与空穴的区别是其能量与动量的不同，能量之差称之为半导体材料禁带宽度Eg。导带中的电子与价带中的空穴相互复合时，要释放出多余的能量。放出能量的方式有两大类：②射光子，成为辐射复合；②不发射光子，成为非辐射复合，最后转换为热能或激发别的载流子。在热平衡状态下存在着热激发与载流子间复合的平衡。由于不管是p区还是n区中少数载流子（少子）密度都很小，这种复合是很弱的。即使有辐射复合，由于材料的本征吸收，从外部是观察不到光发射的。必须在半导体内激发载流子，形成不平衡载流子，即需正向电流注入，它们的复合才会导致显著的光发射,实现电能向光能的直接转换，如图1-1所示。图1-1LED发光原理图为了获得高的发光效率，需要保证以下几点：无辐射复合的寿命要长于辐射复合的寿命，为此需要提高少子的密度；要使晶体中的缺陷密度尽可能少而使注入的载流子密度高，一般是把带隙宽度小的发光层夹到禁带宽度大的层内，制成异质结结构，如图1-2所示。-7- 1引言理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即（nm），式中Eg的单位为电子伏特（eV），若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。目前已开发出发射红外、红、黄、绿及蓝光的发光二管，其中蓝光二极管是近来人们研究的重点，它具有输入功率大、发光亮度高、易于转换得到白光等优点，是大功率发光二极管的主要代表。1.2.2LED的优点LED是一种新型的光源，目前广泛用于指示性照明和特种照明市场上，随着性能的不断提高，正向通用照明光源的方向发展。与传统人工照明光源相比，LED照明光源具有很多优点，其发展潜力非常巨大：A发光效率高：基于特别的材料构成，在电子转移的过程中，LED释放的能量主要集中在可见光范围内，不像钨丝灯发出的电磁能很多集中在红外线区，令人感觉到非常热。也就是说，理论上LED几乎能把所有的电能都转化为光能，而白炽灯的可见光效率仅为10-20%。现在商品化的LED的发光效率已超过35流明每瓦，这几乎是钨丝灯泡的两倍。B光线质量高：由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故没有辐射，产生的热量很小，LED属于典型的绿色照明光源。C光色纯：与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。DLED光源颜色丰富：既有白色的LED，也有发各种单色光的LED，而且颜色饱和度高，在需要色光的场合，不再需要用滤色片来进行滤光，有利于节约电能。E能耗小：单体LED的功率一般在0.05-3W，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。F寿命长：目前光通量衰减到70%的标称寿命为10万小时，远远高于白炽灯的1500小时和荧光灯的1万小时。G可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。H应用灵活：体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，目前封装后LED的厚度可小于1mm，易于做成点、线、面等各种形式的具体应用产品。I绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞等有害成分。1.2.3LED的发展与分类最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1lm/W。70年代中期，引入元素In和N，使LED产生了绿光（λp=555nm）、黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1lm/W。到80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。进入20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED-7- 1引言的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也在1992年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明[7]。这样整个可见光波谱内的单色LED已经完整，能够满足各种单色发光的应用场所。A．发光颜色从出光颜色上可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光、白光等。B．按发光强度分按发光强度分有普通亮度的LED(发光强度<100mcd)，高亮度LED(发光强度>l00mcd)，发光强度在10000mcd以上的称超高亮度发光二极管。C．按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm,φ4.4mm,φ5mm,φ8mm,φ10mm及φ20mm等。人们通常把φ3mm的LED记作T-1，把φ5mm的记作T-1(3/4)。D．按发光强度角来分从发光强度角分布图来分有三种：高指向型，标准型和散射型。高指向型一般为尖头形环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂，半强度角为50-200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；标准型的半强度角为200-450，通常作指示灯用；而散射型的半强度角为450-900或更大，散射剂的量较大。1.3LED照明现状及发展趋势LED的研制起始于上世纪六十年代，随着技术的进步，其出光颜色的种类、芯片尺寸、发光效率、输入功率和封装结构等都有了很大的飞跃。最初，LED的发光量很小，主要采用支架式封装，应用于电子电气、自动化系统、家用电气和交通运输工具等上面作指示性照明。进入90年代，随着LED制造材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐渐进入市场并占据重要地位。1998年，蓝色和白光LED研制成功，LED照明进入了实施阶段。此后国内外科研机构对高亮度LED器件中存在的散热、光衰和显色指数的控制等重大问题进行了深入的研究，获得了很大的进步，其发光效率迅速提高，高亮度LED显示出在照明领域的巨大潜力。1.3.1大功率LED的研发计划如上所述，LED照明光源具有非常多的优点，特别是自1998年白光LED发明后，人们认识到了大功率白光LED在普通照明领域的巨大发展潜力，纷纷加大研究投入，从而掀起了了一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯逐步替代白炽灯和荧光灯。科学界预测，到2007年，光电子产业的产值将达到电子产业产值水平；2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。因此各国纷纷制定了相应的扶持发展半导体照明的计划：日本于1998年在世界率先开展“21世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到传统荧光灯的两倍，减少CO2的产生，并在2006年完成用LED替代50%的传统照明光源的目标[9]。整个计划的财政预算为60亿日元。从1998-2002年，耗资50-7- 1引言亿日元的第一期目标已经完成。现在，日本正在实施第二期计划，计划到2010年将LED的发光效率提高到120lm/W。美国能源部于2001年7月提出了“新一代照明光源计划”，决定从2000～2010年投入5亿美元，用于LED照明光源的开发与应用研究。为了指导LED照明产业的发展，美国光电工业发展协会（OIDA）制定了相应的技术路线图，计划到2020年，将LED的发光效率提高到200lm/W，而照明成本降低到3美元，如下表。欧盟于2000年7月启动了扶持半导体照明发展的“彩虹计划”，决定通过欧盟的补助金来推广白光发光二极管的应用。希望通过该计划实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的半导体照明。韩国则推出了“GaN半导体开发计划”，拟从2000年至2008年，由政府投入4.72亿美元，企业投入7.36亿美元来进行该计划的开发实施。其研究项目包括以GaN为研究材料的白光LED，蓝、绿光激光二极管及高功率电子组件三大领域。中国大陆于2003年6月17日，由中国科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”，提出了我国实施半导体照明工程的总体方针，并紧急启动半导体照明产业化关键技术重大项目，要求在十五计划底，结合制定国家中长期科技发展规划和第十一个科技五年计划，研究提出中国半导体照明产业发展的总体战略和实施方案。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动，这对于节约能源，保护环境，提高照明质量具有重要的意义。除了各国政府制定的宏观发展计划，在这场照明变革中，各大相关企业也推出了自己的研发计划。世界三大照明工业巨头通用电气（GE）、飞利浦（Philips）和欧斯朗(OSRAM)集团都已经启动了大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立半导体照明企业：全球最大的照明光源厂商Philipslighting公司于1999年7月与美国HP-Agilent技术公司合作投资1.5亿美元，成立了Lumileds公司致力于白光LED研发工作，其Luxeon系列高亮度LED已经取得了重大进展，生产的芯片尺寸为1平方毫米、功率为1w和5w的白光LED光通量分别达到45lm和180lm；美国Cree、德国Siemens光电公司与OsramGmbH联合，进行白光LED光源的开发研究工作；日本的Toshiba和Honda也进行LED联合研发等。-7- 1引言1.3.2LED应用于照明的发展LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。自1998年白光LED研制成功以后，LED照明才真正进入了实施阶段。在各国半导体照明发展计划的大力激励下，各研究实体加倍努力，可应用于照明的高亮度LED的性能获得了很快的提高。目前单颗高亮度白光LED芯片的发光效率已超过50lm/W，而输入功率则超过3W。其实在LED产业领域，也有类似微电子领域的摩尔定律。安捷伦的前任技术科学家RolandHaitz预测，LED的价格每十年将为原来的十分之一，性能则提高二十倍，这个预测后来被业界称为Haitz定律，如图1-3所示。这个预测给未来的LED照明产业预示了无限美好的前景，特别在目前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED照明光源给人们更多的期待。图1-3Haitz预测的LED性能与价格发展趋势LED应用于照明领域，涉及到材料器件研制、散热设计、光学结构设计、封装材料以及测试方法等众多科技领域。目前LED照明光源已经在特种照明领域获得了广泛的应用，比如应急照明、装饰照明、景观照明等，但进入通用照明领域才是发挥LED巨大节能潜力的目标。随着LED性能的迅速提高，价格的不断下降，LED光源取代白炽灯和荧光灯必将很快实现。我国是照明灯具生产大国，在这场兴起的半导体照明变革中，一定要抓住机会。科技部“国家半导体照明工程”计划2007年半导体照明逐步取代白炽灯，2012年后取代荧光灯。据推测，在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明需求的带动下，2003-2007年我国高亮度发光管芯市场规模将保持年均将近25％的增长速度，到2007年我国高亮度LED管芯市场将会突破20亿元。1.4相关光度学参数简LED照明涉及到光度学方面的知识，先做一介绍。光度学是1706-7- 1引言年由朗伯建立的,它是研究光的发射、传播、吸收和散射等过程中光的计量问题的学科，也即对可见光的能量计量的学科，研究各种光量，如发光强度、光通量、照度等的定义及其单位的选定，以及它们之间的关系等。了解光度学中相关的参数是光源计量与设计的基础。视见率：又称“光谱光视效率”,表示不同波长的光对人眼的视觉灵敏度。能引起人视觉感应的可见光波长在380~780nm之间,实验表明：正常视力的观察者，对波长5.55×10-7米(555nm)的黄绿色光最敏感，而对紫外光和红外光，则无视力感觉。取人眼对波长为5.55×10-7米的黄绿光的视见率为1，其他波长的可见光的视见率均小于1，红外光和紫外光的视见率为零。某波长的光的视见率与波长为5.5×10-7米的黄绿光视见率的比称为该波长的相对视见率。光通量：人眼所能感觉到的辐射能量，反映了一个光源所发出的光辐射能所引起的人眼光亮感觉的能力。它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积，单位为流明(lm)：光通量(lm)=683×视见率×辐射能量(W)。1.5本课题的研究内容大功率LED作为半导体照明光源的代表，其技术进展及应用受到人们注。随着发光效率的提高和输入功率的增加，高亮度LED已进入景观照明明领域，并逐渐向通用照明市场发展。本课题主要围绕高亮度LED照明光和电、光度特性参数的测试进行研究，并对其封装热阻的计算作了探讨，为源在通用照明领域的应用作了必要的初步探索。本课题的研究内容主要集中在以下几个方面：1)论述LED封装发展趋势；2)组装几种LED光源样品并测试、评价其性能；3)关注LED发热问题，探讨改善其散热能力的方法并实际制作出几种不同的散热器。4)对大功率LED的聚光问题进行初步研究。-7-2LED-7- 2LED-7-2LED的封装与组装2LED的封装与组装LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但是作为发光器件，LED的封装又有自己的特点：LED封装不但要完成电信号的输入输出，保护芯片在正常的电流下工作，还得维持工作状态下芯片的温度不超过允许的范围，这对于功率型LED的封装来说显得尤为重要；另外封装结构和材料要有利于提高出光效率，降低生产成本，实现电性能和发光效率的最优化。2.1LED封装方法的分类LED的封装形式很多，主要包括支架式封装、普通片式封装、双列直插式封装、功率型封装（芯片工作电流If≥200mA）和多芯片封装等：1.支架式封装始于二十世纪七十年代，这种封装不仅可以保护发光芯片，而且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子弹头型的环氧树脂可以起到透镜的作用。这种封装形式的LED是典型的点状光源，最适合作指示灯用，而且生产插件时极其方便，但是其封装热阻比较高。2.普通片式封装迎合了封装微型化和表面贴装技术的要求，主要型号有0402、0603、0805、1206、1210等，封装厚度一般在1mm以下，最薄的封装厚度只有0.4mm,因此在手机、PDA等便携式电子产品中广泛作为按键和屏幕的背光照明。3.双列直插式封装采用类似IC封装的铜质阴线框架固定芯片，并在焊接电极阴线后用透明环氧材料包封，如“食人鱼”式封装。这种封装芯片热散失较支架式好，热阻低，LED的输入功率可达0.1-0.5W。4.功率型封装是为了适应大光通量的要求而发展起来的。因为对于普通照明，要求其光通量足够大，一般在几百流明以上。比如40W的白炽灯能发出约600流明的光通量，而一个40W的普通荧光灯发出的光通量超过3000流明。功率型封装采用的是大尺寸LED芯片（如边长40mil），其工作电流一般在200mA以上，可输出几十流明的光通量。输入功率的不断增加使得散热问题变得非常突出，因此功率型封装中LED芯片多为倒装式互连以提高散热性能。倒装型LED由于采用的是厚而不透明的金属接触层作为电流扩展层，因而与传统的正装型LED相比，它能够在大的工作电流下工作并保持很高的可靠性，同时，封装到硅基板上后，由于芯片的激发区更靠近热沉，元件产生的热量能很快从导电金属层通过焊料传递到热沉而散失掉，有利于保持较高的发光效率。5.为了进一步提高单个元件的光通量并降低封装成本，近来出现了多芯片封装技术并获得了很大的发展。2003年，LaminaCeramics公司推出了自己的专利封装技术—多层低温陶瓷金属基烧结(LTCC-M)技术，生产出集成度很高的LED阵列。通过倒装封装工艺，该多芯片组装器件的发光亮度在840cd/in2以上，流明效率超过40lm/W，而使用寿命长达10年，并且能在较高的温度环境下正常工作。美国UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也为多芯片组合封装结构，它采用六角形铝基金属线路板作为热沉，直径为1.25英寸，发光区位于中心，可在金属线路板上排列多达40个超高亮度倒装型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）或白色（RGB-15- 2LED的封装与组装三基色合成或蓝色黄色二元色合成)。2006年2月，美国OPTEK公司推出了最新型的3D封装的高亮度LED光源[16]，它的输入功率为10W，输出光通量为330流明，而视角则达到了120度。这些多芯片组合封装的功率型LED不仅集成度高，散热性能良好，而且可在大电流下工作，具有很高的光输出量，是一种很有发展前途的LED光源封装模式。2.2功率型LED封装存在的问题作为新型照明光源，LED的发展潜力是勿庸置疑的。人们近期的目标是将其发光效率和光通量提高到现有照明光源的水平，这期望于功率型LED和多芯片封装技术。但目前功率型LED封装还存在一些问题有待解决，比如散热效率低和成本过高，另外静电防护和新出现的无铅化互连等问题也需注意。散热一直是制约功率型LED发展的首要问题。根据美国OIDA发展规划，到2012年，每个LED单元的发光量将达1000流明，发光效率为150lm/W，因此需要的输入功率为7瓦，这其中由于产生热量而浪费的功率将达4瓦（(1klm)/(400lm/W－150lm/W)），这还不考虑其它的能量损失，假如驱动电路与发光单元是集成的，那么还得算上30％以上的能量损失。虽然这个数值不大，但是由于必须在很小的芯片面积（约为0.017cm2(1klm/(400W/cm2×150lm/W))上散失到周围环境中，因此它的热流量将达到235W/cm2，这是常规微处理芯片所产生热流量的4～5倍！如此大的热通量必须及时的散失掉，因为LED的发光效率严重依赖于温度，当结点温度升高到一定水平后，会发生明显的颜色漂移以及发光效率下降等现象。成本过高是LED光源面临的另一个挑战。目前单颗1WLED元件的价格在15元左右，3W的价格在20元以上，标称发出的光通量分别为35lm和80lm。而一个出光量为3000多流明的40W荧光灯的价格却不到10元。因此还需不断提高LED元件的光通量，同时快速降低其价格。上述的多芯片封装技术有望加速LED照明光源进入通用照明市场。静电防护在功率型LED封装中是十分重要的。由于芯片的正负电极均位于芯片的同一个面上，间距很小；对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结，InGaN活化层的厚度仅几十纳米，对静电的承受能力很小，极易被静电击穿，使器件失效。因此，在产业化生产中，需要从电路设计、工艺操作以及附加保护器件上来保护功率型LED免遭静电的损害。芯片输入功率的提高还带来一个新的问题——热迁移。因为LED芯片的功率密度非常大，而目前LED的发光效率较低，因此大量的电能转化为了热量。这些热量在微小的芯片上产生很大的热流密度，使得芯片与基板间形成一个较高的温度梯度。由于原子在高低温下的迁移速度不同，从而导致原子形成定向移动，引起器件互连失效。2.3封装发展趋势随着大功率LED芯片性能的迅速提高，功率型LED的封装技术不断改进以适应形势的发展，如图2-5所示：从开始的引线框架式封装到多芯片阵列组装，再到如今的3D阵列式封装，其输入功率不断提高，而封装热阻显著降低。根据美国光电工业发展协会(OIDA)制定的目标，到2012年，LED的发光效率将提高到150lm/W，输入功率密度达到400W/cm2，而成本则降到荧光灯的水平。为了实现这些目标，进一步改善LED-15- 2LED的封装与组装封装的热管理将是关键之一，另外芯片设计制造与封装工艺的有机融合也非常有利于产品性价比的提升，如美国Cree公司与Berkeley国家实验室合作，开发出了光通量超过1000lm，发光效率达57lm/W的LED灯泡，并已进入商业应用；随着表面贴装技术(SMT)在工业上的大规模应用，采用透明型封装材料和功率型MOSFET封装平台将是LED封装发展的一个方向，功能集成(比如驱动电路)也将进一步的推动LED封装技术的发展。以前应用于其它学科中的技术也可能在未来LED照明光源的封装中找到舞台，如新兴的流体自组装（FluidicSelf-Assembly，FSA）技术等。2.4新颖的LED阵列封装技术——流体自组装功率型LED封装采用的是大尺寸、高输入电流的芯片。芯片尺寸的增大使得比表面积下降，出光效率降低，同时大的输入电流会产生更多的集中热量，这加剧了封装散热的负担，影响了芯片性能的正常发挥。因此，人们设想能否采用发光效率高、散热性能好的小尺寸LED芯片(比如0.3×0.3mm2)进行阵列式封装，这不但能提高元件的发光效率，而且能形成高光通量的面光源，并有利于成本的降低。但是，芯片阵列封装技术的要求很高，目前一种以流体作为工作介质的流体自组装技术（FSA）受到了人们的关注。FSA具有并行地、大批量地、高精度地将LED芯片组装到基板上的能力，而且操作简单灵活、散热性能良好，有望实现多LED芯片的阵列式封装。2.4.1FSA的基本特征FSA是指在无人工干预的情况下，微元件（比如LED芯片）在载体溶液中依靠溶液的流动，自行完成与基板相应组装位置的对位组装方式。组装系统一般包括四个组成部分：微元件、组装基板、载体溶液和粘结材料。其中选用的粘结材料只与互连的微元件/基板表面形成良好的润湿，而不能润湿其它表面。FSA源于分子生物学中的电泳技术，其工艺过程为：首先批量制造出一定外形的微元件，同时在基板上刻蚀出相应外形的组装点，并在互连位置涂上焊料；然后将过量的微元件分散悬浮在特定的载体溶液中，溶液的温度使焊料处于熔融状态；在外力搅拌的作用下，微元件就在基板组装点周围移动，并随机地接近某个对应的组装点；微元件在自身重力、液态粘结材料的毛细管力和表面张力等的作用下，经过定位、定向而非常精确地连接到组装点上；最后将没有组装的剩余微元件冲出基板表面，清除掉基板上的溶液。随着组装系统温度的降低，粘结材料固化，从而完成机械与电互连。2.4.2LED芯片在FSA工艺中的对位方式在FSA工艺中，LED芯片在基板相应组装点上的定向和定位是组装成功的关键步骤之一，它直接影响LED芯片组装的质量和效率。芯片与基板组装点对位的方式大致可分为以下三种：外形匹配、粘结剂导向和混合对位模式。外形匹配式对位是主要通过微元件与基板上凹坑的外形对应来实现微元件的定向和定位。其工艺一般是：首先制造出特定外形的LED芯片，同时在硅、玻璃等基板上刻蚀出相应形状的凹坑；然后将过量的LED-15- 2LED的封装与组装芯片分散悬浮在选定的载体溶液中，在液体流动或震动的条件下，不同外形的元件将随机落入与之相匹配的凹坑内，如同拼装积木一样。没有进入组装点的元件将被冲出基板表面，经过清洗，进入下一次的组装。芯片在基板组装点上对位后，将溶液清除干净，经过引线互连完成产品的组装。外形匹配式自组装原理简单，具有在三维空间内高密度组装、可靠性高和组装面平整等优点，发展前景很好。Hsi-JenJ等采用外形匹配方法成功地将GaAsLED自组装到Si基板上，实现了光电子元件与硅基板的大规模集成，如图2-1所示。由于元件的高度和凹坑的深度一致，组装后留下一个较平整的表面。然后将载体溶液去除，在范德华力作用下，微元件的下表面就和凹坑的底面连接在一起了。最后采用半导体工艺中的金属化和引线刻蚀等方法完成表面的电互连。图2-1外形匹配式FSA示意图粘结剂导向式对位是在载体溶液的振荡激发作用下，利用粘接剂产生的毛细管力先粘接住LED芯片，然后在系统界面自由能最小化的驱动下，实现芯片在组装点上精确地定位和定向。对于不同特性的微元件，通常需要进行多匹次并行装配，即在单匹次中只并行装配同一类芯片。在单匹次FSA工艺中，首先在基板和/或待装配微元件的绑定位置涂上自组装单层（self-assembledmonolayer，SAM），形成相互匹配的绑定点；然后在基板绑定点上涂粘结剂，粘结剂可以是导电焊料或不导电的粘结材料，它与SAM间有很好的润湿性，与其它的材料表面和载体溶液则难以润湿；接着将悬浮有芯片的载体溶液倒入装有基板的装配槽内进行对位组装；最后去除载体溶液，通过加热或紫外线照射等固化粘结材料，完成微系统的自组装。混合对位模式自组装是使用具有特定导向性外形的LED-15- 2LED的封装与组装芯片，在基板或芯片相应的焊盘上涂覆粘结剂，然后将微元件悬浮在载体溶液中，在液体流动作用下实现系统的自行对位组装。它结合了外形匹配和粘结剂导向式对位这两者的优点，具有很强的识别不同类型微元件和高可靠性地并行组装能力，因此能够更加高效准确地完成芯片的自组装。WeiZheng等研究了这种混合对位模式的自组装方法，成功地将几百个微小的AlGaInP/GaAs发光二极管在4分钟内组装到载体基板上，组装成功率超过97％。该实验性微系统包括三个组件：一个LED芯片，一个硅载体和一个耐热的玻璃包封单元。硅载体和玻璃包封单元均刻蚀有200微米深的菱台形开口，这与LED芯片的厚度一致。三个组件具有明显互补的外形、铜引线电路和铟焊料图案，图2-1（a）显示了硅载体和玻璃包封单元的制作过程。完成微组件的制备后，然后在100℃的乙烯乙二醇（沸点197℃）溶液中，在活塞泵产生的脉冲流体的强力搅拌下，经两步完成微系统的自组装：第一步是硅载体和LED芯片依靠外形识别自行对位，镀金的芯片背面与硅载体凹坑内涂覆有铟焊料的底面连接，液态焊料表面能最小化驱使LED芯片自行地调整到对准的位置，对准精度一般可达亚微米级，如图2-1（b）。第二步是互连后的芯片与玻璃包封单元的组装，玻璃包封单元的中心有一200微米深的菱台形开口，可以在组装过程中识别第一步完成的LED芯片。每个开口有5个涂覆焊料的表面，它们可润湿并连接到LED相应镀金的外形面和硅基板上。玻璃包封单元可以保护组装的LED元件和完善电互连。经过对混合模式对位自组装工艺过程的分析，人们发现系统产生的缺陷不是自组装方法本身导致的，它主要与可能构造的空间局部能量最小化分布和脉冲泵的搅拌水平有关，通过优化元件设计以及合适的搅拌，混合对位模式自组装工艺的成功率将进一步提高。-15-2LED的封装与组装-15-2LED的封装与组装-15-3LED光源的光电参数3LED光源的光电参数对于照明光源，人们一般倾向于近似太阳光的白光照明。目前LED-15- 3LED光源的光电参数发白光的方式比较多，每种方法得到的白光的质量也不尽相同。为了评价LED光源的性能，需要对其电与光等参数进行测量，比如发光效率、光通量、显色指数等。但由于LED特殊的结构，其光源性能参数的测试有特别的要求，这样才能保证测量的一致性和准确性。3.1LED发白光的原理目前使用的白光LED生产技术，主要可分为单晶型和多晶型两种：(一)单晶型：(l)蓝色LED+发黄光的荧光粉其原理是利用钇铝石榴石荧光粉(YAG)受到蓝色LED照射后会发出黄光，经与未被吸收的蓝光混合后，即可产生被肉眼视为白色的光。这是目前最为主要的生产方式，因为其结构与驱动电路设计较为简单，生产容易，且没有多晶型生产方式普遍存在的各个LED晶粒的光衰减率、温度特性和寿命有差异的缺陷，但是其发光效率较低，目前约只有为25～351m/W，且在高电流工作下，色温升高的问题较为严重。(2)紫外光LED+发红、蓝、绿光的荧光粉这种发光原理和荧光灯的发光原理相似，利用紫外光或近紫外光激发RGB三色荧光粉，产生RGB三原色的光混合产生白光。其发光光谱和蓝色LED+YAG相比要宽得多，而且可以利用荧光体的组合，发出白光以外的各种发光色，但是紫外光转换为黄绿光的过程中，能量损失比蓝光的要大，因此发光效率比较低，紫外光的泄漏也不安全。目前单晶型最新的技术动向是改变活性层的性质，利用三种单纯的活性层半导体产生RGB三色光，进而直接产生白光效果，所使用的发光材料是InGaN多量子阱结构。(二)多晶型：(1)红色LED+蓝色LED+绿色LED通过将电流控制在适当的输出功率比下，可将红(AlGaAs)蓝(InGaN)绿(AlInGaP)三原色LED所发出的光混合成白光，并可通过电流加以控制调整其频谱特性，具有较高的发光效率且色温易调整，但是它要使用三颗LED晶粒，且个别晶粒材质差异很大，因此在驱动电路设计上较为复杂，整体生产成本较高。(2)蓝绿色LED+琥珀色LED美国GentexCorporation利用InGaN蓝绿光LED和InAlGaP琥珀色LED的互补色关系生产出互补色白光，几乎与以三元色LED混合成的白光LED具有相同的特性，但是其显色指数(Ra)较低。3.2LED特征参数简介综合测试LED各项性能指标是评价LED照明光源的基础。作为应用于照明的光电器件，LED的特征参数主要包括电、光和色三个方面[35]：(1)相关电参数正向电压(Vf)：通过LED的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。反向电压(Vr)：被测LED器件通过的反向电流为确定值时，两极间所产生的电压降。正向电流(If)：加载在LED两端的正向电压为确定值时，流过LED的电流。(2)相关光参数-15- 3LED光源的光电参数相对光谱功率分布：在光辐射波长范围内，各个波长的相对辐射功率分布情况。峰值波长：光谱辐射功率最大的波长。光通量：通过发光二极管的正向电流为规定值时，器件光学窗口向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量，单位为流明。发光强度：光源在单位立体角内发射的光通量。(3)相关色度学参数色度坐标：光源对应的RGB三原色在CIE确定的色度图中的坐标值。色温：光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度（TC）为光源的色温度。对于组装后的LED光源，在应用于照明时还需对其照明性能进行评价，这主要包括光通量、照度以及成本等。在灯具设计中，照明计算主要是包括两个方面：一个是照度的计算，它表征被照表面单位面积上的光通量。另外一个是光通量的计算，通过分别计算LED灯具的光通量和LED光源的光通量来合理布置LED的位置、确定LED的个数，合理的添加光学器件，从而满足不同的照明需要。3.3LED照明光源光度参数的计算对于LED照明光源，其直接应用于各种需要照明的场合，或作为主要照明光源，或作为辅助光源。此时光源的光通量以及在被照工作面上产生的照度是我们设计灯具时非常关心的，其计算对于灯具的设计有着直接的指导作用[41]。3.3.1照度的计算照度表征的是被照表面单位面积上的光通量。对于单个点光源的照度，其基本计算公式可由下面两个照度定律导出，这两个定律是照度计算的基础[42]。(1)距离平方反比定律如图3-14所示，点光源S在指向平面N(与入射光线垂直的平面)上P点的方向上光强为Iθ，光源到P点的距离为l,投射到包括P点的指向平面上的面元上的光通量为：因面元dAn很小，可以把它看成是以点光源为球心的球面积的一部分，所以立体角dω可由下式确定：根据照度的定义，光源在指向平面上P点产生的照度En为:距离平方反比定律说明，点光源在与照射方向垂直的平面上产生的照度与光源至被照面的距离的平方成反比。(2)余弦定律如果图中的P点在水平面H上，则P点的照度为：-15- 3LED光源的光电参数式中Iθ—光源在照度计算点方向的发光强度；cosθ—光源至照度计算点的连线与光源至照度计算平面的垂线之间夹角的余弦；l—光源至照度计算点的距离。对于LED照明光源，一般为多个点光源构成。光源的尺寸相比于光源和被照面的距离小于五分之一时，可认为光源为点光源。由于不存在相干的问题，因此当有n个点光源同时照射到工作面时，n个点光源产生的照度等于每一光源分别产生的照度的总和。总照度可用下式表示:式中—第n个光源在照度计算点方向的发光强度；θn—第n个光源至照度计算点连线与光源至照度计算平面垂线之间夹角的余弦；ln—第n个光源至照度计算点的距离。当LED照明光源在被照面上各点产生的照度比较均匀时，可用平均照度来表征工作面上照明的程度。此时，照明设计可以采用比较简单的平均照度计算法而使得计算简化，即计算落到工作面上的总光通量除以被照面的面积。3.3.2光通量的计算为了确定LED光源个数和LED的位置，必须通过有效计算LED照明光源总的光通量。除了积分球方法外，LED照明光源的光通量还可通过照度来计算得到，其思路是通过环带分割然后求和的方法来实现。具体做法是首先将LED灯具垂直固定，让其光线投射到被照面上，被照面被划分为不同半径的若干同心小环带，将每个小环带的面积乘以该面积上测得的平均照度值，即为该面积上的光通量，各个小环带面积上的光通量相加，即为该灯具所发射的总光通量[43]。灯具固定悬挂在距离被照平面高度为H的位置上，根据不同的中心角θ1,θ2,…θn，将被照平面分成对应半径为R1,R2,…Rn的不同环带，各环带面积比为S1,S2,…Sn，对应各环带所测平均照度分别为Erp1,Erp2,…Erpn，各环带的光通量分别应为：第一环带光通量：第二环带光通量：依次类推：第n环带光通量：-15- 3LED光源的光电参数故总的光通量：球带半径R由灯具的悬挂高度H和要求角度的精度决定，习惯上，配光曲线均采用等角角度分割法，测试中每5为一间隔。也可以采用等间距测量法，即在X和Y轴上，每隔等距离测量一次数据，进而求出总的光通量。-15-3LED光源的光电参数-15- 4LED照明光源的制备4LED照明光源的制备据行业分析机构CIR的研究报告预测，全球2008年LED销售额将逾56亿美元，其中大功率LED占据绝大部分，主要应用是普通灯具。目前LED照明光源已经广泛地应用于特种照明领域，比如汽车上的阅读灯和刹车灯，手机背光源，景观照明装饰灯，舞台照明灯，安全照明灯以及手电筒等，这为LED进入通用照明市场打下了坚实的基础。中国作为照明器具生产大国，需要抓住这次半导体照明变革的机会，实现整个照明产业的提升，特别应把握2008北京奥运会和2010上海世博会举办的机遇，加快在LED照明领域的应用研究。单只LED发光亮度低，不能满足一般光源所需的亮度要求，为达到照明要求，一般采取将多只高亮度LED组成点阵光源，并且选用合适的光学系统，以实现良好的照明效果。为了探索LED光源的性能及其在组装上存在的问题，我们制备了几种不同的LED光源，通过对灯具设计、基板组装、驱动电路、照度测试以及成本评估了解并掌握LED照明光源组装工艺及性能测试方法，为进一步研究LED光源在通用照明市场上的应用做准备。4.1LED吊顶灯与射灯的设计随着人们对家装要求的提高，室内照明质量及光源特色受到人们更多的关注。LED光源由于具有节能环保以及长寿命的特点，并且可方便的设计成各种大小和形状的灯具，因此很受人们的青睐。从性能和成本上考虑，LED目前已具备作为小型照明光源的条件，可应用于家庭内部辅助照明，比如吊顶灯和射灯等。LED灯具一般由三部分组成：LED组合光源、驱动电路和光学透镜系统。透镜的作用是将光线按所希望的路径出射。影响灯具发光效果的因素包括：芯片的率35及个数、芯片在灯具内的放置位置和透镜的形状等。在我们的实验中，选用的LED为美国CREE公司生产的1WLED，发光颜色为近白色。在照明光源的设计中，光效率和光分布均匀性是最重要的两个因数，对于目前LED照明光源，基于自身的特点，还得特别考虑散热性能问题。为了得到均匀而亮度足够的照明效果，同时将灯的成本控制在合适范围内且散热良好，我设计了1种LED组合光源。如下图：-31- 4LED照明光源的制备该光源为3颗1W的LED元件，先贴装到MCPCB上，然后成对称分布组装到铝基板上，3颗LED为串联，驱动电压在10.5V左右，电流为1A，可作为射灯或露营灯。选用MCPCB是为了快速地将大功率LED产生的热量散失掉，从而保证其稳定发挥性能。MCPCB为铝、环氧树脂和铜箔组成的复合基板，具有非常高的热导率，它是将铜箔通过环氧树脂粘结到铝基板上，然后在铜箔上刻蚀出引线和焊盘。除了LED的选择及分布外，驱动电路也直接影响到LED光源性能的正常发挥。LED为直流工作元件，出射光强随正向电流变化比较大，为了出光均匀，应采用恒流驱动，但生活中恒压电源更容易获得，因此实际中LED的工作模式包括恒流与恒压两种。4.2LED光源驱动电路LED的亮度由流过的电流决定，在不损坏LED的情况下，一般二极管的亮度是随着流过LED电流的增加而变亮，流过LED电流的大小与亮度大致成正比，图4-1是我们使用的1WLED的相对光强与正向电流的关系。同种LED在恒流驱动下亮度一致，出射光均匀，但恒流电源的获取比较困难，一般是从恒压电源变换得到，这降低了整体驱动电路的效率并增加了成本。图4-1LED光强与正向电流的关系4.2.1LED连接方式的比较LED是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。有两种方法可以控制正向电流。第一种方法是采用LEDV-I曲线来确定产生预期正向电流所需要向LED-31- 4LED照明光源的制备施加的电压。其实现方法一般采用一个电压电源和一个镇流电阻器，如图4-2所示。但此方法有许多不足之处，LED正向电压的任何变化都会导致LED电流的变化。如果额定正向电压为3.6V，则图3-6中LED的电流为20mA。如果电压变为4.0V，这是温度或制造变化引起的特定压变，那么正向电流则降低到14mA。正向电压变化11％会导致更大的正向电流变化，达30％。另外，根据可用的输入电压，镇流电阻的压降和功耗会浪费功率和降低电池使用寿命。图4-2带镇流电阻的电压电源导致效率降低和正向电流失配在电源电压较为有限的应用场合，多个LED只能以并联方式工作。此时，按照传统的设计方法，通常须为每个LED配备独立的限流电阻，避免通过它们的电流出现差异，借以克服LED正向压降一致性差。但是这些电阻也会浪费功率，降低电路效率。 第二种方法、也是首选的LED电流调整方法是利用恒流电源来驱动LED。恒流电源可消除正向电压变化所导致的电流变化。因此可产生恒定的LED亮度，无论正向电流如何变化。产生恒流电源很容易。只需要调整通过电流检测电阻器的电压，而不用调整电源的输出电压。图4-2说明了这种方法。电源参考电压和电流检测电阻器值决定了LED电流。在驱动多个LED时，只需把它们串联就可以在每个LED中实现恒定电流。驱动并联LED需要在每个LED串中放置一个镇流电阻，这会导致效率降低和电流失配。-31- 4LED照明光源的制备图4-3驱动LED的恒流电源驱动白光LED的主要目标是产生正向电流通过组件，这可采用恒压源或恒流源来实现。图4-2是成本最低的解决方案，它将白光LED串联一个镇流电阻(RB)，再于电路的两端加上恒压源。然而这种方法有其缺点，镇流电阻会限制通过的电流，白光LED的非线性V-I曲线也让这种方法的稳流能力非常差；此外，只要外加电压或白光LED的正向电压(VF)有任何变动，白光LED的电流都会改变。当额定正向电压为3.6V时，会有20mA电流通过图4-2的白光LED，若温度或制程改变让此电压变为4.0V(仍在正常的3V至4V容差范围内)，正向电流就会下降至14mA；换言之，正向电压只要改变11%，正向电流就会出现30%的大幅度变动。这种白光LED电流的极端改变会影响显示器亮度，这是许多应用无法接受的。比较理想的白光LED驱动方式是采用恒流源，它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动，即使用可控制的恒定正向电流，就能提供可控制的恒定显示亮度。恒流源的产生非常简单，控制器不需将电源输出稳压，而是如图4-3所示，直接针对电流感测电阻的两端电压进行稳压，此时通过白光LED的电流是由电源供应的参考电压值和电流感测电阻值来决定。绝大多数显示器都需要多个白光LED，若设计人员要灵活地驱动多个白光LED，他们应将所有白光LED串联，确保每颗白光LED的电流都相同。-31- 4LED照明光源的制备4.2.2直流稳流电源所谓稳压电源，稳定的对象是电源的输出电压，当输入电压、负载、环境温度等外界条件在一定范围内变化时电源的输出电压基本保持不变。直流稳流电源与此正好相反。它稳定的对象是电源的输出电流。稳流电路有许多不同的电路型式，如参数稳流器、串联稳流器、开关稳流器等，其中参数稳流器和串联稳流应用比较广泛。参数稳流电源电路结构比较简单它主要分为恒流二极管稳流电源、恒流二极管稳流电源、晶体管稳流电源及电子管稳流电源等几种型式。如图4-4所示为恒流二极管稳流电源电路。该电源是利用恒流二极管的稳流特性进行稳流的，它仅需要一只恒流二极管，结构非常简单，具有较高的稳定性和可靠性。应用此电路时需要注意两点：一是恒流二极管的最高工作电压必须小于它的击穿电压；二是它的最小工作电压一定要大于起始电压。图4-4恒流二极管稳流电源从图4-4中不难看出，只有在负载电阻最小和输入电压最高时，恒流二极管两端的工作电压为最高。这里所说的最高和最低是指在允许变化的范围内最高界限和最低界限，并非是无穷大（开路）和趋于零（短路）两种极限。此时要使小于，即式中和是指输入电压和负载允许变化的范围，比如10％或20％。同理，当最低，最大时，最高，应满足大于，即-31- 4LED照明光源的制备在选用这种电路时，首先要按照所要求的负载电流选择恒流管，恒流管的恒定电流应大干负载电流。恒流管选定后可以根据恒流管手册给出的和值，应用上述两式求出输入电压。如果一只恒流管的恒定电流不能满足负载电流的需求时，可以采用图4-5所示的电路型式，用两只或多只恒流管并联，这种情况的负载电流是各个并联恒流管的恒定电流之和，对于击穿电压要取并联管的最小值，至于起始电压应取并联管的最大值。图4-5多只恒流二级管并联组成的稳流源由恒流二极管组成的稳流电源有一个问题，就是恒定电流不可调整，为此可使用由恒流三极管组成的稳流源电路。恒流三极管比恒流二极管多了一个控制栅级G。改变控制栅极与阴极间负偏压的大小就可以调整负载电流的大小。当等于零时，就是控制栅极和阴极短路，相当于一个恒流二极管。控制栅极与阴极之间开路时，没有输出电流。从电路上看，但流三极管稳流源比恒流二极管电路多了一个可变电阻RP。负载电流流过RP产生一个电压降，从而获得控制栅极与阴极间的负偏压，该偏压的大小可根据所需要的恒定电流的大小改变可调电阻RP的阻值来实现。-31- 4LED照明光源的制备图4-6简单晶体管稳流电路利用晶体管和电子管也可以设计稳流电源。图4-6是一个简单的晶体管稳流源电路。当晶体管的集电极与发射极之间的电压高于晶体管的饱和压降之后，的变化对集电极电流的影响就很小了。这就是晶体管稳流电源稳流的原理。由此可知在应用这种电路时，首先要从晶体管手册中查出所采用晶体管的饱和压降数据来，使晶体管集电极与发射极之间的电压高于饱和压降的数值，否则达不到稳流的目的。根据图4-6，可以写出如果晶体管的放大倍数足够大，稳压二极管的稳压值比晶体管的基极－发射极电压大得多，那么和两项就可以忽略不计，则上式可以简化归纳为：。这就是晶体管稳流电源的最基本的计算公式。4.3串联调整型稳流电源工作原理图4-7是串联调整型稳流电源的原理框图，它包括调整管、采样电阻、基准电压、误差比较放大器和辅助电源等部分。与串联调整型稳压电源相比有许多相似的地方，不同的地方主要在取样部分。稳压电源的取样电阻与负载并联叫做电压取样。稳流电源的取样与负载串联，称为电流取样。图4-7串联调整型稳流电源原理框图因为电流取样电阻比稳流电源整个回路中的输入电阻小得多，这样所有负载电流几乎全部流过电流取样电阻。想办法使的阻值稳定不变，上电压降的大小直接随负载电流变化。所谓稳流电源，实质上就是稳定取样电阻-31- 4LED照明光源的制备上的电压降。图4-8稳流电源自动调节模式稳流电源也是一个自动闭环调节环路，其调节模式如图4-8所示。调整管在反馈信号的推动下，将输出电流调节在设定值的范围内并保持基本不变。——系统对环内阻G——调整管VT的跨导K——误差放大器出压放大倍数——采样电阻——输入电压UI变化引起的电流变化——系统开环时变化电流——经反馈网络在调整管上转换的电流。当稳流电源的输人电压变化时，因为调整管有比较大的动态电阻，由此在回路中引起的电流变化比调整管被短路时要小得多。假设在调整管上的转换电流为，当作用到采样电阻上时，反馈网络立即作出响应并在反馈终端产生一个补偿电压。该补偿电压经调整管转换得到补偿电流，的大小视环路增益和调整管的跨导而定。在系统达到稳态时，回路仅存在一个极小的电流偏差，环路增益愈大，愈小。同理，当负载电阻变化时，也会引起电流偏差，该偏差与反馈环路增益大小有关。增益愈大，电流偏差就愈小，但绝对不可能为零。由自动调节原理可知，稳流电源的调节函数为：-31- 4LED照明光源的制备图4-9稳流电源常见的一种形式图4-9是稳流电源最常见的一种形式，其中采样电阻串连在功率回路里，作为回路电流的采样元件。它把回路电流转换成电压信号，并与基准电压在误差放大器中进行比较放大，然后将其送至调整管VT的基极，驱动调整管VT对输出电流变化进行补偿校正。是输出端的附加电阻，它的作用是旁路调整管的不可控制的穿透电流，特别是当调整管功率较大时，负载较轻或空载时，比较大的能迫使输出端电压达到整流电压所能供给的最大值，引起严重的过压。另外，在输出电流下限附近，由于调整营的在输出电流中所占的比例较大，输出电流的稳定性能将严重恶化。在输出端设置一个后，因要流过一定量的电流（根据调整管的穿透电流和输出电流下限值来确定），可以排除这种不良影响。但是作为一个通道来说，对输出到负载的电流以及反馈信号电流都具有分流作用，对稳流电源的稳定性能或多或少会有影响。因为稳流电源的输人电压变化引起整个回路的电流变化都经过采样电阻，使负载电阻和输出端电阻上的电流得到相同比例的校正，输山电流的稳定度同不存在时一样。但是负载电阻变化时造成的信号电流与没有时相比要小。就是说，采样电阻上的信号电压被削弱，造成电流补偿不足，因此会使稳流电源的稳定性能变差。所以在引人时应该慎重，应尽可能取较大的数值。在稳流电源中，基准电压是比较重要的组成部分，它的好坏直接影响着电源稳定性能。它的不稳定因素主要是由温度造成的。因此，一般都要选用低温度系数稳压管做基准电压源，要求稳定度较高的稳流电源还需采取恒温措施，将外界温度变化影响降低到最小。如果基准电压是从比高得多的稳压管上电阻分压得到，还要选用稳定性较好的电阻器，-31- 4LED照明光源的制备以减小分压器对基准电压的影响。此外，还要对稳压管做严格的老化和筛选工作，要选用温度漂移较小的稳压管。取样电阻对稳流电源的稳定性能的影响与基准电压影响大体相同。在稳流电源中要承受较大的功率损耗，温升高，阻值变化也就比较大。解决的办法一方面是选择低温度系数的电阻材料，且要进行严格的热处理工艺，保证电阻材料性能稳定。同时在电阻结构设计上要考虑冷却措施。保证在长时间工作时温升不要太高以便提高电阻的稳定性。除了用电阻取样外，在输出电流较大的情况下，也可以采用电流比较仪取样。这种方法不消耗电源功率，稳定性也比电阻取样高，是在大负载电流时一种较好的取样方法。误差放人器对稳流电源的性能影响也是至关重要的，它的作用及其原理与稳压电源中的放大器大致相同，可以选用低漂移、低噪声运算放大器也可以采用斩波放大器、双通道放大器等结构比较复杂的电路。4.4便携式LED采用的驱动设备在要求移动的照明领域，比如汽车光源、露营灯、便携设备的照明等，驱动电源一般为汽车电池（12V）或2-4节干电池或者能提供更大电流的18650锂电池。对我们设计的LED灯，均可采用这种驱动电源，比如用作露营灯的光源可采用汽车电源，普通照明手电可采用多节电池。目前市场上有专门针对电池供电、驱动多个大功率LED的IC，比如AMC7135与AMC7150.其中AMC7135是一款350mA超低压差稳流器,主要应用于手电筒照明.AMC7135能以350mA恒定电流输出推动1W的高功率LED,达到稳定亮度、增加电池总输出功率的效果.其超低压差、低静态电流特性更延长了电池操作时间.无须任何外接组件,并具有输出短路/开路保护与内建过热保护装置,适合应用在要求体积小与密闭空间的LED手电筒,矿灯。图4-10为一个实际应用的3*7135电路板及组件。下面介绍AMC7135及AMC7150芯片的原理。-31- 4LED照明光源的制备图4-10一个实际的3*7135电路图4-11AMC7135芯片原理图及引脚用途-31- 4LED照明光源的制备该芯片为美国进口，共有两种不同的引脚形式，但这两种不同形式形式的芯片的引脚用途完全相同，如图4-12。其中VDD的范围-0.3V-7V，范围为-0.3V-7V，图4-11。最大耐热260°，正常工作温度为-40°-150°。该芯片内部结构简单，仅为有个控制电路和一个时钟电路，并且控制电路通过一个MOS管输出。在实际使用中，因为单节18650锂电的电压为4.2V，因此，在不使用容阻降压时，只能使用1节锂电供电。并且该芯片的的大小与输出电流有直接关系，当为0.2V时，输出电流平均为320mA，峰值为340mA。图4-12AMC7135的两种不同封装AMC7150则是1.5A高功率LED驱动IC,主要应用于一般LED照明与汽车LED辅助照明.AMC7150则内建PWM(脉冲宽度调变)与功率晶体管,只需五颗外部零件.该组件输入工作电压在4V~40V间,最高驱动电流达1.5安培,可以驱动24W的高功率LED.工作频率可由外部电容控制而达200KHz,只要调整外部电阻值即可达到变更输出电流的目的。图4-13为AMC7150驱动一个LED灯时的电路图。-31- 4LED照明光源的制备图4-13AMC7150芯片及引脚用途其中，CIN为47uF，电压为16V，为680-820pF，为0.87。L为220uH。当该电路需要驱动2个甚至3个串联或者并联的LED灯的时候，仅需要改变的值，其余的元件的参数均不需要改变，如驱动2个串联LED灯的时候，取0.83，驱动3个并联的LED灯的时候，取0.92.4.5照明光源的组装光源设计和驱动电路选择完成后，接下来是光源的组装。首先将1W和3W的LED切筋、整形，按照组合光源设计要求，焊接到剪裁好的MCPCB上。MCPCB露出的导热区和焊盘上都镀有Ni，可焊性比较好。焊接前，在每颗LED的热沉上先涂覆适量的导热硅脂，使其与基板紧密接触，以利于芯片上的热量迅速地传递到基板上，焊接时间控制在5s以内，以免损害芯片，焊接材料为共晶SnPb焊丝。图4-14组合光源的基板设计高亮度LED插装到PCB上后，焊接牢固并测试导通性能，接着用剪刀修整引脚，最后将所有的LED元件按照设计要求完成电互连。因为LED原始的发光角度是180°，如不进行很好的聚光罩设计，其用途几乎为零。因此LED-31- 4LED照明光源的制备组合光源互连好后，需要选择合适的光学元件，对出射光路径进行约束，从而在需照亮的区域形成满意的照度和光斑形状。光学元件也作为灯罩保护LED光源，并获得美观的灯具外形。合适的光学元件能让灯具在一定的高度时，被照面照度均匀，无亮度分界线感觉。4.6实验测试与结果分析4.6.1LED照明灯测试与分析在实际测试中发现，当电压达到6V以上时，LED灯已经可以点燃，但是流明严重不足，发出的光较暗。当电压升到额定的10.5V时，LED灯发光正常，工作电流约为960mA。当电压继续升高时，LED灯仍能正常工作，并且流明明显增高，但是同时发热量急剧增大，电流达到1200mA，为保证LED灯泡的安全，当电压达到16V后，未继续加大电压。图4-15处于10.5V电压时的LED照明灯根据测试数据计算表明，LED照明灯有一定的超压工作潜力，并且当电压达到额定电压的1.5倍时流明基本达到极限，并且能够在该电压下安全工作。但是要特别注意升高电压时电流增大的问题，适当时可以添加限流电阻。4.6.2聚光罩对LED照明效果的影响单纯的一颗LED发出的光是180°发散的，这就对其使用提出了相当大的限制。因此，实际应用中的LED照明灯必须有聚光罩，并且该聚光罩还应具有较高的透明性和反射性。对此的证明属于光学的范畴，超出了本论文的研究范围，因此仅以两张图片表明聚光罩的重要性：-31- 4LED照明光源的制备图4-16未使用聚光罩，灯泡散射范围大，照明距离小图4-17使用聚光罩后，照明距离大大增加-31-4LED照明光源的制备-31-5LED的散热问题及解决方案-33- 5LED的散热问题及解决方案5LED的散热问题及解决方案5.1热对LED的影响为了适应通用照明的需要，LED光源的光通量不断提高，而发热量也迅速增加。这些热量源于电子和空穴非辐射复合引发的点阵振动以及材料对光子的吸收，大约占LED消耗功率的85-90％。芯片过热除了导致2.2节提到的颜色漂移外，还使得LED的发光效率降低、封装结构的强度下降和封装体积增大，并且大大降低了LED的使用寿命[45,46]。据有关资料分析，LED光源大约70%的故障来自于LEDs的温度过高，并且在负载为额定功率的一半的情况下，温度每升高20℃，故障率就上升一倍。因此研究LED光源的散热性能，提出解决散热问题措施对于提高LED光源的性能有非常重要的意义。5.2LED光源的热传导和疏散通常来说，LED照明光源需要解决下面三个环节的散热问题：1.芯片到元件热沉；2.元件热沉到封装基板；3.封装基板到外部冷却环境（如空气）。它们层层相连，散热面积逐渐扩展，其中任何一个环节传热不畅都将极大地影响光源整体的散热性能。热量的传递方式有传导、对流和辐射三种，对LED光源，由于其工作温度不是很高（一般要求<125℃），热辐射散热可以忽略，因此其一、二环节主要以传导方式散热，第三环节则以对流散热为主。5.3实际制作的LED散热器及测试在这次制作中，共测试了两种散热器，其中一种为LED专用散热器，该散热器为太阳花结构，能够完全散开3颗1W的LED发出的热量，并且经过实际测试，当使用专用导热硅胶使铝基板和其良好接触时，散热效果较好，即使长时间使用，也不会使LED因高温烧毁，是一种极为有效的散热方式，并且外形美观，价格适中，可以在实际中大规模应用。-33- 5LED的散热问题及解决方案图5-1加装散热器的LED照明灯另一种为使用废弃的台式电脑CPU散热器进行改装，但是在实际制作过程中遇到在铝块上钻孔的困难，导致铝基板不能固定在散热器上面，只能使用导热硅胶进行固定，但是及其不牢固。并且由于CPU散热器的鳍较少，并且较厚，所以并不能很好的传导热量，导致和基板的接触面温度较高而其他地方温度基本未变，因此散热效果一般，导致不能长时间的点燃LED，但是该问题能使用加装风扇解决，这样就导致成本大幅度提高，实用价值不高。-33-5LED的散热问题及解决方案-33-结论-35- 结论6结论本论文对LED应用于照明光源做了一些研究工作，包括光源的组装与测试。主要的结论如下：1.研究了LED光源在照明领域的应用，对LED封装与组装技术的发展进行了归纳，指出了新兴的多芯片封装技术在LED照明光源上的应用可行性。2.分析了LED光源的相关光电参数及其测试原理。基于提高发光效率和有利散热等要求，设计并组装了LED光源样品，并进行了测试。通过平均平面照度法计算了其光通量及发光效率，证明了此方法在光源光通量计算上的可行性及实用性。3.在组装LED光源过程中，发现单纯采用小功率高亮度LED或大功率LED制备的光源存在着光通量低、成本过高和/或散热不理想等方面的问题，而高亮度LED与大功率LED组合封装的光源则在发光量、发光效率、成本以及散热方面有相对的优势，可应用于目前的照明市场。4.比较了2种用于不同电压的LED驱动，分析了各种驱动的使用范围及电学参数。并将其中一种用于制作LED组合照明灯。5.比较了两种不同的散热器的优劣及对LED照明灯的散热效果的好坏，并且自己制作了一个散热器并通过实际应用，证明了其有效性。-35-结论-35-参考文献-35-参考文献-35- 参考文献参考文献[1]应根裕,胡文波,邱勇等.平板显示技术.北京：人民邮电出版社,2002.[2]路绍全.LED照明——半导体的又一次革命.灯与照明.2002,26(4):13-20[3]雷玉堂,黎慧.未来的照明光源——白光LED技术及其发展.光学与光电技术,2003,15:33-34.[4]李卓,朱崇恩,刘小鸿.固态发光器件前景光明.中国照明电器，2003,7:11-13.[5]崔元日,潘苏予.第四代照明光源——白光LE.灯与照明,2004,28(2):31-34.[6]中国绿色照明项目促进办公室.中国绿色照明工程实施展望.中国能源,2004,26(7):36-39.[7]白杉,予荫.半导体灯掀起照明的绿色革命.光源与照明，2004,5(1):42-43.[8]易安.半导体照明——21世纪的节能新能源.中国创业投资与新科技,2004.8.[9]http：//www.lisigi.com/lamps/jszc1.htm[10]http://www.emailthis.clickability.com.3-DLEDArrayPackagesOfferWideViewingAngle.[11]徐敏,尹周平,丁汉等.基于毛细管力流体自装配系统的建模与仿真.中国机械工程,2004,15(2):139-143.[12]鲍超.发光二极管测试技术和标准.物理,2003,32(5):319-324.[13]甘彬,冯红年,金尚忠.大功率白色发光二极管的特性研究.光学仪器,2005,27（5）:33-37.[14]金尚忠,王东辉,周文等.发光二极管光谱参数测试方法的研究.光电子·激光,2002,13(8):825-827.[15]朴大植,吕亮等.发光二极管（LED）国家光度标准的研究.现代计量测试,2002,10(1):18-21.[16]周太明.光源原理与设计.上海.复旦大学出版社:1993.[17]王晓东.电器照明技术.北京.机械工业出版社:2004.[18]陈康.电流控制模式白光LED驱动芯片设计[D].电子科技大学.[19]李茂华.大功率LED驱动控制研究[D].西南交通大学.[20]雷小红.一种驱动白光LED的高效升压DC-DC转换电路中的控制电路研究[D].电子科技大学.[21]毕查德.拉扎维（美）著，陈贵灿等译.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.[22]半导体LED照明光源技术的进展与前景[J].稀土信息，2006年12:32-33.[23]方佩敏.白色LED驱动器的发展概况[J].今日电子.2005年第9期：54-59.[24]庞蕴凡，《视觉与照明》，北京:中国铁道出版社，p50一54(1993)[25]赵振民，《照明工程设计手册》，天津:天津科技出版社(2001)[26]孙建民，《电器照明技术》，北京:中国建筑工业技术出版社，p100-102(1998)[27]俞丽华、朱桐城，《电器照明》，上海:同济大学出版社(1990)[28]顾国维，((绿色技术及其应用》，上海:同济大学出版社(1999)-35-参考文献-35- 致谢致谢首先，衷心感谢我的导师陈勇副教授及成都学院的老师们，在我完成毕业设计的过程中，他们给予了悉心指导和大力支持，他们的渊博的知识和严谨的治学作风给我留下了深刻的印象。感谢微电子系05级3班的同学，他们不仅在工具的使用、资料的查找和理论分析方面给了极大的帮助和支持，而且一起进行讨论研究，深化了我对课题的认识，并在实物制作的过程中提供了指导，没有这些老师和同学所得帮助，也就没有本课题的顺利完成。同时，对四年来一直给予我关心和帮助的微电子技术系全体老师和同学表示衷心的感谢！感谢我的父母和家人的支持。感谢在百忙之中抽出时间参加论文评阅的各位专家。-37-致谢-37-外文资料原文-37- 外文资料原文外文资料原文LEDhistory50yearsago,peoplehavetounderstandsemiconductormaterialscanproducelightofthebasicknowledge,thefirstcommercialdiodesin1960.EnglishistheLEDlightemittingdiode(LED)acronym,anditsbasicstructureisanelectroluminescentsemiconductormaterials,placedinawirerack,thensealedwithepoxyresinaround,thatis,solidpackage,Therefore,theprotectionoftheinternalbatteriescanplaytheroleofline,sotheseismicperformanceLEDgood.LEDisthecoreoftheP-typesemiconductorandcomponentsoftheN-typesemiconductorchips,theP-typesemiconductorandN-typesemiconductorbetweenatransitionlayers,calledthePNjunction.InsomesemiconductormaterialsinthePNjunction,theinjectionofasmallnumberofcarrier-carrierandthemajorityoftheextratimewillbeintheformoflightenergytorelease,thusthepowertodirectconversionofsolarenergy.PNjunctiononreversevoltage,afewhard-carrierinjection,itisnotluminous.Thisuseofinjectionelectroluminescentdiodesisproducedbytheprincipleoflight-emittingdiodes,commonlyknownasLED.Whenitinapositivestateofthework(thatis,atbothendswithforwardvoltage),thecurrentflowsfromtheLEDanode,cathode,semiconductorcrystalsontheissuefromtheultraviolettoinfraredlightofdifferentcolors,lightandthestrengthofthecurrents.InstrumentsusedforthefirstLEDlightsourceinstructions,butallkindsoflightcoloredLEDlightsintrafficandlargescreenhasbeenwidelyapplied,haveverygoodeconomicandsocialbenefits.The12-inchredtrafficlightsasanexample,isusedintheUnitedStateshavelonglife,low-efficiency140wattincandescentlampasalightsource,itproduced2,000lumensofwhitelight.Theredfilter,theloss-90percent,only200lumensofredlight.Inthelightofthenewdesign,Lumiledscompanieshave18redLEDlightsource,includingthelossofcircuit,atotalpowerconsumptionof14wattstogeneratethesameopticaleffect.AutomotiveLEDlightsarealsothesourceofimportantareas.Forgenerallighting,peopleneedmorewhitelightsources.The1998whiteLEDsuccessfuldevelopment.ThisistheGaNLEDchipandYttriumAluminumGarnet(YAG)packagetogethercause.GaNchipoftheBlu-ray(λp=465nm,Wd=30nm),madeofhigh-temperaturesinteringoftheCe3+YAGphosphorsexcitedbythisBlu-rayafterirradiatingayellow,thepeak550nm.Blue-chipinstalledintheLED-basedWanxingreflectioninthecavity,coveredwitharesinmixedwithYAGthinlayer,about200-500nm.LED-basedtabletsissuedbytheBlu-rayabsorptionpartofthephosphor,thephosphoranotherpartoftheBlu-rayandayellowlightmixed,-37- 外文资料原文canbeawhite.Now,theInGaN/YAGwhiteLED,YAGphosphorbychangingthechemicalcompositionofthephosphorlayerandadjustthethicknessofthe3500-10000Kcolortemperaturecanbecoloredwhite.ThisblueLEDthroughthemethodbywhite,constructedsimple,low-cost,hightechnologyismature,sousethemost.Inthe1960s,theuseofscienceandtechnologyworkerssemiconductorPNjunctionofTheprincipleofdevelopingaLEDlight-emittingdiodes.Atthattime,thedevelopmentofLED,thematerialsusedareGaASP,itsluminouscolorisred.Afternearly30yearsofdevelopment,andnowweareveryfamiliarwiththeLED,hasbeensenttored,orange,yellow,green,blue,andothershade.HoweverlightingnecessaryforwhiteLEDlightonlyinrecentyearstodevelop,readersheretotellusaboutlightingwithwhiteLED.-37- 译文中文译文LED历史50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结施加反向电压时，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在近年才发展起来，这里介绍有关照明用白光LED。-37- 译文-37-'