LED照明燈的設(shè)計(jì)制作 精品.doc

1引 言1.1半導(dǎo)體照明光源的提出隨著全球能源價(jià)格的飛漲和供應(yīng)不穩(wěn)定，世界各國紛紛尋求各種節(jié)能方法，以減輕對(duì)能源的過度依賴。這其中，占電能終端消費(fèi)量近20的照明用電很有發(fā)掘潛力。據(jù)檢索，20XX年中國累計(jì)發(fā)電21870億度，照明用電約占其中的15；美國20XX年照明用電6000億度，占發(fā)電總量的約20。由于人們生活對(duì)電的嚴(yán)重依賴以及對(duì)電力需求量的逐年攀升，電力供應(yīng)不足或中斷會(huì)對(duì)人們生活造成巨大的影響，近年來中國不斷惡化的拉閘限電趨勢以及2000年美國和加拿大的大停電等都說明了這一點(diǎn)。現(xiàn)在，隨著半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)的進(jìn)步，人們將照明節(jié)電的希望寄托在一種新型的照明光源固態(tài)照明光源（Solid State Lighting,SSL）上。SSL主要包括無機(jī)發(fā)光二極管（Light Emitting Diodes, LED）和有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diodes, LED）。目前LED的亮度較OLED高，其發(fā)光效率和發(fā)光量提高很快，特別是可用作照明的大功率發(fā)光二極管（High-Power Light Emitting Diodes），其發(fā)光效率已經(jīng)超過白熾燈，并向熒光燈的水平邁進(jìn)，單顆芯片的輸入功率已可達(dá)5W，甚至10W的水準(zhǔn)，而其發(fā)光量已超過100流明。作為充滿希望的新一代照明光源，LED具有很多特點(diǎn)：它不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上可以達(dá)到白熾燈10%的能耗，相比熒光燈，LED也可以達(dá)到50%的節(jié)能效果；LED為固體封裝，結(jié)構(gòu)牢固，使用壽命長達(dá)10萬小時(shí)以上，是熒光燈的10倍，且廢棄物不含汞，不會(huì)造成二次污染。根據(jù)美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)（OIDA）的研究，LED照明光源潛在的優(yōu)點(diǎn)包括：到2025年，估計(jì)全球范圍內(nèi)由于使用SSL而將節(jié)約50的照明電能，沒有任何一種其它的電能消耗行業(yè)具有如此大的節(jié)能潛力。由于大多數(shù)電能來自燃燒礦物燃料，因此節(jié)約的電能就相當(dāng)于每年少向大氣中排放幾億噸的碳化物（CO，CO2等）等污染源。不僅減輕對(duì)環(huán)境的壓力，還能節(jié)約對(duì)電站的投資和巨大的照明支出費(fèi)用。SSL代表了一種新型的照明光源，它將改變?nèi)藗儗?duì)人工照明光源的看法，并創(chuàng)造一個(gè)年產(chǎn)值近500億美元的產(chǎn)業(yè)。燈光設(shè)計(jì)師能將結(jié)構(gòu)精巧、式樣新穎的LEDs以面陣列的形式，以任何圖案和外形組裝在門上、墻上、天花板上，甚至嵌入在家具中，形成無器具感的明亮均勻照明。因此，作為一種新型綠色照明光源，LED，特別是有望進(jìn)入通用照明領(lǐng)域的大功率白光LED引起了人們廣泛的關(guān)注和深入的研究，它很有可能在不久的將來取代熒光燈等傳統(tǒng)光源，成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈和高壓放電燈（High Intensity Discharge，HID）之后的第四代人工照明光源。1.2 LED的特性1.2.1 LED發(fā)光原理發(fā)光二極管是由族化合物，如GaAs、AlGaInN、GaAsP等半導(dǎo)體材料在襯底（藍(lán)寶石，硅或SiC等）上外延生長而成，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)，其核心是PN結(jié)。PN結(jié)是攜帶電子的n型半導(dǎo)體和攜帶空穴的p型半導(dǎo)體間的過渡層。當(dāng)p層加上正向電壓而n層加上負(fù)向電壓，電子就從n層流入p層，空穴從p層遷入n層。在p層中電子較少而存在大量的空穴，反之在n層中，空穴較少而存在大量的電子。這些電子與空穴的區(qū)別是其能量與動(dòng)量的不同，能量之差稱之為半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg。導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴相互復(fù)合時(shí)，要釋放出多余的能量。放出能量的方式有兩大類： 射光子，成為輻射復(fù)合；不發(fā)射光子，成為非輻射復(fù)合，最后轉(zhuǎn)換為熱能或激發(fā)別的載流子。在熱平衡狀態(tài)下存在著熱激發(fā)與載流子間復(fù)合的平衡。由于不管是p區(qū)還是n區(qū)中少數(shù)載流子（少子）密度都很小，這種復(fù)合是很弱的。即使有輻射復(fù)合，由于材料的本征吸收，從外部是觀察不到光發(fā)射的。必須在半導(dǎo)體內(nèi)激發(fā)載流子，形成不平衡載流子，即需正向電流注入，它們的復(fù)合才會(huì)導(dǎo)致顯著的光發(fā)射,實(shí)現(xiàn)電能向光能的直接轉(zhuǎn)換，如圖1-1所示。圖1-1 LED發(fā)光原理圖為了獲得高的發(fā)光效率，需要保證以下幾點(diǎn)：無輻射復(fù)合的壽命要長于輻射復(fù)合的壽命，為此需要提高少子的密度；要使晶體中的缺陷密度盡可能少而使注入的載流子密度高，一般是把帶隙寬度小的發(fā)光層夾到禁帶寬度大的層內(nèi)，制成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即 （nm），式中Eg的單位為電子伏特（eV），若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.261.63eV之間。目前已開發(fā)出發(fā)射紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光的發(fā)光二管，其中藍(lán)光二極管是近來人們研究的重點(diǎn)，它具有輸入功率大、發(fā)光亮度高、易于轉(zhuǎn)換得到白光等優(yōu)點(diǎn)，是大功率發(fā)光二極管的主要代表。1.2.2 LED的優(yōu)點(diǎn)LED是一種新型的光源，目前廣泛用于指示性照明和特種照明市場上，隨著性能的不斷提高，正向通用照明光源的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)人工照明光源相比，LED照明光源具有很多優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮螅篈發(fā)光效率高：基于特別的材料構(gòu)成，在電子轉(zhuǎn)移的過程中，LED釋放的能量主要集中在可見光范圍內(nèi)，不像鎢絲燈發(fā)出的電磁能很多集中在紅外線區(qū)，令人感覺到非常熱。也就是說，理論上LED幾乎能把所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能，而白熾燈的可見光效率僅為10-20%?，F(xiàn)在商品化的LED的發(fā)光效率已超過35流明每瓦，這幾乎是鎢絲燈泡的兩倍。B光線質(zhì)量高：由于光譜中幾乎沒有紫外線和紅外線，故沒有輻射，產(chǎn)生的熱量很小，LED屬于典型的綠色照明光源。C光色純：與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光線很純。D LED光源顏色豐富：既有白色的LED，也有發(fā)各種單色光的LED，而且顏色飽和度高，在需要色光的場合，不再需要用濾色片來進(jìn)行濾光，有利于節(jié)約電能。E能耗?。簡误wLED的功率一般在0.05-3W，通過集群方式可以量體裁衣地滿足不同的需要，浪費(fèi)很少。F壽命長：目前光通量衰減到70%的標(biāo)稱壽命為10萬小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈的1500小時(shí)和熒光燈的1萬小時(shí)。G可靠耐用：沒有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，非正常報(bào)廢的可能性很小，維護(hù)費(fèi)用極為低廉。H應(yīng)用靈活：體積小，可平面封裝，易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品，目前封裝后LED的厚度可小于1mm，易于做成點(diǎn)、線、面等各種形式的具體應(yīng)用產(chǎn)品。I綠色環(huán)保：廢棄物可回收，沒有污染，不像熒光燈含有汞等有害成分。1.2.3 LED的發(fā)展與分類最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（p=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1 lm/W。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生了綠光（p=555nm）、黃光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效也提高到1 lm/W。到80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10lm/W。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著氮化物L(fēng)ED的發(fā)明，LED的發(fā)光效率有了質(zhì)的飛躍，而組成白光的重要原色藍(lán)光，也在1992年由日本著名LED企業(yè)日亞化學(xué)的中村修二發(fā)明7。這樣整個(gè)可見光波譜內(nèi)的單色LED已經(jīng)完整，能夠滿足各種單色發(fā)光的應(yīng)用場所。A發(fā)光顏色從出光顏色上可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)光、白光等。B按發(fā)光強(qiáng)度分按發(fā)光強(qiáng)度分有普通亮度的LED(發(fā)光強(qiáng)度l00mcd)，發(fā)光強(qiáng)度在10000mcd以上的稱超高亮度發(fā)光二極管。C按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm,4.4mm,5mm,8mm,10mm及20mm等。人們通常把3mm的LED記作T-1，把5mm的記作T-1(3/4)。D按發(fā)光強(qiáng)度角來分從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分有三種：高指向型，標(biāo)準(zhǔn)型和散射型。高指向型一般為尖頭形環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑，半強(qiáng)度角為50-200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；標(biāo)準(zhǔn)型的半強(qiáng)度角為200-450，通常作指示燈用；而散射型的半強(qiáng)度角為450-900或更大，散射劑的量較大。1.3 LED照明現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢LED的研制起始于上世紀(jì)六十年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其出光顏色的種類、芯片尺寸、發(fā)光效率、輸入功率和封裝結(jié)構(gòu)等都有了很大的飛躍。最初，LED的發(fā)光量很小，主要采用支架式封裝，應(yīng)用于電子電氣、自動(dòng)化系統(tǒng)、家用電氣和交通運(yùn)輸工具等上面作指示性照明。進(jìn)入90年代，隨著LED制造材料的革新、工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐漸進(jìn)入市場并占據(jù)重要地位。1998年，藍(lán)色和白光LED研制成功，LED照明進(jìn)入了實(shí)施階段。此后國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)高亮度LED器件中存在的散熱、光衰和顯色指數(shù)的控制等重大問題進(jìn)行了深入的研究，獲得了很大的進(jìn)步，其發(fā)光效率迅速提高，高亮度LED顯示出在照明領(lǐng)域的巨大潛力。1.3.1大功率LED的研發(fā)計(jì)劃如上所述，LED照明光源具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，特別是自1998年白光LED發(fā)明后，人們認(rèn)識(shí)到了大功率白光LED在普通照明領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?，紛紛加大研究投入，從而掀起了了一場新的產(chǎn)業(yè)革命照明革命，其標(biāo)志是半導(dǎo)體燈逐步替代白熾燈和熒光燈。科學(xué)界預(yù)測，到20XX年，光電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平；20XX年至20XX年，光電子產(chǎn)業(yè)可能會(huì)取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)，成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)，并成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力的重要標(biāo)志。因此各國紛紛制定了相應(yīng)的扶持發(fā)展半導(dǎo)體照明的計(jì)劃：日本于1998年在世界率先開展“21世紀(jì)照明”計(jì)劃，旨在通過使用長壽命、更薄更輕的GaN高效藍(lán)光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到傳統(tǒng)熒光燈的兩倍，減少CO2的產(chǎn)生，并在20XX年完成用LED替代50%的傳統(tǒng)照明光源的目標(biāo)9。整個(gè)計(jì)劃的財(cái)政預(yù)算為60億日元。從1998-20XX年，耗資50億日元的第一期目標(biāo)已經(jīng)完成。現(xiàn)在，日本正在實(shí)施第二期計(jì)劃，計(jì)劃到20XX年將LED的發(fā)光效率提高到120 lm/W。美國能源部于20XX年7月提出了“新一代照明光源計(jì)劃”，決定從200020XX年投入5億美元，用于LED照明光源的開發(fā)與應(yīng)用研究。為了指導(dǎo)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)（OIDA）制定了相應(yīng)的技術(shù)路線圖，計(jì)劃到20XX年，將LED的發(fā)光效率提高到200lm/W，而照明成本降低到3美元，如下表。歐盟于2000年7月啟動(dòng)了扶持半導(dǎo)體照明發(fā)展的“彩虹計(jì)劃”，決定通過歐盟的補(bǔ)助金來推廣白光發(fā)光二極管的應(yīng)用。希望通過該計(jì)劃實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、不使用有害環(huán)境的材料、模擬自然光的半導(dǎo)體照明。韓國則推出了“GaN半導(dǎo)體開發(fā)計(jì)劃”，擬從2000年至20XX年，由政府投入4.72億美元，企業(yè)投入7.36億美元來進(jìn)行該計(jì)劃的開發(fā)實(shí)施。其研究項(xiàng)目包括以GaN為研究材料的白光LED，藍(lán)、綠光激光二極管及高功率電子組件三大領(lǐng)域。中國大陸于20XX年6月17日，由中國科技部牽頭成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組”，提出了我國實(shí)施半導(dǎo)體照明工程的總體方針，并緊急啟動(dòng)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)重大項(xiàng)目，要求在十五計(jì)劃底，結(jié)合制定國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃和第十一個(gè)科技五年計(jì)劃，研究提出中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體戰(zhàn)略和實(shí)施方案。從20XX年的“十一五”開始，國家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大工程進(jìn)行推動(dòng)，這對(duì)于節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，提高照明質(zhì)量具有重要的意義。除了各國政府制定的宏觀發(fā)展計(jì)劃，在這場照明變革中，各大相關(guān)企業(yè)也推出了自己的研發(fā)計(jì)劃。世界三大照明工業(yè)巨頭通用電氣（GE）、飛利浦（Philips）和歐斯朗(OSRAM)集團(tuán)都已經(jīng)啟動(dòng)了大規(guī)模商用開發(fā)計(jì)劃，紛紛與半導(dǎo)體公司合作或進(jìn)行并購，成立半導(dǎo)體照明企業(yè)：全球最大的照明光源廠商Philips lighting公司于1999年7月與美國HP-Agilent技術(shù)公司合作投資1.5億美元，成立了Lumileds公司致力于白光LED研發(fā)工作，其Luxeon系列高亮度LED已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，生產(chǎn)的芯片尺寸為1平方毫米、功率為1w和5w的白光LED光通量分別達(dá)到45lm和180lm；美國Cree、德國Siemens光電公司與Osram GmbH聯(lián)合，進(jìn)行白光LED光源的開發(fā)研究工作；日本的Toshiba和Honda也進(jìn)行LED聯(lián)合研發(fā)等。1.3.2 LED應(yīng)用于照明的發(fā)展LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。自1998年白光LED研制成功以后，LED照明才真正進(jìn)入了實(shí)施階段。在各國半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃的大力激勵(lì)下，各研究實(shí)體加倍努力，可應(yīng)用于照明的高亮度LED的性能獲得了很快的提高。目前單顆高亮度白光LED芯片的發(fā)光效率已超過50lm/W，而輸入功率則超過3W。其實(shí)在LED產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，也有類似微電子領(lǐng)域的摩爾定律。安捷倫的前任技術(shù)科學(xué)家Roland Haitz預(yù)測，LED的價(jià)格每十年將為原來的十分之一，性能則提高二十倍，這個(gè)預(yù)測后來被業(yè)界稱為Haitz定律，如圖1-3所示。這個(gè)預(yù)測給未來的LED照明產(chǎn)業(yè)預(yù)示了無限美好的前景，特別在目前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED照明光源給人們更多的期待。圖1-3 Haitz預(yù)測的LED性能與價(jià)格發(fā)展趨勢LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域，涉及到材料器件研制、散熱設(shè)計(jì)、光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝材料以及測試方法等眾多科技領(lǐng)域。目前LED照明光源已經(jīng)在特種照明領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，比如應(yīng)急照明、裝飾照明、景觀照明等，但進(jìn)入通用照明領(lǐng)域才是發(fā)揮LED巨大節(jié)能潛力的目標(biāo)。隨著LED性能的迅速提高，價(jià)格的不斷下降，LED光源取代白熾燈和熒光燈必將很快實(shí)現(xiàn)。我國是照明燈具生產(chǎn)大國，在這場興起的半導(dǎo)體照明變革中，一定要抓住機(jī)會(huì)?？萍疾俊皣野雽?dǎo)體照明工程”計(jì)劃20XX年半導(dǎo)體照明逐步取代白熾燈，20XX年后取代熒光燈。據(jù)推測，在汽車尾燈、交通燈、公共設(shè)施以及家庭照明需求的帶動(dòng)下，20XX-20XX年我國高亮度發(fā)光管芯市場規(guī)模將保持年均將近25的增長速度，到20XX年我國高亮度LED管芯市場將會(huì)突破20億元。1.4相關(guān)光度學(xué)參數(shù)簡LED照明涉及到光度學(xué)方面的知識(shí)，先做一介紹。光度學(xué)是1706年由朗伯建立的,它是研究光的發(fā)射、傳播、吸收和散射等過程中光的計(jì)量問題的學(xué)科，也即對(duì)可見光的能量計(jì)量的學(xué)科，研究各種光量，如發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度等的定義及其單位的選定，以及它們之間的關(guān)系等。了解光度學(xué)中相關(guān)的參數(shù)是光源計(jì)量與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。視見率：又稱“光譜光視效率”,表示不同波長的光對(duì)人眼的視覺靈敏度。能引起人視覺感應(yīng)的可見光波長在380780nm之間,實(shí)驗(yàn)表明：正常視力的觀察者，對(duì)波長5.5510-7米(555nm)的黃綠色光最敏感，而對(duì)紫外光和紅外光，則無視力感覺。取人眼對(duì)波長為5.5510-7米的黃綠光的視見率為1，其他波長的可見光的視見率均小于1，紅外光和紫外光的視見率為零。某波長的光的視見率與波長為5.510-7米的黃綠光視見率的比稱為該波長的相對(duì)視見率。光通量：人眼所能感覺到的輻射能量，反映了一個(gè)光源所發(fā)出的光輻射能所引起的人眼光亮感覺的能力。它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見率的乘積，單位為流明(lm)：光通量(lm)=683視見率輻射能量(W)。1.5本課題的研究內(nèi)容大功率LED作為半導(dǎo)體照明光源的代表，其技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用受到人們注。隨著發(fā)光效率的提高和輸入功率的增加，高亮度LED已進(jìn)入景觀照明明領(lǐng)域，并逐漸向通用照明市場發(fā)展。本課題主要圍繞高亮度LED照明光和電、光度特性參數(shù)的測試進(jìn)行研究，并對(duì)其封裝熱阻的計(jì)算作了探討，為源在通用照明領(lǐng)域的應(yīng)用作了必要的初步探索。本課題的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面：1)論述LED封裝發(fā)展趨勢；2)組裝幾種LED光源樣品并測試、評(píng)價(jià)其性能；3)關(guān)注LED發(fā)熱問題，探討改善其散熱能力的方法并實(shí)際制作出幾種不同的散熱器。4)對(duì)大功率LED的聚光問題進(jìn)行初步研究。2 LED的封裝與組裝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，但是作為發(fā)光器件，LED的封裝又有自己的特點(diǎn)：LED封裝不但要完成電信號(hào)的輸入輸出，保護(hù)芯片在正常的電流下工作，還得維持工作狀態(tài)下芯片的溫度不超過允許的范圍，這對(duì)于功率型LED的封裝來說顯得尤為重要；另外封裝結(jié)構(gòu)和材料要有利于提高出光效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)電性能和發(fā)光效率的最優(yōu)化。2.1 LED封裝方法的分類LED的封裝形式很多，主要包括支架式封裝、普通片式封裝、雙列直插式封裝、功率型封裝（芯片工作電流If200mA）和多芯片封裝等：1.支架式封裝始于二十世紀(jì)七十年代，這種封裝不僅可以保護(hù)發(fā)光芯片，而且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子彈頭型的環(huán)氧樹脂可以起到透鏡的作用。這種封裝形式的LED是典型的點(diǎn)狀光源，最適合作指示燈用，而且生產(chǎn)插件時(shí)極其方便，但是其封裝熱阻比較高。2.普通片式封裝迎合了封裝微型化和表面貼裝技術(shù)的要求，主要型號(hào)有0402、0603、0805、1206、1210等，封裝厚度一般在1mm以下，最薄的封裝厚度只有0.4mm,因此在手機(jī)、PDA等便攜式電子產(chǎn)品中廣泛作為按鍵和屏幕的背光照明。3.雙列直插式封裝采用類似IC封裝的銅質(zhì)陰線框架固定芯片，并在焊接電極陰線后用透明環(huán)氧材料包封，如“食人魚”式封裝。這種封裝芯片熱散失較支架式好，熱阻低，LED的輸入功率可達(dá)0.1-0.5W。4.功率型封裝是為了適應(yīng)大光通量的要求而發(fā)展起來的。因?yàn)閷?duì)于普通照明，要求其光通量足夠大，一般在幾百流明以上。比如40W的白熾燈能發(fā)出約600流明的光通量，而一個(gè)40W的普通熒光燈發(fā)出的光通量超過3000流明。功率型封裝采用的是大尺寸LED芯片（如邊長40mil），其工作電流一般在200mA以上，可輸出幾十流明的光通量。輸入功率的不斷增加使得散熱問題變得非常突出，因此功率型封裝中LED芯片多為倒裝式互連以提高散熱性能。倒裝型LED由于采用的是厚而不透明的金屬接觸層作為電流擴(kuò)展層，因而與傳統(tǒng)的正裝型LED相比，它能夠在大的工作電流下工作并保持很高的可靠性，同時(shí)，封裝到硅基板上后，由于芯片的激發(fā)區(qū)更靠近熱沉，元件產(chǎn)生的熱量能很快從導(dǎo)電金屬層通過焊料傳遞到熱沉而散失掉，有利于保持較高的發(fā)光效率。5.為了進(jìn)一步提高單個(gè)元件的光通量并降低封裝成本，近來出現(xiàn)了多芯片封裝技術(shù)并獲得了很大的發(fā)展。20XX年，Lamina Ceramics公司推出了自己的專利封裝技術(shù)多層低溫陶瓷金屬基燒結(jié)(LTCC-M)技術(shù)，生產(chǎn)出集成度很高的LED陣列。通過倒裝封裝工藝，該多芯片組裝器件的發(fā)光亮度在840cd/in2以上，流明效率超過40lm/W，而使用壽命長達(dá)10年，并且能在較高的溫度環(huán)境下正常工作。美國UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也為多芯片組合封裝結(jié)構(gòu)，它采用六角形鋁基金屬線路板作為熱沉，直徑為1.25英寸，發(fā)光區(qū)位于中心，可在金屬線路板上排列多達(dá)40個(gè)超高亮度倒裝型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）或白色（RGB三基色合成或藍(lán)色黃色二元色合成)。20XX年2月，美國OPTEK公司推出了最新型的3D封裝的高亮度LED光源16，它的輸入功率為10W，輸出光通量為330流明，而視角則達(dá)到了120度。這些多芯片組合封裝的功率型LED不僅集成度高，散熱性能良好，而且可在大電流下工作，具有很高的光輸出量，是一種很有發(fā)展前途的LED光源封裝模式。2.2功率型LED封裝存在的問題作為新型照明光源，LED的發(fā)展?jié)摿κ俏鹩怪靡傻?。人們近期的目?biāo)是將其發(fā)光效率和光通量提高到現(xiàn)有照明光源的水平，這期望于功率型LED和多芯片封裝技術(shù)。但目前功率型LED封裝還存在一些問題有待解決，比如散熱效率低和成本過高，另外靜電防護(hù)和新出現(xiàn)的無鉛化互連等問題也需注意。散熱一直是制約功率型LED發(fā)展的首要問題。根據(jù)美國OIDA發(fā)展規(guī)劃，到20XX年，每個(gè)LED單元的發(fā)光量將達(dá)1000流明，發(fā)光效率為150lm/W，因此需要的輸入功率為7瓦，這其中由于產(chǎn)生熱量而浪費(fèi)的功率將達(dá)4瓦（(1klm)/(400lm/W150lm/W)），這還不考慮其它的能量損失，假如驅(qū)動(dòng)電路與發(fā)光單元是集成的，那么還得算上30以上的能量損失。雖然這個(gè)數(shù)值不大，但是由于必須在很小的芯片面積（約為0.017cm2(1klm/(400W/cm2150lm/W)上散失到周圍環(huán)境中，因此它的熱流量將達(dá)到235W/cm2，這是常規(guī)微處理芯片所產(chǎn)生熱流量的45倍！如此大的熱通量必須及時(shí)的散失掉，因?yàn)長ED的發(fā)光效率嚴(yán)重依賴于溫度，當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度升高到一定水平后，會(huì)發(fā)生明顯的顏色漂移以及發(fā)光效率下降等現(xiàn)象。成本過高是LED光源面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。目前單顆1W LED元件的價(jià)格在15元左右，3W的價(jià)格在20元以上，標(biāo)稱發(fā)出的光通量分別為35lm和80lm。而一個(gè)出光量為3000多流明的40W熒光燈的價(jià)格卻不到10元。因此還需不斷提高LED元件的光通量，同時(shí)快速降低其價(jià)格。上述的多芯片封裝技術(shù)有望加速LED照明光源進(jìn)入通用照明市場。靜電防護(hù)在功率型LED封裝中是十分重要的。由于芯片的正負(fù)電極均位于芯片的同一個(gè)面上，間距很?。粚?duì)于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化層的厚度僅幾十納米，對(duì)靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，需要從電路設(shè)計(jì)、工藝操作以及附加保護(hù)器件上來保護(hù)功率型LED免遭靜電的損害。芯片輸入功率的提高還帶來一個(gè)新的問題熱遷移。因?yàn)長ED芯片的功率密度非常大，而目前LED的發(fā)光效率較低，因此大量的電能轉(zhuǎn)化為了熱量。這些熱量在微小的芯片上產(chǎn)生很大的熱流密度，使得芯片與基板間形成一個(gè)較高的溫度梯度。由于原子在高低溫下的遷移速度不同，從而導(dǎo)致原子形成定向移動(dòng)，引起器件互連失效。2.3封裝發(fā)展趨勢隨著大功率LED芯片性能的迅速提高，功率型LED的封裝技術(shù)不斷改進(jìn)以適應(yīng)形勢的發(fā)展，如圖2-5所示：從開始的引線框架式封裝到多芯片陣列組裝，再到如今的3D陣列式封裝，其輸入功率不斷提高，而封裝熱阻顯著降低。根據(jù)美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA)制定的目標(biāo)，到20XX年，LED的發(fā)光效率將提高到150 lm/W，輸入功率密度達(dá)到400W/cm2，而成本則降到熒光燈的水平。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，進(jìn)一步改善LED封裝的熱管理將是關(guān)鍵之一，另外芯片設(shè)計(jì)制造與封裝工藝的有機(jī)融合也非常有利于產(chǎn)品性價(jià)比的提升，如美國Cree公司與Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)出了光通量超過1000 lm，發(fā)光效率達(dá)57 lm/W的LED燈泡，并已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用；隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，采用透明型封裝材料和功率型MOSFET封裝平臺(tái)將是LED封裝發(fā)展的一個(gè)方向，功能集成(比如驅(qū)動(dòng)電路)也將進(jìn)一步的推動(dòng)LED封裝技術(shù)的發(fā)展。以前應(yīng)用于其它學(xué)科中的技術(shù)也可能在未來LED照明光源的封裝中找到舞臺(tái)，如新興的流體自組裝（Fluidic Self-Assembly，F(xiàn)SA）技術(shù)等。2.4新穎的LED陣列封裝技術(shù)流體自組裝功率型LED封裝采用的是大尺寸、高輸入電流的芯片。芯片尺寸的增大使得比表面積下降，出光效率降低，同時(shí)大的輸入電流會(huì)產(chǎn)生更多的集中熱量，這加劇了封裝散熱的負(fù)擔(dān)，影響了芯片性能的正常發(fā)揮。因此，人們設(shè)想能否采用發(fā)光效率高、散熱性能好的小尺寸LED芯片(比如0.30.3mm2)進(jìn)行陣列式封裝，這不但能提高元件的發(fā)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，芯片陣列封裝技術(shù)的要求很高，目前一種以流體作為工作介質(zhì)的流體自組裝技術(shù)（FSA）受到了人們的關(guān)注。FSA具有并行地、大批量地、高精度地將LED芯片組裝到基板上的能力，而且操作簡單靈活、散熱性能良好，有望實(shí)現(xiàn)多LED芯片的陣列式封裝。2.4.1 FSA的基本特征FSA是指在無人工干預(yù)的情況下，微元件（比如LED芯片）在載體溶液中依靠溶液的流動(dòng)，自行完成與基板相應(yīng)組裝位置的對(duì)位組裝方式。組裝系統(tǒng)一般包括四個(gè)組成部分：微元件、組裝基板、載體溶液和粘結(jié)材料。其中選用的粘結(jié)材料只與互連的微元件/基板表面形成良好的潤濕，而不能潤濕其它表面。FSA源于分子生物學(xué)中的電泳技術(shù)，其工藝過程為：首先批量制造出一定外形的微元件，同時(shí)在基板上刻蝕出相應(yīng)外形的組裝點(diǎn)，并在互連位置涂上焊料；然后將過量的微元件分散懸浮在特定的載體溶液中，溶液的溫度使焊料處于熔融狀態(tài)；在外力攪拌的作用下，微元件就在基板組裝點(diǎn)周圍移動(dòng)，并隨機(jī)地接近某個(gè)對(duì)應(yīng)的組裝點(diǎn)；微元件在自身重力、液態(tài)粘結(jié)材料的毛細(xì)管力和表面張力等的作用下，經(jīng)過定位、定向而非常精確地連接到組裝點(diǎn)上；最后將沒有組裝的剩余微元件沖出基板表面，清除掉基板上的溶液。隨著組裝系統(tǒng)溫度的降低，粘結(jié)材料固化，從而完成機(jī)械與電互連。2.4.2 LED芯片在FSA工藝中的對(duì)位方式在FSA工藝中，LED芯片在基板相應(yīng)組裝點(diǎn)上的定向和定位是組裝成功的關(guān)鍵步驟之一，它直接影響LED芯片組裝的質(zhì)量和效率。芯片與基板組裝點(diǎn)對(duì)位的方式大致可分為以下三種：外形匹配、粘結(jié)劑導(dǎo)向和混合對(duì)位模式。外形匹配式對(duì)位是主要通過微元件與基板上凹坑的外形對(duì)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微元件的定向和定位。其工藝一般是：首先制造出特定外形的LED芯片，同時(shí)在硅、玻璃等基板上刻蝕出相應(yīng)形狀的凹坑；然后將過量的LED芯片分散懸浮在選定的載體溶液中，在液體流動(dòng)或震動(dòng)的條件下，不同外形的元件將隨機(jī)落入與之相匹配的凹坑內(nèi)，如同拼裝積木一樣。沒有進(jìn)入組裝點(diǎn)的元件將被沖出基板表面，經(jīng)過清洗，進(jìn)入下一次的組裝。芯片在基板組裝點(diǎn)上對(duì)位后，將溶液清除干凈，經(jīng)過引線互連完成產(chǎn)品的組裝。外形匹配式自組裝原理簡單，具有在三維空間內(nèi)高密度組裝、可靠性高和組裝面平整等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展前景很好。Hsi-Jen J等采用外形匹配方法成功地將GaAs LED自組裝到Si基板上，實(shí)現(xiàn)了光電子元件與硅基板的大規(guī)模集成，如圖2-1所示。由于元件的高度和凹坑的深度一致，組裝后留下一個(gè)較平整的表面。然后將載體溶液去除，在范德華力作用下，微元件的下表面就和凹坑的底面連接在一起了。最后采用半導(dǎo)體工藝中的金屬化和引線刻蝕等方法完成表面的電互連。圖2-1外形匹配式FSA示意圖粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位是在載體溶液的振蕩激發(fā)作用下，利用粘接劑產(chǎn)生的毛細(xì)管力先粘接住LED芯片，然后在系統(tǒng)界面自由能最小化的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)芯片在組裝點(diǎn)上精確地定位和定向。對(duì)于不同特性的微元件，通常需要進(jìn)行多匹次并行裝配，即在單匹次中只并行裝配同一類芯片。在單匹次FSA工藝中，首先在基板和/或待裝配微元件的綁定位置涂上自組裝單層（self-assembled monolayer，SAM），形成相互匹配的綁定點(diǎn)；然后在基板綁定點(diǎn)上涂粘結(jié)劑，粘結(jié)劑可以是導(dǎo)電焊料或不導(dǎo)電的粘結(jié)材料，它與SAM間有很好的潤濕性，與其它的材料表面和載體溶液則難以潤濕；接著將懸浮有芯片的載體溶液倒入裝有基板的裝配槽內(nèi)進(jìn)行對(duì)位組裝；最后去除載體溶液，通過加熱或紫外線照射等固化粘結(jié)材料，完成微系統(tǒng)的自組裝?；旌蠈?duì)位模式自組裝是使用具有特定導(dǎo)向性外形的LED芯片，在基板或芯片相應(yīng)的焊盤上涂覆粘結(jié)劑，然后將微元件懸浮在載體溶液中，在液體流動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自行對(duì)位組裝。它結(jié)合了外形匹配和粘結(jié)劑導(dǎo)向式對(duì)位這兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的識(shí)別不同類型微元件和高可靠性地并行組裝能力，因此能夠更加高效準(zhǔn)確地完成芯片的自組裝。Wei Zheng等研究了這種混合對(duì)位模式的自組裝方法，成功地將幾百個(gè)微小的AlGaInP/GaAs發(fā)光二極管在4分鐘內(nèi)組裝到載體基板上，組裝成功率超過97。該實(shí)驗(yàn)性微系統(tǒng)包括三個(gè)組件：一個(gè)LED芯片，一個(gè)硅載體和一個(gè)耐熱的玻璃包封單元。硅載體和玻璃包封單元均刻蝕有200微米深的菱臺(tái)形開口，這與LED芯片的厚度一致。三個(gè)組件具有明顯互補(bǔ)的外形、銅引線電路和銦焊料圖案，圖2-1（a）顯示了硅載體和玻璃包封單元的制作過程。完成微組件的制備后，然后在100的乙烯乙二醇（沸點(diǎn)197）溶液中，在活塞泵產(chǎn)生的脈沖流體的強(qiáng)力攪拌下，經(jīng)兩步完成微系統(tǒng)的自組裝：第一步是硅載體和LED芯片依靠外形識(shí)別自行對(duì)位，鍍金的芯片背面與硅載體凹坑內(nèi)涂覆有銦焊料的底面連接，液態(tài)焊料表面能最小化驅(qū)使LED芯片自行地調(diào)整到對(duì)準(zhǔn)的位置，對(duì)準(zhǔn)精度一般可達(dá)亞微米級(jí)，如圖2-1（b）。第二步是互連后的芯片與玻璃包封單元的組裝，玻璃包封單元的中心有一200微米深的菱臺(tái)形開口，可以在組裝過程中識(shí)別第一步完成的LED芯片。每個(gè)開口有5個(gè)涂覆焊料的表面，它們可潤濕并連接到LED相應(yīng)鍍金的外形面和硅基板上。玻璃包封單元可以保護(hù)組裝的LED元件和完善電互連。經(jīng)過對(duì)混合模式對(duì)位自組裝工藝過程的分析，人們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生的缺陷不是自組裝方法本身導(dǎo)致的，它主要與可能構(gòu)造的空間局部能量最小化分布和脈沖泵的攪拌水平有關(guān)，通過優(yōu)化元件設(shè)計(jì)以及合適的攪拌，混合對(duì)位模式自組裝工藝的成功率將進(jìn)一步提高。 3 LED光源的光電參數(shù)對(duì)于照明光源，人們一般傾向于近似太陽光的白光照明。目前LED發(fā)白光的方式比較多，每種方法得到的白光的質(zhì)量也不盡相同。為了評(píng)價(jià)LED光源的性能，需要對(duì)其電與光等參數(shù)進(jìn)行測量，比如發(fā)光效率、光通量、顯色指數(shù)等。但由于LED特殊的結(jié)構(gòu)，其光源性能參數(shù)的測試有特別的要求，這樣才能保證測量的一致性和準(zhǔn)確性。3.1 LED發(fā)白光的原理目前使用的白光LED生產(chǎn)技術(shù)，主要可分為單晶型和多晶型兩種： (一)單晶型： (l)藍(lán)色LED+發(fā)黃光的熒光粉其原理是利用釔鋁石榴石熒光粉(YAG)受到藍(lán)色LED照射后會(huì)發(fā)出黃光，經(jīng)與未被吸收的藍(lán)光混合后，即可產(chǎn)生被肉眼視為白色的光。這是目前最為主要的生產(chǎn)方式，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)較為簡單，生產(chǎn)容易，且沒有多晶型生產(chǎn)方式普遍存在的各個(gè)LED晶粒的光衰減率、溫度特性和壽命有差異的缺陷，但是其發(fā)光效率較低，目前約只有為2535 1m/W，且在高電流工作下，色溫升高的問題較為嚴(yán)重。 (2)紫外光LED+發(fā)紅、藍(lán)、綠光的熒光粉這種發(fā)光原理和熒光燈的發(fā)光原理相似，利用紫外光或近紫外光激發(fā)RGB三色熒光粉，產(chǎn)生RGB三原色的光混合產(chǎn)生白光。其發(fā)光光譜和藍(lán)色LED+YAG相比要寬得多，而且可以利用熒光體的組合，發(fā)出白光以外的各種發(fā)光色，但是紫外光轉(zhuǎn)換為黃綠光的過程中，能量損失比藍(lán)光的要大，因此發(fā)光效率比較低，紫外光的泄漏也不安全。目前單晶型最新的技術(shù)動(dòng)向是改變活性層的性質(zhì)，利用三種單純的活性層半導(dǎo)體產(chǎn)生RGB三色光，進(jìn)而直接產(chǎn)生白光效果，所使用的發(fā)光材料是InGaN多量子阱結(jié)構(gòu)。(二)多晶型：(1)紅色LED+藍(lán)色LED+綠色LED通過將電流控制在適當(dāng)?shù)妮敵龉β时认?，可將紅(AlGaAs)藍(lán)(InGaN)綠(AlInGaP)三原色LED所發(fā)出的光混合成白光，并可通過電流加以控制調(diào)整其頻譜特性，具有較高的發(fā)光效率且色溫易調(diào)整，但是它要使用三顆LED晶粒，且個(gè)別晶粒材質(zhì)差異很大，因此在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，整體生產(chǎn)成本較高。(2)藍(lán)綠色LED+琥珀色LED美國Gentex Corporation利用InGaN藍(lán)綠光LED和InAlGaP琥珀色LED的互補(bǔ)色關(guān)系生產(chǎn)出互補(bǔ)色白光，幾乎與以三元色LED混合成的白光LED具有相同的特性，但是其顯色指數(shù)(Ra)較低。3.2 LED特征參數(shù)簡介綜合測試LED各項(xiàng)性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)LED照明光源的基礎(chǔ)。作為應(yīng)用于照明的光電器件，LED的特征參數(shù)主要包括電、光和色三個(gè)方面35： (1)相關(guān)電參數(shù)正向電壓(Vf)：通過LED的正向電流為確定值時(shí)，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。反向電壓(Vr)：被測LED器件通過的反向電流為確定值時(shí)，兩極間所產(chǎn)生的電壓降。正向電流(If)：加載在LED兩端的正向電壓為確定值時(shí)，流過LED的電流。 (2)相關(guān)光參數(shù)相對(duì)光譜功率分布：在光輻射波長范圍內(nèi)，各個(gè)波長的相對(duì)輻射功率分布情況。峰值波長：光譜輻射功率最大的波長。光通量：通過發(fā)光二極管的正向電流為規(guī)定值時(shí)，器件光學(xué)窗口向整個(gè)空間在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量，單位為流明。發(fā)光強(qiáng)度：光源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。 (3)相關(guān)色度學(xué)參數(shù)色度坐標(biāo)：光源對(duì)應(yīng)的RGB三原色在CIE確定的色度圖中的坐標(biāo)值。色溫：光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí)，稱黑體的溫度（TC）為光源的色溫度。對(duì)于組裝后的LED光源，在應(yīng)用于照明時(shí)還需對(duì)其照明性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，這主要包括光通量、照度以及成本等。在燈具設(shè)計(jì)中，照明計(jì)算主要是包括兩個(gè)方面：一個(gè)是照度的計(jì)算，它表征被照表面單位面積上的光通量。另外一個(gè)是光通量的計(jì)算，通過分別計(jì)算LED燈具的光通量和LED光源的光通量來合理布置LED的位置、確定LED的個(gè)數(shù)，合理的添加光學(xué)器件，從而滿足不同的照明需要。3.3LED照明光源光度參數(shù)的計(jì)算對(duì)于LED照明光源，其直接應(yīng)用于各種需要照明的場合，或作為主要照明光源，或作為輔助光源。此時(shí)光源的光通量以及在被照工作面上產(chǎn)生的照度是我們設(shè)計(jì)燈具時(shí)非常關(guān)心的，其計(jì)算對(duì)于燈具的設(shè)計(jì)有著直接的指導(dǎo)作用41。3.3.1照度的計(jì)算照度表征的是被照表面單位面積上的光通量。對(duì)于單個(gè)點(diǎn)光源的照度，其基本計(jì)算公式可由下面兩個(gè)照度定律導(dǎo)出，這兩個(gè)定律是照度計(jì)算的基礎(chǔ)42。(1)距離平方反比定律如圖3-14所示，點(diǎn)光源S在指向平面N(與入射光線垂直的平面)上P點(diǎn)的方向上光強(qiáng)為I，光源到P點(diǎn)的距離為l,投射到包括P點(diǎn)的指向平面上的面元上的光通量為： 因面元dAn很小，可以把它看成是以點(diǎn)光源為球心的球面積的一部分，所以立體角d可由下式確定：根據(jù)照度的定義，光源在指向平面上P點(diǎn)產(chǎn)生的照度En為: 距離平方反比定律說明，點(diǎn)光源在與照射方向垂直的平面上產(chǎn)生的照度與光源至被照面的距離的平方成反比。(2)余弦定律如果圖中的P點(diǎn)在水平面H上，則P點(diǎn)的照度為： 式中I光源在照度計(jì)算點(diǎn)方向的發(fā)光強(qiáng)度；cos光源至照度計(jì)算點(diǎn)的連線與光源至照度計(jì)算平面的垂線之間夾角的余弦；l光源至照度計(jì)算點(diǎn)的距離。對(duì)于LED照明光源，一般為多個(gè)點(diǎn)光源構(gòu)成。光源的尺寸相比于光源和被照面的距離小于五分之一時(shí)，可認(rèn)為光源為點(diǎn)光源。由于不存在相干的問題，因此當(dāng)有n個(gè)點(diǎn)光源同時(shí)照射到工作面時(shí)，n個(gè)點(diǎn)光源產(chǎn)生的照度等于每一光源分別產(chǎn)生的照度的總和。總照度可用下式表示: 式中第n個(gè)光源在照度計(jì)算點(diǎn)方向的發(fā)光強(qiáng)度；n第n個(gè)光源至照度計(jì)算點(diǎn)連線與光源至照度計(jì)算平面垂線之間夾角的余弦；ln第n個(gè)光源至照度計(jì)算點(diǎn)的距離。當(dāng)LED照明光源在被照面上各點(diǎn)產(chǎn)生的照度比較均勻時(shí)，可用平均照度來表征工作面上照明的程度。此時(shí)，照明設(shè)計(jì)可以采用比較簡單的平均照度計(jì)算法而使得計(jì)算簡化，即計(jì)算落到工作面上的總光通量除以被照面的面積。3.3.2光通量的計(jì)算為了確定LED光源個(gè)數(shù)和LED的位置，必須通過有效計(jì)算LED照明光源總的光通量。除了積分球方法外，LED照明光源的光通量還可通過照度來計(jì)算得到，其思路是通過環(huán)帶分割然后求和的方法來實(shí)現(xiàn)。具體做法是首先將LED燈具垂直固定，讓其光線投射到被照面上，被照面被劃分為不同半徑的若干同心小環(huán)帶，將每個(gè)小環(huán)帶的面積乘以該面積上測得的平均照度值，即為該面積上的光通量，各個(gè)小環(huán)帶面積上的光通量相加，即為該燈具所發(fā)射的總光通量43。燈具固定懸掛在距離被照平面高度為H的位置上，根據(jù)不同的中心角1,2,n，將被照平面分成對(duì)應(yīng)半徑為R1, R2,Rn的不同環(huán)帶，各環(huán)帶面積比為S1, S2, Sn，對(duì)應(yīng)各環(huán)帶所測平均照度分別為Erp1 ,Erp2,Erpn，各環(huán)帶的光通量分別應(yīng)為：第一環(huán)帶光通量：第二環(huán)帶光通量：依次類推：第n 環(huán)帶光通量：故總的光通量：球帶半徑R由燈具的懸掛高度H和要求角度的精度決定，習(xí)慣上，配光曲線均采用等角角度分割法，測試中每5為一間隔。也可以采用等間距測量法，即在X和Y軸上，每隔等距離測量一次數(shù)據(jù)，進(jìn)而求出總的光通量。 4 LED照明光源的制備據(jù)行業(yè)分析機(jī)構(gòu)CIR的研究報(bào)告預(yù)測，全球20XX年LED銷售額將逾56億美元，其中大功率LED占據(jù)絕大部分，主要應(yīng)用是普通燈具。目前LED照明光源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于特種照明領(lǐng)域，比如汽車上的閱讀燈和剎車燈，手機(jī)背光源，景觀照明裝飾燈，舞臺(tái)照明燈，安全照明燈以及手電筒等，這為LED進(jìn)入通用照明市場打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。中國作為照明器具生產(chǎn)大國，需要抓住這次半導(dǎo)體照明變革的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明產(chǎn)業(yè)的提升，特別應(yīng)把握20XX北京奧運(yùn)會(huì)和20XX上海世博會(huì)舉辦的機(jī)遇，加快在LED照明領(lǐng)域的應(yīng)用研究。單只LED發(fā)光亮度低，不能滿足一般光源所需的亮度要求，為達(dá)到照明要求，一般采取將多只高亮度LED組成點(diǎn)陣光源，并且選用合適的光學(xué)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)良好的照明效果。為了探索LED光源的性能及其在組裝上存在的問題，我們制備了幾種不同的LED光源，通過對(duì)燈具設(shè)計(jì)、基板組裝、驅(qū)動(dòng)電路、照度測試以及成本評(píng)估了解并掌握LED照明光源組裝工藝及性能測試方法，為進(jìn)一步研究LED光源在通用照明市場上的應(yīng)用做準(zhǔn)備。4.1 LED吊頂燈與射燈的設(shè)計(jì)隨著人們對(duì)家裝要求的提高，室內(nèi)照明質(zhì)量及光源特色受到人們更多的關(guān)注。LED光源由于具有節(jié)能環(huán)保以及長壽命的特點(diǎn)，并且可方便的設(shè)計(jì)成各種大小和形狀的燈具，因此很受人們的青睞。從性能和成本上考慮，LED目前已具備作為小型照明光源的條件，可應(yīng)用于家庭內(nèi)部輔助照明，比如吊頂燈和射燈等。LED燈具一般由三部分組成：LED組合光源、驅(qū)動(dòng)電路和光學(xué)透鏡系統(tǒng)。透鏡的作用是將光線按所希望的路徑出射。影響燈具發(fā)光效果的因素包括：芯片的率35及個(gè)數(shù)、芯片在燈具內(nèi)的放置位置和透鏡的形狀等。在我們的實(shí)驗(yàn)中，選用的LED為美國CREE公司生產(chǎn)的1W LED，發(fā)光顏色為近白色。在照明光源的設(shè)計(jì)中，光效率和光分布均勻性是最重要的兩個(gè)因數(shù)，對(duì)于目前LED照明光源，基于自身的特點(diǎn)，還得特別考慮散熱性能問題。為了得到均勻而亮度足夠的照明效果，同時(shí)將燈的成本控制在合適范圍內(nèi)且散熱良好，我設(shè)計(jì)了1種LED組合光源。如下圖：該光源為3顆1W的LED元件，先貼裝到MCPCB上，然后成對(duì)稱分布組裝到鋁基板上，3顆LED為串聯(lián)，驅(qū)動(dòng)電壓在10.5V左右，電流為1A，可作為射燈或露營燈。選用MCPCB是為了快速地將大功率LED產(chǎn)生的熱量散失掉，從而保證其穩(wěn)定發(fā)揮性能。MCPCB為鋁、環(huán)氧樹脂和銅箔組成的復(fù)合基板，具有非常高的熱導(dǎo)率，它是將銅箔通過環(huán)氧樹脂粘結(jié)到鋁基板上，然后在銅箔上刻蝕出引線和焊盤。除了LED的選擇及分布外，驅(qū)動(dòng)電路也直接影響到LED光源性能的正常發(fā)揮。LED為直流工作元件，出射光強(qiáng)隨正向電流變化比較大，為了出光均勻，應(yīng)采用恒流驅(qū)動(dòng)，但生活中恒壓電源更容易獲得，因此實(shí)際中LED的工作模式包括恒流與恒壓兩種。4.2 LED光源驅(qū)動(dòng)電路LED的亮度由流過的電流決定，在不損壞LED的情況下，一般二極管的亮度是隨著流過LED電流的增加而變亮，流過LED電流的大小與亮度大致成正比，圖4-1是我們使用的1W LED的相對(duì)光強(qiáng)與正向電流的關(guān)系。同種LED在恒流驅(qū)動(dòng)下亮度一致，出射光均勻，但恒流電源的獲取比較困難，一般是從恒壓電源變換得到，這降低了整體驅(qū)動(dòng)電路的效率并增加了成本。圖4-1 LED光強(qiáng)與正向電流的關(guān)系4.2.1 LED連接方式的比較LED是由電流驅(qū)動(dòng)的器件，其亮度與正向電流呈比例關(guān)系。有兩種方法可以控制正向電流。第一種方法是采用LED V-I曲線來確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED施加的電壓。其實(shí)現(xiàn)方法一般采用一個(gè)電壓電源和一個(gè)鎮(zhèn)流電阻器，如圖4-2所示。但此方法有許多不足之處，LED正向電壓的任何變化都會(huì)導(dǎo)致LED電流的變化。如果額定正向電壓為3.6V，則圖3-6中LED的電流為20mA。如果電壓變?yōu)?.0V，這是溫度或制造變化引起的特定壓變，那么正向電流則降低到14mA。正向電壓變化11會(huì)導(dǎo)致更大的正向電流變化，達(dá)30。另外，根據(jù)可用的輸入電壓，鎮(zhèn)流電阻的壓降和功耗會(huì)浪費(fèi)功率和降低電池使用壽命。圖4-2 帶鎮(zhèn)流電阻的電壓電源導(dǎo)致效率降低和正向電流失配在電源電壓較為有限的應(yīng)用場合，多個(gè)LED只能以并聯(lián)方式工作。此時(shí)，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通常須為每個(gè)LED配備獨(dú)立的限流電阻，避免通過它們的電流出現(xiàn)差異，借以克服LED正向壓降一致性差。但是這些電阻也會(huì)浪費(fèi)功率，降低電路效率。第二種方法、也是首選的LED電流調(diào)整方法是利用恒流電源來驅(qū)動(dòng)LED。恒流電源可消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化。 因此可產(chǎn)生恒定的LED亮度，無論正向電流如何變化。產(chǎn)生恒流電源很容易。只需要調(diào)整通過電流檢測電阻器的電壓，而不用調(diào)整電源的輸出電壓。圖4-2說明了這種方法。電源參考電壓和電流檢測電阻器值決定了LED電流。在驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)，只需把它們串聯(lián)就可以在每個(gè)LED中實(shí)現(xiàn)恒定電流。驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED需要在每個(gè)LED串中放置一個(gè)鎮(zhèn)流電阻，這會(huì)導(dǎo)致效率降低和電流失配。圖4-3 驅(qū)動(dòng)LED的恒流電源驅(qū)動(dòng)白光LED的主要目標(biāo)是產(chǎn)生正向電流通過組件，這可采用恒壓源或恒流源來實(shí)現(xiàn)。圖4-2是成本最低的解決方案，它將白光LED串聯(lián)一個(gè)鎮(zhèn)流電阻(RB)，再于電路的兩端加上恒壓源。然而這種方法有其缺點(diǎn)，鎮(zhèn)流電阻會(huì)限制通過的電流，白光LED的非線性V-I曲線也讓這種方法的穩(wěn)流能力非常差；此外，只要外加電壓或白光LED的正向電壓(VF)有任何變動(dòng)，白光LED的電流都會(huì)改變。當(dāng)額定正向電壓為3.6V時(shí)，會(huì)有20mA電流通過圖4-2的白光LED，若溫度或制程改變讓此電壓變?yōu)?.0V(仍在正常的3V至4V容差范圍內(nèi))，正向電流就會(huì)下降至14mA；換言之，正向電壓只要改變11%，正向電流就會(huì)出現(xiàn)30%的大幅度變動(dòng)。這種白光LE