LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準(zhǔn)中的色坐標(biāo)、黑體軌跡、等溫線等色度學(xué)概念上課講義

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準(zhǔn)中的色坐標(biāo)、黑體軌跡、等溫線等色度學(xué)概念-本文由cugyan貢獻(xiàn)pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準(zhǔn)中的色坐標(biāo)、黑體軌跡、等溫線等色度學(xué)概念的計算方法作者:吳奇進(jìn)摘要在當(dāng)今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為全人類共同的意識。同時，國家也在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，在剛剛成功舉辦的2010年上海世博會和2008年的北京奧運(yùn)會都不約而同的以綠色節(jié)能為主題，這就給中國LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的歷史機(jī)遇。發(fā)光二極

2、管（LED）作為新一代綠色光源，與傳統(tǒng)光源（白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈等）相比，具有節(jié)能、環(huán)保、響應(yīng)時間短，體積小，壽命長、抗震性好等多項優(yōu)勢，因而受到人們的青睞，成為各國半導(dǎo)體照明領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文主要是圍繞LED的發(fā)光原理和LED封裝行業(yè)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，重點(diǎn)探討在LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準(zhǔn)制定過程中涉及的色坐標(biāo)、等色溫線、黑體軌跡曲線等色度學(xué)概念的計算方法，為LED封裝行業(yè)的工程師提供非常實(shí)用的理論指導(dǎo)。LED關(guān)鍵詞：LEDLED、等色溫線、黑體軌跡。第一章前言發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，即LED）于20世紀(jì)60年代問世，在20世紀(jì)80年代以前，只有紅光、橙光、黃光和

3、綠光等幾種單色光，主要作為指示燈使用，這一時期屬于LED“指示應(yīng)用階段”。20世紀(jì)90年代初，LED的亮度有了較大提高，LED的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入了“信號和顯示階段”。1994年，日本科學(xué)家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍(lán)光LED，在1997年誕生了InGaN藍(lán)光芯片+YAG熒光粉的白光LED，使LED的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入了“全彩顯示和普通照明階段”。LED作為一種固態(tài)冷光源，是一種典型的節(jié)能、環(huán)保型綠色照明光源，必將成為繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈（HID）之后的第四代新光源。LED芯片通常用III-V族化合物半導(dǎo)體材料(如GaAs、GaP、GaN）通過外延生產(chǎn)工藝制造而成，其發(fā)光核心是PN

4、結(jié)，具有一般PN結(jié)的特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性等。LED發(fā)光原理是LED在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，電子和空穴在PN結(jié)復(fù)合，其中部分復(fù)合能轉(zhuǎn)換成輻射發(fā)光，另一部分轉(zhuǎn)換成熱輻射，后者不產(chǎn)生可見光。第二章LED封裝行業(yè)發(fā)展?fàn)顩rLED作為新一代綠色照明光源，以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)備受人們的青睞，其發(fā)展速度可謂一日千里。目前，LED封裝企業(yè)主要集中在歐美、日本、中國臺灣、韓國、馬來西亞、中國大陸等國家和地區(qū)。其中，中國臺灣地區(qū)的封裝產(chǎn)量世界第一，產(chǎn)值全球第二，主要企業(yè)有億光電子、光寶電子、光磊科技、國聯(lián)光電、佰鴻電子等等。中國大陸的封裝企業(yè)70%主

5、要集中在深圳、廣州、惠州等珠三角地區(qū)，主要封裝廠有國星光電、鴻利光電、瑞豐光電、真明麗集團(tuán)等等。國外主要封裝廠商有日本的Nichia（日亞）公司、ToyadaGosei（豐田合成）公司、美國的Cree（科銳）公司、Lumileds（流明）公司以及德國Oscam（歐司朗）公司，韓國的Seoul（首爾半導(dǎo)體）公司等等。第三章LED封裝技術(shù)探討LED封裝與一般的晶體三極管等半導(dǎo)體元器件的封裝一樣，都具有保護(hù)芯片不收外界環(huán)境的影響和提高元器件導(dǎo)熱能力等功能。但是，LED封裝還有一個更重要的作用是提高出光效率，并實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)分布，輸出可見光。因此，LED封裝技術(shù)除了電學(xué)參數(shù)外，還有光學(xué)參數(shù)的技術(shù)要求和

6、專業(yè)設(shè)計。LED封裝技術(shù)主要包括封裝產(chǎn)品外形的設(shè)計、封裝物料（原物料、輔物料和設(shè)備工具）的選擇、封裝工藝的持續(xù)改進(jìn)三個部分。LED產(chǎn)品的封裝外形一般有直插式和貼片式（SMD）兩種。直插式常見的外形有3、5、8、10、草帽型、食人魚型等等，貼片式的常見外形有3020、3528、5050等等。大功率LED外形常見的是流明公司的LUXEON系列、集成模組系列、COB（ChipOnBoard）系列等等。LED封裝的原物料是指LED封裝產(chǎn)品中包含的所有物料，包括芯片、固晶膠（銀膠或絕緣膠）、金線、熒光粉、灌封膠（環(huán)氧樹脂或硅膠）等等。輔物料則是指生產(chǎn)過程中需要使用但是不包含在產(chǎn)品中的物料類型，包括酒精、

7、異丙醇、無塵布等等。LED封裝使用的工具設(shè)備一般有擴(kuò)晶機(jī)、固晶機(jī)、焊線機(jī)、烤箱、抽真空機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、分光機(jī)、包裝機(jī)等等。LED封裝的工藝流程一般包括以下幾個主要工序：固晶焊線點(diǎn)熒光粉（白光）灌封膠水分光分色包裝入庫對于藍(lán)光芯片+黃色熒光粉的白光LED封裝工藝，點(diǎn)熒光粉工序是一道非常關(guān)鍵的工藝，熒光粉的類型和濃度配比直接影響封裝產(chǎn)品的光色，而點(diǎn)熒光粉工序的膠量均勻度對后段的分光分色工序有很大的影響。如果點(diǎn)熒光粉的膠量不均勻，則分光分色時存在產(chǎn)品的分檔（分Bin）數(shù)目很多，不同檔的產(chǎn)品色差嚴(yán)重、生產(chǎn)出貨良率偏低等不良現(xiàn)象。LED封裝產(chǎn)品的分光分色工藝是一直困擾LED封裝企業(yè)工程技術(shù)人員的一個技術(shù)難題

8、。目前國內(nèi)外LED行業(yè)都沒有統(tǒng)一的分光標(biāo)準(zhǔn)，因此LED封裝廠都是按照本公司內(nèi)部的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分光，由于缺乏光度學(xué)和色度學(xué)方面的理論指導(dǎo)，很多封裝廠的分光標(biāo)準(zhǔn)并不科學(xué)，導(dǎo)致分光工序中存在很多諸如色差嚴(yán)重、產(chǎn)品不同批次之間光色范圍不同等問題。目前，國內(nèi)LED封裝企業(yè)最常見的一種分光分色的方法就是在分光機(jī)分光軟件的CIE1931色度圖白光區(qū)域取四個坐標(biāo)點(diǎn)范圍，然后進(jìn)行簡單的等分。一方面，由于每批產(chǎn)品分光時選取的四個坐標(biāo)點(diǎn)不相同，導(dǎo)致不同批次相同Bin號的產(chǎn)品光色并不相同。另外，由于CIE1931色度圖并不是均勻色度空間，所以用簡單的等分方法是一種不符合色度學(xué)原理的方法。圖3.1為國內(nèi)某知名封裝企業(yè)的

9、分光分色標(biāo)準(zhǔn)。國外一些知名LED企業(yè)的分光標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)色度學(xué)原理，通過等溫線和麥克亞當(dāng)橢圓進(jìn)行光色分區(qū)，國內(nèi)部分LED封裝廠已經(jīng)開始直接采用或簡單修改國外一些LED領(lǐng)頭知名企業(yè)的分光標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于國內(nèi)外封裝工藝水平差距較大，特別是熒光粉涂覆工藝不同，很多國外LED知名企業(yè)的分光標(biāo)準(zhǔn)并不適合國內(nèi)大部分封裝廠采用。因此，國內(nèi)封裝企業(yè)的工程技術(shù)人員必須根據(jù)企業(yè)的封裝水平制定合適的分光標(biāo)準(zhǔn)，這就要求工程技術(shù)人員要掌握光度學(xué)和色度學(xué)的一些基礎(chǔ)知識，學(xué)會色坐標(biāo)、黑體軌跡、等色溫線等色度學(xué)概念的計算方法。圖3.2為國外某知名LED企業(yè)按等溫線劃分的分光標(biāo)準(zhǔn)，圖3.3是國內(nèi)某封裝廠的分光標(biāo)準(zhǔn)。第四章色坐標(biāo)

10、、黑體軌跡線、等色溫線的計算方法4.1.4.1.色坐標(biāo)的物理意義和計算方法。顏色的定量表征是一種心理物理量，三原色匹配或混合是CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。顏色的混合可以是色光的混合，也可以是染料的混合，色光的混合成為顏色相加混合，染料的混合則為顏色相減混合。將幾種色光同時或快速先后繼時刺激人的視覺感官，便會產(chǎn)生不同于原來顏色的新色覺，這是顏色相加混合的基本方法。圖4.1.1為采用紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色相加混合匹配實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。通過調(diào)節(jié)三原色光的強(qiáng)度來改變其混合后的顏色，當(dāng)視場中兩部分光色相同時，視場中間的分界線消失，兩部分合為同一視場，此時認(rèn)為待配光與三原色混合后的光色達(dá)到一致

11、，這種把兩種顏色調(diào)節(jié)到視覺上相同的方法叫做顏色匹配，對不同的待配光達(dá)到匹配時三原色的光強(qiáng)度值也不同。實(shí)驗(yàn)證明，幾乎所有的顏色都可以用三原色按某個特定的比例混合而成，顏色匹配可以使用顏色匹配方程表示如下：C=c（C）=r（R）+g（G）+b（B）式中r、g、b稱為顏色C的三刺激值。在可見光380780nm范圍內(nèi)，每隔一定的波長間隔如10nm，對各個波長的光譜色進(jìn)行一系列顏色匹配實(shí)驗(yàn)，可以得到相應(yīng)的一組顏色匹配方程，如圖4.1.2所示：經(jīng)過這樣的匹配實(shí)驗(yàn)得到的如圖4.1.3所示的一組曲線r（）、g（）、b（），稱為光譜三刺激值曲線。一般的顏色并不是簡單的光譜色，而往往是由多種光譜色組成的。設(shè)待測光

12、的光譜分布函數(shù)為（）、由混色原理按波長加權(quán)光譜三刺激值就可以得出每個波長的三刺激值，然后進(jìn)行相加求和就可以計算出待測光的三刺激值。但是，在由上述CIE1931RGB色度系統(tǒng)計算一般顏色的三刺激值時會出現(xiàn)負(fù)值，這給大量的數(shù)據(jù)處理帶來了不便。因此國際照明委員會（CIE）引入了一組假想的三原色（X）、（Y）、（Z），并推薦了一組新的光譜三刺激值函數(shù)，即CIE1931XYZ色度系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值x（）、y（）、z（），如圖4.1.4所示。則CIE1931XYZ色度系統(tǒng)顏色匹配方程可以表示如下：C=C（C）=X（X）+Y（Y）+Z（Z）令x=X/(X+Y+Z)，y=Y/(X+Y+Z)，z=Z

13、/(X+Y+Z)，則x+y+z=1。yzXYZ其中x，y，z稱為顏色C的色品坐標(biāo)（簡稱色坐標(biāo)），其物理含義分別表示顏色C中假想三原色（X）、（Y）、（Z）各自占有的比例。4.2CIE1931XYZ色度系統(tǒng)光譜色的色坐標(biāo)計算方法對于380780nm可見光范圍的光譜色（例如波長為1），其光譜函數(shù)可以表示為：f（）=1,=1f（）=0,1其三刺激值X，Y，Z計算方法如下：X=K380780f（）x（）d=Kf（）x（）Y=K380780f（）y（）d=Kf（）y（）Z=K380780f（）z（）d=Kf（）z（）式中K為歸一化常數(shù)，計算時可省略。例如，查表可知波長為380nm的光譜色其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)色度

14、觀察者光譜三刺激值x（）、y（）、z（）如下：/nm380標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值x（）y（）0.0013680000.00003900000z（）0.006450001則其三刺激值X380，Y380，Z380和色坐標(biāo)x380，y380計算方法如下：X380=K380780f（）x（）d=Kf（）x（）=0.0013681+0.0013680+0.0013680=0.001368Y380=K380780f（）y（）d=Kf（）y（）=0.0000391+0.0000390+0.0000390=0.000039Z380=K380780f（）z（）d=Kf（）z（）=0.0064500011+0

15、.0064500010+0.0064500010=0.006450001x380=X380/（X380+Y380+Z380）=0.001368/（0.001368+0.000039+0.006450001）=0.17411y380=Y380/（X380+Y380+Z380）=0.000039/（0.001368+0.000039+0.006450001）=0.00496以此類推，利用常用的電腦辦公軟件MicrosoftExcel就可以很方便地計算出380780nm可見光范圍的所有光譜色的色品坐標(biāo)值。4.3CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中LED的色坐標(biāo)計算方法對于白光LED的封裝工藝,在分光分色工

16、序一般都會在分光機(jī)上測試其光譜，然后得出該LED的色坐標(biāo)、色溫、發(fā)光強(qiáng)度、正向電壓等相關(guān)光電參數(shù)，其色品坐標(biāo)的計算原理和方法與4.2中討論的光譜色的色坐標(biāo)計算方法是相同的。例如，圖4.3.1為某封裝廠1W的LED產(chǎn)品分光測試得到光譜圖，其光譜部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表所示：波長(nm)380381382383384385386387388389相對光譜0.00010.00010.00010.0001000000波長(nm)390391392393394395396397398399相對光譜00.00010.00010.00020.00030.00040.00070.00090.00120.0015波長(n

17、m)400401402403404405406407408409相對光譜0.00180.00270.00350.00440.00530.00610.00860.01110.01350.016波長(nm)410411412413414415416417418419相對光譜0.01850.02440.03030.03620.04210.0480.05970.07130.0830.09477770.01477780.01487790.01497800.015標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：/nm380381779780標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值x（）y（）0.0013680000.00003

18、9000000.0015020500.000042826400.000044485670.000016064590.000041509940.00001499000z（）0.0064500010.00708321600與光譜色的色坐標(biāo)計算方法類似，利用常用的電腦辦公軟件MicrosoftExcel對380780nm范圍內(nèi)的相對光譜加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值求和就可以算出該LED的三刺激值X，Y，Z，X=K380780f（）x（）d=Kf（）x（）=0.0013680.0001+0.0011502050.0001+0.000044485670.0149+0.000041509940.015=

19、59.154601同理可得Y=69.69945，Z=51.12905,則從上述色坐標(biāo)x,y計算方法可知：x=X/(X+Y+Z)=59.154601/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.33613y=Y/(X+Y+Z)=69.69945/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.37332計算結(jié)果與測試結(jié)果一致。4.4黑體軌跡曲線的色坐標(biāo)計算方法黑體軌跡曲線又稱為普朗克曲線，黑體是指能夠完全吸收任何波長的入射輻射，并且具有最大輻射率的物體，即光譜吸收比恒等與1的完全輻射體。黑體的光譜分布特性由普朗克公式給出，如圖4.4.1所示：其中c1=2hc2

20、=3.74184410-12W.cm2,c2=ch/k=1.438833cm.K。將c1和c2的數(shù)值代入公式中，就可以算出不同溫度時黑體的輻射光譜與波長的關(guān)系曲線，如圖4.4.2所示：由前面的討論可知，知道黑體的輻射光譜以后，就可以對光譜加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值求和算出不同溫度時黑體的三刺激值X，Y，Z和色坐標(biāo)（x，y）。由于計算過程數(shù)據(jù)較多，這里不再詳細(xì)討論，僅提供2000K10000K色溫范圍內(nèi)計算40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)以供工程師參考。Tc/K1000090918333769271436667625058825556526350004762454543484167400038

21、46370435713448x0.280650.286290.292170.298270.304540.310990.317600.324340.331160.338090.345080.352120.359200.366260.373330.380400.387430.394390.401350.40819y0.288390.294950.301560.308160.314730.321230.327640.333910.340010.345950.351680.357190.362480.367500.372280.376810.381070.385040.388780.39223Tc/K

22、33333226312530302941285727782703263225642500243923812326227322222174212820832000 x0.414970.421630.428230.434740.441120.447380.453510.459530.465430.471250.476900.482430.487820.493060.498220.503290.508160.512900.517630.52655y0.395410.398320.400980.403400.405550.407470.409150.410610.411860.412910.41375

23、0.414410.414890.415190.415350.415350.415210.414930.414530.41340表4.4.1CIE19312000K10000K色溫范圍內(nèi)40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)4.5等色溫線的色坐標(biāo)計算方法當(dāng)輻射源在溫度T時所呈現(xiàn)的顏色與黑體在某一溫度Tc時的顏色相同或最相近時，則將黑體的溫度Tc稱為該輻射源的顏色溫度，簡稱色溫（ColorTemperature）或相關(guān)色溫（Correlatedcolortemperature)。例如，某LED光源的顏色與黑體加熱到絕對溫度2700K時所呈現(xiàn)的顏色最相近時，則此LED光源的相關(guān)色溫為2700K。在色度圖中由

24、相關(guān)色溫相同的色坐標(biāo)點(diǎn)組成的曲線稱為等色溫線，由于CIE1931色度圖并不是均勻的色度空間，因此等色溫線的計算方法一般是通過CIE1960均勻色度圖中推導(dǎo)出來。由相關(guān)色溫的定義可知，在CIE1960均勻色度圖中，等色溫線上的每一個色坐標(biāo)點(diǎn)到黑體軌跡線上該色溫Tc對應(yīng)的色坐標(biāo)點(diǎn)距離最近（顏色最接近），由幾何學(xué)可知，兩點(diǎn)之間直線距離最短，因此等色溫線是通過黑體軌跡線上相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點(diǎn)的直線，并且與黑體軌跡線相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點(diǎn)的切線相垂直。因此，只要求出等色溫線的直線方程，就可以計算出等溫線上的任何色坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用MicrosoftExcel或CAD等軟件畫出等色溫線。求等色溫線的直線方程有點(diǎn)斜式、

25、兩點(diǎn)式等多種方法，本文通過點(diǎn)斜式很方便地推動出等色溫線的直線方程，推導(dǎo)過程如下：根據(jù)CIE1931x,y和CIE1960u,v色度系統(tǒng)之間的換算公式：u=4x/(-2x+12y+3)v=6y/(-2x+12y+3)把表4.4.1CIE19312000K10000K色溫范圍內(nèi)40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)換算成CIE1960中的色品坐標(biāo)（u，v），如表4.5.1所示：Tc/K100009091u0.190290.19192v0.293310.29659Tc/K33333226u0.240040.24313v0.343090.344548333769271436667625058825556526

26、350004762454543484167400038463704357134480.193670.195540.197510.199590.201770.204040.206400.208850.211380.213990.216670.219400.222200.225060.227970.230920.233930.236970.299840.303040.306170.309230.312210.315100.317870.320560.323130.325600.327970.330210.332360.334400.336340.338170.339910.341553125303

27、029412857277827032632256425002439238123262273222221742128208320000.246270.249450.252630.255830.259040.262280.265520.268810.272080.275360.278640.281900.285200.288520.291790.295050.298380.304900.345910.347190.348390.349520.350560.351540.352440.353300.354080.354800.355460.356070.356640.357160.357620.35

28、8040.358430.35908表4.5.1CIE19602500K10000K色溫范圍內(nèi)40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)用一般的數(shù)學(xué)軟件對表4.5.1CIE19602000K10000K色溫范圍內(nèi)40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行曲線模擬，得到黑體軌跡曲線的多項式函數(shù)表達(dá)式如下：v0=b0+b1u0+b2u02+b3u03+b4u04+b5u05+b6u06=b0+1520.8u0-15174.8u02+80709.7u03-241002.9u04+382786.3u05-252539.7u06對黑體軌跡曲線的多項式函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，得到v0=1520.8-2*15174.8u0+3*8070

29、9.7u02-4*241002.9u03+5*382786.3u04-6*252539.7u05由導(dǎo)函數(shù)的幾何意義可知，v0就是黑體軌跡上（u0，v0）點(diǎn)上切線的斜率k1，由等色溫線與黑體軌跡上（u0，v0）點(diǎn)切線相垂直可以求出等色溫線的斜率k0為：k0=-1/k1=-1/v0=-1/（1520.8-2*15174.8u0+3*80709.7u02-4*241002.9u03+5*382786.3u04-6*252539.7u05）由黑體軌跡上（u0，v0）點(diǎn)和色溫線的斜率k0可以求出等溫線的點(diǎn)斜式方程：v=k0（u-u0）+v0再根據(jù)CIE1960u,v和CIE1931x,y色度系統(tǒng)之間的換

30、算公式：x=27u/4/(9u/2-18v+9)y=9v/2/(9u/2-18v+9)可以算出CIE1931x,y色度系統(tǒng)中的等色溫線直線方程為：y=kx+b其中k=（4k0+2k0u0-2v0）/（6-12v0+12k0u0）b=（3v0-3k0u0）/（6-12v0+12k0u0）k0=-1/（1520.8-2*15174.8u0+3*80709.7u02-4*241002.9u03+5*382786.3u04-6*252539.7u05）u0=4x0/(-2x0+12y0+3)v0=6y0/(-2x0+12y0+3)利用MicrosoftExcel可以方便地計算出2000K10000K色

31、溫范圍部分等色溫線的直線方程：Tc/K100009091833376927143666762505882555652635000476245454348416740003846370435713448k-1.8525-2.1844-2.6445-3.3133-4.3561-6.1786-10.0998-24.216889.799916.97979.80467.08975.65864.77764.17223.72563.37963.10132.86762.6698b0.80830.92031.07421.29641.64142.24273.53538.1883-29.3978-5.3948-3.

32、0317-2.1392-1.6701-1.3823-1.1853-1.0404-0.9283-0.8381-0.7621-0.6976Tc/K33333226312530302941285727782703263225642500243923812326227322222174212820832000k2.49842.34942.21772.10192.00081.91251.83631.77051.71461.66691.62741.59411.56561.54021.49681.48841.45711.41811.36721.2256b-0.6413-0.5923-0.5487-0.510

33、4-0.4770-0.4481-0.4236-0.4030-0.3861-0.3726-0.3623-0.3546-0.3488-0.3442-0.3357-0.3337-0.3252-0.3124-0.2932-0.2320參考文獻(xiàn)：顏色信息工程浙江大學(xué)出版社徐海松編著；2、照明手冊第二版科學(xué)出版社日本照明學(xué)會編李農(nóng)楊燕譯；3、新一代綠色照明光源LED及其應(yīng)用技術(shù)人民郵電出版社毛興武等編著；1本文由cugyan貢獻(xiàn)pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準(zhǔn)中的色坐標(biāo)、黑體軌跡、等溫線等色度學(xué)概念的計算方法作者:吳奇進(jìn)摘要在當(dāng)

34、今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為全人類共同的意識。同時，國家也在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，在剛剛成功舉辦的2010年上海世博會和2008年的北京奧運(yùn)會都不約而同的以綠色節(jié)能為主題，這就給中國LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的歷史機(jī)遇。發(fā)光二極管（LED）作為新一代綠色光源，與傳統(tǒng)光源（白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈等）相比，具有節(jié)能、環(huán)保、響應(yīng)時間短，體積小，壽命長、抗震性好等多項優(yōu)勢，因而受到人們的青睞，成為各國半導(dǎo)體照明領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文主要是圍繞LED的發(fā)光原理和LED封裝行業(yè)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，重點(diǎn)探討在LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準(zhǔn)制定過程中涉及的色坐標(biāo)、等色溫線、黑體軌跡曲線等色度學(xué)概念的計算方法

35、，為LED封裝行業(yè)的工程師提供非常實(shí)用的理論指導(dǎo)。LED關(guān)鍵詞：LEDLED、等色溫線、黑體軌跡。第一章前言發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，即LED）于20世紀(jì)60年代問世，在20世紀(jì)80年代以前，只有紅光、橙光、黃光和綠光等幾種單色光，主要作為指示燈使用，這一時期屬于LED“指示應(yīng)用階段”。20世紀(jì)90年代初，LED的亮度有了較大提高，LED的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入了“信號和顯示階段”。1994年，日本科學(xué)家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍(lán)光LED，在1997年誕生了InGaN藍(lán)光芯片+YAG熒光粉的白光LED，使LED的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入了“全彩顯示和普通照明階段”。LED作為

36、一種固態(tài)冷光源，是一種典型的節(jié)能、環(huán)保型綠色照明光源，必將成為繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈（HID）之后的第四代新光源。LED芯片通常用III-V族化合物半導(dǎo)體材料(如GaAs、GaP、GaN）通過外延生產(chǎn)工藝制造而成，其發(fā)光核心是PN結(jié)，具有一般PN結(jié)的特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性等。LED發(fā)光原理是LED在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，電子和空穴在PN結(jié)復(fù)合，其中部分復(fù)合能轉(zhuǎn)換成輻射發(fā)光，另一部分轉(zhuǎn)換成熱輻射，后者不產(chǎn)生可見光。第二章LED封裝行業(yè)發(fā)展?fàn)顩rLED作為新一代綠色照明光源，以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)備受人們的青睞，其發(fā)展速度可謂一日

37、千里。目前，LED封裝企業(yè)主要集中在歐美、日本、中國臺灣、韓國、馬來西亞、中國大陸等國家和地區(qū)。其中，中國臺灣地區(qū)的封裝產(chǎn)量世界第一，產(chǎn)值全球第二，主要企業(yè)有億光電子、光寶電子、光磊科技、國聯(lián)光電、佰鴻電子等等。中國大陸的封裝企業(yè)70%主要集中在深圳、廣州、惠州等珠三角地區(qū)，主要封裝廠有國星光電、鴻利光電、瑞豐光電、真明麗集團(tuán)等等。國外主要封裝廠商有日本的Nichia（日亞）公司、ToyadaGosei（豐田合成）公司、美國的Cree（科銳）公司、Lumileds（流明）公司以及德國Oscam（歐司朗）公司，韓國的Seoul（首爾半導(dǎo)體）公司等等。第三章LED封裝技術(shù)探討LED封裝與一般的晶體

38、三極管等半導(dǎo)體元器件的封裝一樣，都具有保護(hù)芯片不收外界環(huán)境的影響和提高元器件導(dǎo)熱能力等功能。但是，LED封裝還有一個更重要的作用是提高出光效率，并實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)分布，輸出可見光。因此，LED封裝技術(shù)除了電學(xué)參數(shù)外，還有光學(xué)參數(shù)的技術(shù)要求和專業(yè)設(shè)計。LED封裝技術(shù)主要包括封裝產(chǎn)品外形的設(shè)計、封裝物料（原物料、輔物料和設(shè)備工具）的選擇、封裝工藝的持續(xù)改進(jìn)三個部分。LED產(chǎn)品的封裝外形一般有直插式和貼片式（SMD）兩種。直插式常見的外形有3、5、8、10、草帽型、食人魚型等等，貼片式的常見外形有3020、3528、5050等等。大功率LED外形常見的是流明公司的LUXEON系列、集成模組系列、COB

39、（ChipOnBoard）系列等等。LED封裝的原物料是指LED封裝產(chǎn)品中包含的所有物料，包括芯片、固晶膠（銀膠或絕緣膠）、金線、熒光粉、灌封膠（環(huán)氧樹脂或硅膠）等等。輔物料則是指生產(chǎn)過程中需要使用但是不包含在產(chǎn)品中的物料類型，包括酒精、異丙醇、無塵布等等。LED封裝使用的工具設(shè)備一般有擴(kuò)晶機(jī)、固晶機(jī)、焊線機(jī)、烤箱、抽真空機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、分光機(jī)、包裝機(jī)等等。LED封裝的工藝流程一般包括以下幾個主要工序：固晶焊線點(diǎn)熒光粉（白光）灌封膠水分光分色包裝入庫對于藍(lán)光芯片+黃色熒光粉的白光LED封裝工藝，點(diǎn)熒光粉工序是一道非常關(guān)鍵的工藝，熒光粉的類型和濃度配比直接影響封裝產(chǎn)品的光色，而點(diǎn)熒光粉工序的膠量均勻

40、度對后段的分光分色工序有很大的影響。如果點(diǎn)熒光粉的膠量不均勻，則分光分色時存在產(chǎn)品的分檔（分Bin）數(shù)目很多，不同檔的產(chǎn)品色差嚴(yán)重、生產(chǎn)出貨良率偏低等不良現(xiàn)象。LED封裝產(chǎn)品的分光分色工藝是一直困擾LED封裝企業(yè)工程技術(shù)人員的一個技術(shù)難題。目前國內(nèi)外LED行業(yè)都沒有統(tǒng)一的分光標(biāo)準(zhǔn)，因此LED封裝廠都是按照本公司內(nèi)部的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分光，由于缺乏光度學(xué)和色度學(xué)方面的理論指導(dǎo)，很多封裝廠的分光標(biāo)準(zhǔn)并不科學(xué)，導(dǎo)致分光工序中存在很多諸如色差嚴(yán)重、產(chǎn)品不同批次之間光色范圍不同等問題。目前，國內(nèi)LED封裝企業(yè)最常見的一種分光分色的方法就是在分光機(jī)分光軟件的CIE1931色度圖白光區(qū)域取四個坐標(biāo)點(diǎn)范圍，然后進(jìn)

41、行簡單的等分。一方面，由于每批產(chǎn)品分光時選取的四個坐標(biāo)點(diǎn)不相同，導(dǎo)致不同批次相同Bin號的產(chǎn)品光色并不相同。另外，由于CIE1931色度圖并不是均勻色度空間，所以用簡單的等分方法是一種不符合色度學(xué)原理的方法。圖3.1為國內(nèi)某知名封裝企業(yè)的分光分色標(biāo)準(zhǔn)。國外一些知名LED企業(yè)的分光標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)色度學(xué)原理，通過等溫線和麥克亞當(dāng)橢圓進(jìn)行光色分區(qū)，國內(nèi)部分LED封裝廠已經(jīng)開始直接采用或簡單修改國外一些LED領(lǐng)頭知名企業(yè)的分光標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于國內(nèi)外封裝工藝水平差距較大，特別是熒光粉涂覆工藝不同，很多國外LED知名企業(yè)的分光標(biāo)準(zhǔn)并不適合國內(nèi)大部分封裝廠采用。因此，國內(nèi)封裝企業(yè)的工程技術(shù)人員必須根據(jù)企業(yè)的

42、封裝水平制定合適的分光標(biāo)準(zhǔn)，這就要求工程技術(shù)人員要掌握光度學(xué)和色度學(xué)的一些基礎(chǔ)知識，學(xué)會色坐標(biāo)、黑體軌跡、等色溫線等色度學(xué)概念的計算方法。圖3.2為國外某知名LED企業(yè)按等溫線劃分的分光標(biāo)準(zhǔn)，圖3.3是國內(nèi)某封裝廠的分光標(biāo)準(zhǔn)。第四章色坐標(biāo)、黑體軌跡線、等色溫線的計算方法4.1.4.1.色坐標(biāo)的物理意義和計算方法。顏色的定量表征是一種心理物理量，三原色匹配或混合是CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)。顏色的混合可以是色光的混合，也可以是染料的混合，色光的混合成為顏色相加混合，染料的混合則為顏色相減混合。將幾種色光同時或快速先后繼時刺激人的視覺感官，便會產(chǎn)生不同于原來顏色的新色覺，這是顏色相加混合的基本方

43、法。圖4.1.1為采用紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色相加混合匹配實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。通過調(diào)節(jié)三原色光的強(qiáng)度來改變其混合后的顏色，當(dāng)視場中兩部分光色相同時，視場中間的分界線消失，兩部分合為同一視場，此時認(rèn)為待配光與三原色混合后的光色達(dá)到一致，這種把兩種顏色調(diào)節(jié)到視覺上相同的方法叫做顏色匹配，對不同的待配光達(dá)到匹配時三原色的光強(qiáng)度值也不同。實(shí)驗(yàn)證明，幾乎所有的顏色都可以用三原色按某個特定的比例混合而成，顏色匹配可以使用顏色匹配方程表示如下：C=c（C）=r（R）+g（G）+b（B）式中r、g、b稱為顏色C的三刺激值。在可見光380780nm范圍內(nèi)，每隔一定的波長間隔如10nm，對各個波長的光譜色進(jìn)

44、行一系列顏色匹配實(shí)驗(yàn)，可以得到相應(yīng)的一組顏色匹配方程，如圖4.1.2所示：經(jīng)過這樣的匹配實(shí)驗(yàn)得到的如圖4.1.3所示的一組曲線r（）、g（）、b（），稱為光譜三刺激值曲線。一般的顏色并不是簡單的光譜色，而往往是由多種光譜色組成的。設(shè)待測光的光譜分布函數(shù)為（）、由混色原理按波長加權(quán)光譜三刺激值就可以得出每個波長的三刺激值，然后進(jìn)行相加求和就可以計算出待測光的三刺激值。但是，在由上述CIE1931RGB色度系統(tǒng)計算一般顏色的三刺激值時會出現(xiàn)負(fù)值，這給大量的數(shù)據(jù)處理帶來了不便。因此國際照明委員會（CIE）引入了一組假想的三原色（X）、（Y）、（Z），并推薦了一組新的光譜三刺激值函數(shù)，即CIE1931

45、XYZ色度系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值x（）、y（）、z（），如圖4.1.4所示。則CIE1931XYZ色度系統(tǒng)顏色匹配方程可以表示如下：C=C（C）=X（X）+Y（Y）+Z（Z）令x=X/(X+Y+Z)，y=Y/(X+Y+Z)，z=Z/(X+Y+Z)，則x+y+z=1。yzXYZ其中x，y，z稱為顏色C的色品坐標(biāo)（簡稱色坐標(biāo)），其物理含義分別表示顏色C中假想三原色（X）、（Y）、（Z）各自占有的比例。4.2CIE1931XYZ色度系統(tǒng)光譜色的色坐標(biāo)計算方法對于380780nm可見光范圍的光譜色（例如波長為1），其光譜函數(shù)可以表示為：f（）=1,=1f（）=0,1其三刺激值X，Y，Z計算方法

46、如下：X=K380780f（）x（）d=Kf（）x（）Y=K380780f（）y（）d=Kf（）y（）Z=K380780f（）z（）d=Kf（）z（）式中K為歸一化常數(shù)，計算時可省略。例如，查表可知波長為380nm的光譜色其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值x（）、y（）、z（）如下：/nm380標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值x（）y（）0.0013680000.00003900000z（）0.006450001則其三刺激值X380，Y380，Z380和色坐標(biāo)x380，y380計算方法如下：X380=K380780f（）x（）d=Kf（）x（）=0.0013681+0.0013680+0.00136

47、80=0.001368Y380=K380780f（）y（）d=Kf（）y（）=0.0000391+0.0000390+0.0000390=0.000039Z380=K380780f（）z（）d=Kf（）z（）=0.0064500011+0.0064500010+0.0064500010=0.006450001x380=X380/（X380+Y380+Z380）=0.001368/（0.001368+0.000039+0.006450001）=0.17411y380=Y380/（X380+Y380+Z380）=0.000039/（0.001368+0.000039+0.006450001）=0.

48、00496以此類推，利用常用的電腦辦公軟件MicrosoftExcel就可以很方便地計算出380780nm可見光范圍的所有光譜色的色品坐標(biāo)值。4.3CIE1931XYZ色度系統(tǒng)中LED的色坐標(biāo)計算方法對于白光LED的封裝工藝,在分光分色工序一般都會在分光機(jī)上測試其光譜，然后得出該LED的色坐標(biāo)、色溫、發(fā)光強(qiáng)度、正向電壓等相關(guān)光電參數(shù)，其色品坐標(biāo)的計算原理和方法與4.2中討論的光譜色的色坐標(biāo)計算方法是相同的。例如，圖4.3.1為某封裝廠1W的LED產(chǎn)品分光測試得到光譜圖，其光譜部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表所示：波長(nm)380381382383384385386387388389相對光譜0.00010.00

49、010.00010.0001000000波長(nm)390391392393394395396397398399相對光譜00.00010.00010.00020.00030.00040.00070.00090.00120.0015波長(nm)400401402403404405406407408409相對光譜0.00180.00270.00350.00440.00530.00610.00860.01110.01350.016波長(nm)410411412413414415416417418419相對光譜0.01850.02440.03030.03620.04210.0480.05970.071

50、30.0830.09477770.01477780.01487790.01497800.015標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：/nm380381779780標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值x（）y（）0.0013680000.000039000000.0015020500.000042826400.000044485670.000016064590.000041509940.00001499000z（）0.0064500010.00708321600與光譜色的色坐標(biāo)計算方法類似，利用常用的電腦辦公軟件MicrosoftExcel對380780nm范圍內(nèi)的相對光譜加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值

51、求和就可以算出該LED的三刺激值X，Y，Z，X=K380780f（）x（）d=Kf（）x（）=0.0013680.0001+0.0011502050.0001+0.000044485670.0149+0.000041509940.015=59.154601同理可得Y=69.69945，Z=51.12905,則從上述色坐標(biāo)x,y計算方法可知：x=X/(X+Y+Z)=59.154601/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.33613y=Y/(X+Y+Z)=69.69945/(59.154601+69.69945+51.12905)=0.37332計算結(jié)果與測試結(jié)果一致。

52、4.4黑體軌跡曲線的色坐標(biāo)計算方法黑體軌跡曲線又稱為普朗克曲線，黑體是指能夠完全吸收任何波長的入射輻射，并且具有最大輻射率的物體，即光譜吸收比恒等與1的完全輻射體。黑體的光譜分布特性由普朗克公式給出，如圖4.4.1所示：其中c1=2hc2=3.74184410-12W.cm2,c2=ch/k=1.438833cm.K。將c1和c2的數(shù)值代入公式中，就可以算出不同溫度時黑體的輻射光譜與波長的關(guān)系曲線，如圖4.4.2所示：由前面的討論可知，知道黑體的輻射光譜以后，就可以對光譜加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值求和算出不同溫度時黑體的三刺激值X，Y，Z和色坐標(biāo)（x，y）。由于計算過程數(shù)據(jù)較多，這里不再詳

53、細(xì)討論，僅提供2000K10000K色溫范圍內(nèi)計算40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)以供工程師參考。Tc/K100009091833376927143666762505882555652635000476245454348416740003846370435713448x0.280650.286290.292170.298270.304540.310990.317600.324340.331160.338090.345080.352120.359200.366260.373330.380400.387430.394390.401350.40819y0.288390.294950.301560.30

54、8160.314730.321230.327640.333910.340010.345950.351680.357190.362480.367500.372280.376810.381070.385040.388780.39223Tc/K33333226312530302941285727782703263225642500243923812326227322222174212820832000 x0.414970.421630.428230.434740.441120.447380.453510.459530.465430.471250.476900.482430.487820.493060

55、.498220.503290.508160.512900.517630.52655y0.395410.398320.400980.403400.405550.407470.409150.410610.411860.412910.413750.414410.414890.415190.415350.415350.415210.414930.414530.41340表4.4.1CIE19312000K10000K色溫范圍內(nèi)40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)4.5等色溫線的色坐標(biāo)計算方法當(dāng)輻射源在溫度T時所呈現(xiàn)的顏色與黑體在某一溫度Tc時的顏色相同或最相近時，則將黑體的溫度Tc稱為該輻射源的顏色溫度，簡

56、稱色溫（ColorTemperature）或相關(guān)色溫（Correlatedcolortemperature)。例如，某LED光源的顏色與黑體加熱到絕對溫度2700K時所呈現(xiàn)的顏色最相近時，則此LED光源的相關(guān)色溫為2700K。在色度圖中由相關(guān)色溫相同的色坐標(biāo)點(diǎn)組成的曲線稱為等色溫線，由于CIE1931色度圖并不是均勻的色度空間，因此等色溫線的計算方法一般是通過CIE1960均勻色度圖中推導(dǎo)出來。由相關(guān)色溫的定義可知，在CIE1960均勻色度圖中，等色溫線上的每一個色坐標(biāo)點(diǎn)到黑體軌跡線上該色溫Tc對應(yīng)的色坐標(biāo)點(diǎn)距離最近（顏色最接近），由幾何學(xué)可知，兩點(diǎn)之間直線距離最短，因此等色溫線是通過黑體軌跡

57、線上相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點(diǎn)的直線，并且與黑體軌跡線相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點(diǎn)的切線相垂直。因此，只要求出等色溫線的直線方程，就可以計算出等溫線上的任何色坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用MicrosoftExcel或CAD等軟件畫出等色溫線。求等色溫線的直線方程有點(diǎn)斜式、兩點(diǎn)式等多種方法，本文通過點(diǎn)斜式很方便地推動出等色溫線的直線方程，推導(dǎo)過程如下：根據(jù)CIE1931x,y和CIE1960u,v色度系統(tǒng)之間的換算公式：u=4x/(-2x+12y+3)v=6y/(-2x+12y+3)把表4.4.1CIE19312000K10000K色溫范圍內(nèi)40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)換算成CIE1960中的色品坐標(biāo)（u，v），如表4.5.1

58、所示：Tc/K100009091u0.190290.19192v0.293310.29659Tc/K33333226u0.240040.24313v0.343090.344548333769271436667625058825556526350004762454543484167400038463704357134480.193670.195540.197510.199590.201770.204040.206400.208850.211380.213990.216670.219400.222200.225060.227970.230920.233930.236970.299840.303040.306170.309230.312210.315100.317870.320560.323130.325600.327970.330210.332360.334400.336340.338170.339910.341553125303029412857277827032632256425002439238123262273222