LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準中的色坐標(biāo)、黑體軌跡、等溫線等色度學(xué)概念1

第頁LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準中的色坐標(biāo)、黑體軌跡、等溫線等色度學(xué)概念.txt有沒有人像我一樣在聽到某些歌的時候會突然想到自己的往事_______如果我能回到從前，我會選擇不認識你。不是我懊悔，是我不能面對沒有你的結(jié)局。本文由cugyan奉獻pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準中的色坐標(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2021年上海世博會和2021年的北京奧運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)的開展帶來了巨大的歷史機遇。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。本文主要是圍繞LED的發(fā)光原理和LED封裝行業(yè)的開展?fàn)顟B(tài)，重點探討在LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準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60年代問世，在20世紀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90年代初，LED的亮度有了較大提高，LED的開展和應(yīng)用進入了“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光LED，在2019年誕生了InGaN藍光芯片+YAG熒光粉的白光LED，使LED的開展和應(yīng)用進入了“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，其中局部復(fù)合能轉(zhuǎn)換成輻射發(fā)光，另一局部轉(zhuǎn)換成熱輻射，后者不產(chǎn)生可見光。第二章LED封裝行業(yè)開展?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)點備受人們的青睞，其開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)改良三個局部。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Φ3、Φ5、Φ8、Φ10、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。輔物料那么是指生產(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)備一般有擴晶機、固晶機、焊線機、烤箱、抽真空機、點膠機、分光機、包裝機等等。LED封裝的工藝流程一般包括以下幾個主要工序：固晶——焊線——點熒光粉〔白光〕——灌封膠水——分光分色——包裝入庫對于藍光芯片+黃色熒光粉的白光LED封裝工藝，點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。如果點熒光粉的膠量不均勻，那么分光分色時存在產(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，因此LED封裝廠都是按照本公司內(nèi)部的企業(yè)標(biāo)準進展分光，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)準并不科學(xué)，導(dǎo)致分光工序中存在很多諸如色差嚴重、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分光軟件的CIE1931色度圖白光區(qū)域取四個坐標(biāo)點范圍，然后進展簡單的等分。一方面，由于每批產(chǎn)品分光時選取的四個坐標(biāo)點不一樣，導(dǎo)致不同批次一樣Bin號的產(chǎn)品光色并不一樣。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。國外一些知名LED企業(yè)的分光標(biāo)準主要是根據(jù)色度學(xué)原理，通過等溫線和麥克亞當(dāng)橢圓進展光色分區(qū)，國內(nèi)局部LED封裝廠已經(jīng)開場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。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)準并不適合國內(nèi)大局部封裝廠采用。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)的封裝水平制定適宜的分光標(biāo)準，這就要求工程技術(shù)人員要掌握光度學(xué)和色度學(xué)的一些根底知識，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，圖3.3是國內(nèi)某封裝廠的分光標(biāo)準。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)準色度系統(tǒng)的物理根底。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，染料的混合那么為顏色相減混合。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根本方法。圖4.1.1為采用紅〔R〕、綠〔G〕、藍〔B〕三原色相加混合匹配實驗裝置示意圖。通過調(diào)節(jié)三原色光的強度來改變其混合后的顏色，當(dāng)視場中兩局部光色一樣時，視場中間的分界限消失，兩局部合為同一視場，此時認為待配光與三原色混合后的光色到達一致，這種把兩種顏色調(diào)節(jié)到視覺上一樣的方法叫做顏色匹配，對不同的待配光到達匹配時三原色的光強度值也不同。實驗證明，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380~780nm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展一系列顏色匹配實驗，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)過這樣的匹配實驗得到的如圖4.1.3所示的一組曲線r〔λ〕、g〔λ〕、b〔λ〕，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ψ〔λ〕、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，然后進展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)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕、y〔λ〕、z〔λ〕，如圖4.1.4所示。那么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)，那么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380~780nm可見光范圍的光譜色〔例如波長為λ1〕，其光譜函數(shù)可以表示為：f〔λ〕=1,λ=λ1f〔λ〕=0,λ≠λ1其三刺激值X，Y，Z計算方法如下：X=K∫380780f〔λ〕x〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕x〔λ〕△λY=K∫380780f〔λ〕y〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕y〔λ〕△λZ=K∫380780f〔λ〕z〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕z〔λ〕△λ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)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕、y〔λ〕、z〔λ〕如下：λ/nm380標(biāo)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕y〔λ〕0.0013680000.z〔λ那么其三刺激值X380，Y380，Z380和色坐標(biāo)x380，y380計算方法如下：X380=K∫380780f〔λ〕x〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕x〔λ〕△λ××0+……×0=0.001368Y380=K∫380780f〔λ〕y〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕y〔λ〕△λ××0+……×0=0.000039Z380=K∫380780f〔λ〕z〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕z〔λ〕△λ××0+……×0=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380~780nm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上測試其光譜，然后得出該LED的色坐標(biāo)、色溫、發(fā)光強度、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)計算方法是一樣的。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，其光譜局部數(shù)據(jù)如下表所示：標(biāo)準色度觀察者光譜三刺激值局部數(shù)據(jù)如下：λ/nm380381779780標(biāo)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕y〔λ〕0.0013680000.0.0015020500.0.0.0.0.z〔λ〕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380~780nm范圍內(nèi)的相對光譜加權(quán)標(biāo)準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=K∫380780f〔λ〕x〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕x〔λ〕△λ××0.0001+……0.×0.0149+0.×0.015=59.154601同理可得Y=69.69945，Z=51.12905,那么從上述色坐標(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=2π×10-12W2,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，這里不再詳細討論，僅提供2000K~10000K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。表4.4.1CIE19312000K~10000K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時的顏色一樣或最相近時，那么將黑體的溫度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，那么此LED光源的相關(guān)色溫為2700K。在色度圖中由相關(guān)色溫一樣的色坐標(biāo)點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)點到黑體軌跡線上該色溫Tc對應(yīng)的色坐標(biāo)點距離最近〔顏色最接近〕，由幾何學(xué)可知，兩點之間直線距離最短，因此等色溫線是通過黑體軌跡線上相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點的直線，并且與黑體軌跡線相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點的切線相垂直。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，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斜式、兩點式等多種方法，本文通過點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4.4.1CIE19312000K~10000K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：833376927143666762505882555652635000476245454348416740003846370435713448312530302941285727782703263225642500243923812326227322222174212820832000表4.5.1CIE19602500K~10000K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4.5.1CIE19602000K~10000K色溫范圍內(nèi)40個不同溫度的黑體軌跡色坐標(biāo)點進展曲線模擬，得到黑體軌跡曲線的多項式函數(shù)表達式如下：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)進展求導(dǎo)，得到v0'=1520.8-2*15174.8u0+3*80709.7u02-4*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〕點上切線的斜率k1，由等色溫線與黑體軌跡上〔u0，v0〕點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〕點和色溫線的斜率k0可以求出等溫線的點斜式方程：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2000K~10000K色溫范圍局部等色溫線的直線方程：Tc/K100009091833376927143666762505882555652635000476245454348416740003846370435713448Tc/K33333226312530302941285727782703263225642500243923812326227322222174212820832000參考文獻：?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奉獻pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準中的色坐標(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2021年上海世博會和2021年的北京奧運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)的開展帶來了巨大的歷史機遇。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。本文主要是圍繞LED的發(fā)光原理和LED封裝行業(yè)的開展?fàn)顟B(tài)，重點探討在LED封裝行業(yè)分光分色標(biāo)準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60年代問世，在20世紀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90年代初，LED的亮度有了較大提高，LED的開展和應(yīng)用進入了“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光LED，在2019年誕生了InGaN藍光芯片+YAG熒光粉的白光LED，使LED的開展和應(yīng)用進入了“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，其中局部復(fù)合能轉(zhuǎn)換成輻射發(fā)光，另一局部轉(zhuǎn)換成熱輻射，后者不產(chǎn)生可見光。第二章LED封裝行業(yè)開展?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)點備受人們的青睞，其開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)改良三個局部。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Φ3、Φ5、Φ8、Φ10、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。輔物料那么是指生產(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)備一般有擴晶機、固晶機、焊線機、烤箱、抽真空機、點膠機、分光機、包裝機等等。LED封裝的工藝流程一般包括以下幾個主要工序：固晶——焊線——點熒光粉〔白光〕——灌封膠水——分光分色——包裝入庫對于藍光芯片+黃色熒光粉的白光LED封裝工藝，點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。如果點熒光粉的膠量不均勻，那么分光分色時存在產(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，因此LED封裝廠都是按照本公司內(nèi)部的企業(yè)標(biāo)準進展分光，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)準并不科學(xué)，導(dǎo)致分光工序中存在很多諸如色差嚴重、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分光軟件的CIE1931色度圖白光區(qū)域取四個坐標(biāo)點范圍，然后進展簡單的等分。一方面，由于每批產(chǎn)品分光時選取的四個坐標(biāo)點不一樣，導(dǎo)致不同批次一樣Bin號的產(chǎn)品光色并不一樣。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。國外一些知名LED企業(yè)的分光標(biāo)準主要是根據(jù)色度學(xué)原理，通過等溫線和麥克亞當(dāng)橢圓進展光色分區(qū)，國內(nèi)局部LED封裝廠已經(jīng)開場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。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)準并不適合國內(nèi)大局部封裝廠采用。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)的封裝水平制定適宜的分光標(biāo)準，這就要求工程技術(shù)人員要掌握光度學(xué)和色度學(xué)的一些根底知識，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，圖3.3是國內(nèi)某封裝廠的分光標(biāo)準。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)準色度系統(tǒng)的物理根底。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，染料的混合那么為顏色相減混合。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根本方法。圖4.1.1為采用紅〔R〕、綠〔G〕、藍〔B〕三原色相加混合匹配實驗裝置示意圖。通過調(diào)節(jié)三原色光的強度來改變其混合后的顏色，當(dāng)視場中兩局部光色一樣時，視場中間的分界限消失，兩局部合為同一視場，此時認為待配光與三原色混合后的光色到達一致，這種把兩種顏色調(diào)節(jié)到視覺上一樣的方法叫做顏色匹配，對不同的待配光到達匹配時三原色的光強度值也不同。實驗證明，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380~780nm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展一系列顏色匹配實驗，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)過這樣的匹配實驗得到的如圖4.1.3所示的一組曲線r〔λ〕、g〔λ〕、b〔λ〕，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ψ〔λ〕、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，然后進展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)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕、y〔λ〕、z〔λ〕，如圖4.1.4所示。那么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)，那么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380~780nm可見光范圍的光譜色〔例如波長為λ1〕，其光譜函數(shù)可以表示為：f〔λ〕=1,λ=λ1f〔λ〕=0,λ≠λ1其三刺激值X，Y，Z計算方法如下：X=K∫380780f〔λ〕x〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕x〔λ〕△λY=K∫380780f〔λ〕y〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕y〔λ〕△λZ=K∫380780f〔λ〕z〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕z〔λ〕△λ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)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕、y〔λ〕、z〔λ〕如下：λ/nm380標(biāo)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕y〔λ〕0.0013680000.z〔λ那么其三刺激值X380，Y380，Z380和色坐標(biāo)x380，y380計算方法如下：X380=K∫380780f〔λ〕x〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕x〔λ〕△λ××0+……×0=0.001368Y380=K∫380780f〔λ〕y〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕y〔λ〕△λ××0+……×0=0.000039Z380=K∫380780f〔λ〕z〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕z〔λ〕△λ××0+……×0=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380~780nm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上測試其光譜，然后得出該LED的色坐標(biāo)、色溫、發(fā)光強度、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)計算方法是一樣的。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，其光譜局部數(shù)據(jù)如下表所示：標(biāo)準色度觀察者光譜三刺激值局部數(shù)據(jù)如下：λ/nm380381779780標(biāo)準色度觀察者光譜三刺激值x〔λ〕y〔λ〕0.0013680000.0.0015020500.0.0.0.0.z〔λ〕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380~780nm范圍內(nèi)的相對光譜加權(quán)標(biāo)準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=K∫380780f〔λ〕x〔λ〕dλ=K∑f〔λ〕x〔λ〕△λ××0.0001+……0.×0.0149+0.×0.015=59.154601同理可得Y=69.69945，Z=51.12905,那么從上述色坐標(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=2π×10-12W2,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，這里不再詳細討論，僅提供2000K~10000K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。表4.4.1CIE19312000K~10000K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時的顏色一樣或最相近時，那么將黑體的溫度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，那么此LED光源的相關(guān)色溫為2700K。在色度圖中由相關(guān)色溫一樣的色坐標(biāo)點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)點到黑體軌跡線上該色溫Tc對應(yīng)的色坐標(biāo)點距離最近〔顏色最接近〕，由幾何學(xué)可知，兩點之間直線距離最短，因此等色溫線是通過黑體軌跡線上相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點的直線，并且與黑體軌跡線相應(yīng)色溫色坐標(biāo)點的切線相垂直。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，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斜式、兩點式等多種方法，本文通過點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)CI