LED燈珠性能特點及選擇應(yīng)用

杜 彬，史建衛(wèi)，王玲，萬超

(1. 中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州510300；2. 深圳市艾貝特電子科技有限公司，廣東 深圳518103)

LED 是由Ⅲ-Ⅳ族化合物等半導(dǎo)體制成，其核心是PN 結(jié)，它具有一般P-N 結(jié)的I-N 特性，即正向?qū)ǚ聪蚪刂梗瑩舸┨匦?。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性，在正流子一部分與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，由紅色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍色及橙色光等組成，見圖1。

1 LED 相關(guān)性能參數(shù)

LED 具備PN 結(jié)型器件的電學(xué)特性（包括I-V 特性、C-V 特性等）、光學(xué)特性（光譜響應(yīng)特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性等）和熱學(xué)特性。

圖1 LED RGB 三色

1.1 I-V 特性

I-V 特性表征LED 芯片PN 結(jié)制備性能主要參數(shù)，具有非線性、整流性質(zhì)，單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。當(dāng)V＞VF的正向工作區(qū)，IF隨VF指數(shù)上升；當(dāng)V =-VR= -5 V 時，GaP IF為0，GaN IF為10 μA；當(dāng)V＜-VR反向擊穿區(qū)，則出現(xiàn)IR突然增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。由于所用化合物材料種類不同，各種LED 的反向擊穿電壓VR也不同。

圖2 LED I-V 特性曲線

1.2 C-V 特性

小功率LED 芯片尺寸主要有228.6 μm×228.6 μm、254.0 μm ×254.0 μm、279.4 μm ×279.4 μm 及304.8 μm×304.8 μm 四種規(guī)格，故PN結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容（零偏壓）為勢壘電容Cb與擴散電容Cd之和，即PN 結(jié)的結(jié)電容Cj=Cb+Cd≈n+pf 左右，C-V 特性呈二次函數(shù)關(guān)系，圖3 為1 MHz 交流信號用C-V 特性測試儀測得。

1.3 極限功耗Pm

圖3 LED C-V 特性曲線

LED 正常工作于正偏置狀態(tài)，正向電流流過，電場做功一部分轉(zhuǎn)化為光能，還有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化成熱能，引起PN 結(jié)發(fā)熱使結(jié)溫上升。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta，則當(dāng)Tj> Ta時，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱，耗散功率可表示為P=UF×IF=KT(Tj- Ta)。當(dāng)結(jié)溫上升到達其最大允許值Pm時，LED 的耗散功率就不允許再增加了，這時的功率就是極限功耗。實際上結(jié)溫受發(fā)熱與散熱兩個因素的影響，耗散功率的增加使結(jié)溫上升，而環(huán)境溫度的降低有利于散熱使結(jié)溫降低。因此，Pm在不同環(huán)境溫度情況下有不同值。20～25 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)，Pm是一常數(shù)；當(dāng)環(huán)境溫度超過25 ℃時，隨溫度的上升，Pm明顯下降，直至85 ℃環(huán)境溫度達到最大允許結(jié)溫。

1.4 極限工作電流IFm

極限工作電流是由極限功耗而引起的參數(shù)。當(dāng)LED 處于正偏置時，其正向電壓的變化很小，引起耗散功率增加的原因是正向電流的增加。因此，對耗散功率的限制就可以轉(zhuǎn)化為對正向電流的限制。根據(jù)電路關(guān)系可知正向電流的限制值IFm有與Pm類似的隨環(huán)境溫度變化而變化的規(guī)律。

1.5 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢?，F(xiàn)有幾種顯示：LCD 約1×10-3～1×10-5s，CRT、PDP、LED 都達到1×10-6～1×10-7s（μs 級）。

響應(yīng)時間從使用角度看是LED 點亮與熄滅所延遲的時間，即圖4 中tr、tf，圖中t0值很小，可忽略。響應(yīng)時間主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。點亮?xí)r間tr是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。LED 熄滅時間tf是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。不同材料制得的LED 響應(yīng)時間各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應(yīng)時間均<1×10-9s，GaP 為1×10-7s。因此它們可用在10～100 MHz 高頻系統(tǒng)。

圖4 LED 響應(yīng)時間

1.6 光通量F

光通量F 是表征LED 總的輸出光并被人眼感知的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。F 為LED 向各方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED 光通量隨之增大?？梢姽釲ED 的光通量單位為流明（lm）。

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

1.7 發(fā)光法向光強及其角分布

發(fā)光強度（法向光強）是表征發(fā)光器件發(fā)光強弱的重要性能，是指單色光源（波長555 nm）在給定方向（該方向上輻射強度為1/683 W/sr）上的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向上的光強度。該量的符號為I，單位為坎德拉（cd），其他單位有燭光，支光。LED 發(fā)光強度小，所以發(fā)光強度常用mcd 作單位，1 cd=1 000 mcd。

LED 大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當(dāng)偏離正法向不同θ 角度時，光強也隨之變化。圖5 為發(fā)光強度的角分布I-θ，描述LED 發(fā)光在空間各個方向上光強分布。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向，當(dāng)發(fā)光強度值降為一半時，其方向與發(fā)光軸向的夾角，稱為半值角或半功率角，半值角的2 倍為視角。半值角是考核封裝效果的指標之一，主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否）。為獲得高指向性的角分布，一般要求：LED 管芯位置離模粒頭遠些；使用圓錐狀即子彈頭模粒頭；封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。常見幾種封裝，橢圓型水平/垂直方向上的半值角有90°/50°、105°/55°；正圓型半值角有15°（高指向型）、30°（標準型） 和50°（散射型）；表貼型半值角為120°。

圖5 發(fā)光方向及其角分布I-θ

1.8 發(fā)光亮度（灰度）L

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

若光源表面是理想漫反射面，亮度B0與方向無關(guān)為常數(shù)。從地面看太陽表面亮度約為14×108cd/m2，晴朗的藍天和熒光燈的表面亮度約為7 000 cd/m2，室外LED 顯示屏須達到4 000 cd/m2以上的亮度才可在日光下有比較理想的顯示效果，普通室內(nèi)LED 最大亮度在700～2 000 cd/m2。

LED 亮度與外加電流密度有關(guān)，如圖6 所示，一般J0（電流密度）增加B0（亮度）也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，ηc（復(fù)合效率）下降，B0減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起PN 結(jié)結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。

圖6 LED 亮度與外加電流密度關(guān)系

1.9 照度E

照度是光通量與被照面之比值，單位為勒克斯（lx），1 lx 之照度為1 lm 之光通量均勻分布在面積為1 平方米之區(qū)域。夏季陽光強烈的中午地面照度約5 000 lx，冬天晴天時地面照度約為2 000 lx，晴朗的月夜地面照度約0.2 lx。

有時為了充分利用光源，常在光源上附加一個反射裝置，使得某些方向能夠得到比較多的光通量，以增加這一被照面上的照度，例如汽車前燈、手電筒、攝影燈等。生活中的照度，一般黑夜0.001～0.02 lx，月夜0.02～0.3 lx，陰天室內(nèi)5～50 lx，陰天室外50～500 lx，晴天室內(nèi)100～1 000 lx，夏季中午太陽光下約為1×109 lx，閱讀書刊時所需50～60 lx，家用攝像機標準為1 400 lx。

多照明下，平均照度Eav=(光源光通量)×(CU)×(MF)÷照射區(qū)域面積=（準xNxCUxMK）÷A，其中Eav為平均照度，準為光通量，CU為利用系數(shù)，一般室內(nèi)取0.4，室外取0.3，MK為維護系數(shù)，一般取0.7～0.8，N 為燈具數(shù)量，A 為面積，單位為m2。

一般主動發(fā)光體采用發(fā)光強度單位燭光CD，如白熾燈、LED 等；反射或穿透型的物體采用光通量單位流明lm，如LCD 投影機等；而照度單位勒克司lx，一般用于攝影等領(lǐng)域。三種衡量單位在數(shù)值上是等效的，但需要從不同的角度去理解。比如：如果說一部LCD 投影機的亮度（光通量）為1 600 lx，其投影到全反射屏幕的尺寸為1 m2（60英寸），則其照度為1 600 lx，假設(shè)其出光口距光源1 cm，出光口面積為1cm2，則出光口的發(fā)光強度為1 600CD，而真正的LCD 投影機由于光傳播的損耗、反射或透光膜損耗、光線分布不均勻，亮度將大打折扣，一般有50%的效率就很好了。

1.10 發(fā)光效率和視覺靈敏度

LED 效率有內(nèi)部效率（PN 結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率），前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性。

1.10.1 發(fā)光效率

LED 光電最重要特性是用輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比，即發(fā)光效率。量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/PN 結(jié)載流子數(shù)=(e/hcI)∫λPλdλ。若輸入能量為W=UI，則發(fā)光能量效率ηP=P/W；若光子能量hc=ev，則η≈ηP，則總光通F =(F/P)P=KηPW，式中K=F/P。

1.10.2 視覺靈敏度

使用照明與光度學(xué)中的一些參量。人的視覺靈敏度在λ=555 nm 處有一個最大值680 lm/W。若視覺靈敏度記為Kλ，則發(fā)光能量P 與可見光通量F 之間關(guān)系為P=∫Pλdλ，F(xiàn)=∫KλPλdλ。

1.10.3 流明效率

LED 的光通量F/外加耗電功率W=KηP。它是評價具有外封裝LED 特性，LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。表1 為幾種常見LED 流明效率（可見光發(fā)光效率）。

品質(zhì)優(yōu)良的LED 要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高。事實上，LED 向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總發(fā)光效率應(yīng)為：η=ηiηcηe，式中ηi向為P、N 結(jié)區(qū)少子注入效率，ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，ηe為外部出光（光取出效率）效率。見表1。

表1 常見LED 流明效率

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

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

（2）把芯片晶體表面加工成半球形；

（3）用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。

有人曾經(jīng)用n= 2.4～2.6 的低熔點玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且熱塑性大的材料作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4～6 倍。

1.11 顯色性

原則上，人造光線應(yīng)與自然光線相同，使人的肉眼能正確辨別事物的顏色，當(dāng)然，這要根據(jù)照明的位置和目的而定。光源對物體顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性。通常叫做“顯色指數(shù)”（Ra）。顯色性是指事物的真實顏色（其自身色澤）與某一標準光源下所顯示的顏色關(guān)系。Ra 值的確定，是將DIN6169 標準中定義的8 種測試顏色在標準光源和被測試光源下做比較，色差越小則表明被測光源顏色的顯色性越好。Ra 值為100 的光源表示，事物在其燈光下顯示出來的顏色與在標準光源下一致。

1.12 色溫

色溫單位開爾文（K），指當(dāng)光源所發(fā)出的顏色與“黑體”在某一溫度下輻射的顏色相同時，“黑體”的溫度就稱為該光源的色溫，且溫度越高，光譜中藍色的成份則越多，而紅色的成份則越少。例如，白熾燈的光色是暖白色，其色溫表示為2 700 K，而日光色熒光燈的色溫表示方法則是6 000 K。

1.13 發(fā)光峰值波長及其光譜分布

LED 發(fā)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、峰值波長、譜線寬度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。

1.13.1 主波長

有的LED 發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長，甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED 色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED 發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。如GaP 材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED 長期工作，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。一般情況下發(fā)光波長隨溫度變化為0.2～0.3 nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。

1.13.2 峰值波長

無論什么材料制成的LED，都有一相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。

1.13.3 譜線寬度

在LED 譜線的峰值兩側(cè)±Δλ 處，存在兩個光強等于峰值一半的點，此兩點分別對應(yīng)λp- Δλ，λp+Δλ 之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄，即LED 單色性的參數(shù)，LED 半寬小于40 nm。

LED 的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及PN 結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。圖7 繪出幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED 光譜響應(yīng)曲線，其中LED 光譜分布曲線中，1 為藍光In-GaN/GaN LED，發(fā)光譜峰λp=460～465 nm；2 為綠光GaP:N LED，發(fā)光譜峰λp=550 nm；3 為紅光GaP:Zn-O LED，發(fā)光譜峰λp=680～700 nm；4 為紅外GaAs 光敏光電管，發(fā)光譜峰λp=910 nm；5 為Si光電二極管，通常作光電接收用，6 為標準鎢絲燈。

圖7 LED 光譜分布曲線

1.14.4 熱學(xué)特性

LED 的光學(xué)參數(shù)與PN 結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF<10 mA 或者10～20 mA時，長時間連續(xù)點亮LED 溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED 的主波長或λp就會向長波長漂移，Bo也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED 的可靠性、穩(wěn)定性影響很大，應(yīng)專門設(shè)計散射通風(fēng)裝置。

LED 的主波長隨溫度關(guān)系可表示為λp(T')=λ0(T0)+ΔTg×0.1 nm/℃，每當(dāng)結(jié)溫升高10 ℃，則波長向長波漂移1 nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度設(shè)計，尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設(shè)備、確保LED 長期工作。

除此之外，當(dāng)正向電流流經(jīng)PN 結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED 的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1%左右。封裝散熱時保持色純度與發(fā)光強度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)LED 的驅(qū)動電流限制在20 mA 左右。

1.15.1 壽命

LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象為老化，如圖8 所示。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為Bt=Bo×e-t/τ，其中Bt為t 時間后的亮度，Bo為初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2Bo所經(jīng)歷的時間t 稱為二極管的壽命。測定t 要花很長的時間，通常以推算求得壽命。測量方法為給LED 通以一定恒流源，點燃1×103～1×104h 后，先后測得Bo、Bt= 1 000～10 000，代入計算式求出τ；再把Bt=1/2Bo代入，可求出壽命t。

圖8 LED 發(fā)光亮度與時間變化關(guān)系

長期以來認為LED 壽命為1×106 h，這是指單個LED 在IF=20 mA 下。隨著功率型LED 開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認為以LED 的光衰減百分比數(shù)值作為壽命依據(jù)。如LED 的光衰減為原來35%，壽命>6 000 h。國內(nèi)行業(yè)通常用光衰至70%所需的時間來定義LED 光源的壽命，即L70。大功率LED 發(fā)熱量更大，光衰會讓亮度不斷降低，所以要求遠離發(fā)熱源并要求表面溫度控制在60 ℃以內(nèi)，一旦降到原來亮度的50%以下就不可用。LED 隨著電流的增加和溫度的升高，它的使用壽命會成某個曲線下降，特別是反向漏電流會隨溫度升高，漏電會明顯增加，導(dǎo)致LED 壽命衰減很快。

2 LED 光源特點

以照明為例，LED 照明燈在能耗、可靠性及壽命均優(yōu)于傳統(tǒng)燈，詳見表2。作為第三代半導(dǎo)體照明光源，LED 光源有很多優(yōu)點。

（1）光效率高：光譜幾乎全部集中于可見光頻率，效率可以達到80%～90%。而光效差不多的白熾燈可見光效率僅為10%～20%。

（2）光線質(zhì)量高：由于光譜中沒有紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射，屬于典型的綠色照明光源。

表2 LED 燈與傳統(tǒng)燈性能對比

（3）能耗?。盒」β蔐ED 一般在0.05 W 左右，以其作為光源，在同樣亮度下耗電量僅為普通白熾燈的1/10。

（4）響應(yīng)時間短：白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED 燈的響應(yīng)時間為納秒級；

（5）壽命長：光通量衰減到70%的標準壽命是10 萬h。一個半導(dǎo)體燈正常情況下可以使用50年，即使長命百歲的人，一生最多也就用2 只燈。

（6）適用性強：每個單元LED 小片是3～5 mm的正方形，可制備成各種形狀的器件，且適合于易變的環(huán)境。

（7）可靠耐用：沒有鎢絲、玻殼等易損部件，非正常報廢率很小，維護費用極為低廉。

（8）安全：單位工作電壓大致在3 V 左右，工作電流在20 mA 左右。

（9）綠色環(huán)保：廢棄物可回收，沒有污染，不像熒光燈一樣含有汞成分。

LED 光源的缺點：

（1）單向性：LED 光源具有單向性，只能照亮一個方向，相比傳統(tǒng)點光源投射出照亮一個空間不容易，暫時更適合用作道路燈或手電。

（2）單個功率低：市面上的單體LED 功率一般在5 W 以下，還沒有出現(xiàn)更大功率的LED，這是目前LED 難以成為照明首選的最大瓶頸。

（3）價格高：價格是LED 難以成為照明的主要因素，目前單體黃色LED 大約0.6 元/ 個，綠色與藍色單體LED 在1.8 元/ 個左右，白色LED 的價格達到了2.2～5.5 元/ 個；如果將幾十個單體LED 組合，其成本將大大增加。

（4）顯色指數(shù)低：在LED 照射下顯示的顏色沒有白熾燈真實。

（5） 需嚴格控制溫度：LED 是一種半導(dǎo)體材料，具有PN 結(jié)，由于高亮二極管的功率相對比較大，所以與功率半導(dǎo)體器件相同，需要考慮散熱問題，結(jié)溫過高會直接影響LED 的壽命，并且會增大LED 光衰，情況嚴重的會將LED 燒壞。

3 LED 分類及選用

3.1 LED 的分類

3.1.1 按發(fā)光顏色分

主要包括紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片?，F(xiàn)在還沒有直接可以發(fā)白光的商用化芯片，一般采用藍光芯片激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光的方式實現(xiàn)。

3.1.2 按封裝方式及出光面特征分

按照封裝方式，LED 封裝主要有直插封裝、表面貼裝、扁平封裝（食人魚）及模塑灌封（大功率）幾類。直插封裝又包括方型、圓形、矩形、橢圓形，圓形封裝按直徑又包括準2 mm、準3 mm、準4.4 mm、準5 mm、準8 mm、準10 mm、準12 mm 及準20 mm，國外通常把準3 mm 的發(fā)光二極管記作T-1，把 準4.4 mm 的記作T-1（1/4），把 準5 mm 的記作T-1（3/4）。表面貼裝又包括Hi-Power、Top View、Side View 等。

3.1.3 按發(fā)光二極管支架及透鏡材料分

支架材料包括全環(huán)氧封裝（LCP/PPA）、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節(jié)能指示燈，適作電源指示用；陶瓷底座環(huán)氧封裝具有較好的工作溫度性能，引腳可彎曲成所需形狀，體積小。透鏡材料主要包括硅膠、PMMA、PC 及玻璃透鏡四大類。

3.1.4 按發(fā)光管透鏡膠色分

根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管可做指示燈用。

3.2 LED 燈珠的選擇

LED 芯片發(fā)光必須由外界通入電流，因此一般會把尺寸很小的芯片黏貼在特定的支架上（或稱導(dǎo)線架）并以金屬線或焊錫等材料連接芯片正負兩極，后用高分子材料包覆，即為封裝制程，后成為常見的顆顆LED 燈珠。在實際應(yīng)用時，還會視所需把數(shù)顆LED 燈珠組裝成模組，再與其它功能模組組合成終端產(chǎn)品。

好的產(chǎn)品，對于LED 燈珠的選擇非常重要，可從以下幾個方面去考慮。

3.2.1 LED 芯片尺寸考慮的指標

大功率LED 的芯片尺寸主要有609.6 μm，965.2 μm，1143.0 μm 和1397.0 μm 等 四 種 規(guī)格，350 mA 燈珠多使用965.2 μm 尺寸的芯片，700 mA 燈珠多使用1143.0 μm 或1397.0 μm 尺寸的芯片。一般來說芯片尺寸越大，電性效果越好，穩(wěn)定性高，亮度可以做得越高，能應(yīng)用的場合越高端，相應(yīng)的價格越貴。1143.0 μm 方片1 W能做到110～120 lm，還可做到3 W（160～180 lm）；965.2 μm 方片1 W 可做 到90～100 lm，但以80～90 lm 為主，室內(nèi)照明多選擇965.2 μm，但高端應(yīng)用多選擇1143.0 μm ；609.6 μm 方片1 W 能做到70～80 lm，但實際上60 lm 比較合適，亮度太高，容易死燈，燒壞。若使用小芯片封裝LED燈珠，但規(guī)格標識為較大的額定電流，以達到提高額定功率，這種情況會造成LED 燈珠的光衰比較嚴重。

3.2.2 LED 燈珠的散熱結(jié)構(gòu)分析

LED 支架熱沉不同，主要是指芯片到鋁基板的散熱通道，有銅、鐵、陶瓷、塑料、玻璃等材質(zhì)，需要認真研究LED 燈珠的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。LED 燈珠的傳熱是一個熱傳導(dǎo)的過程，先經(jīng)過芯片傳導(dǎo)到熱沉，再由熱沉傳導(dǎo)到鋁基板，陶瓷基板熱沉的熱阻可做到6 ℃/W，有的甚至更低；而塑料材質(zhì)的熱沉導(dǎo)熱能力相對比較差，如常用的3528 封裝的燈珠，散熱問題是比較難處理的；又如很多插件的LED 燈珠使用的是鐵材質(zhì)的管腳，導(dǎo)熱能力就更差，光衰非常嚴重。目前很難用儀器直接測量LED 結(jié)溫，基本上是測量鋁基板的溫度，再用熱阻推算出LED 結(jié)溫，所以LED 燈珠的熱阻值非常重要。

典型的傳統(tǒng)LED 安置在能承受0.1 W 輸入功率的包封內(nèi)，其90%的熱量是由負極的引腳支架散發(fā)至PCB，再散發(fā)到空氣中。常規(guī)準5 mm 型LED 封裝是將邊長0.25 mm 的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線支架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。

3.2.3 LED 燈珠的一次光學(xué)透鏡材質(zhì)分析

目前透鏡材料有硅膠、PMMC、PC 及玻璃等材質(zhì)，硅膠透鏡可以進行SMT 加工，可適合大批量生產(chǎn)，抗老化能力也比另外兩種材質(zhì)強，但LED 燈珠的成本相對另外兩種材質(zhì)會高10%左右。PMMC、PC 透鏡不可進行SMT 加工，會造成透鏡脫落現(xiàn)象。值得注意的是，PMMC、PC 等硬材質(zhì)透鏡的LED 燈珠，不可以讓燈珠在成品燈具里受力，不可以把LED 燈珠的透鏡作為定位用，所以不能因為結(jié)構(gòu)定位問題去選擇PMMC 或PC 材質(zhì)透鏡的LED 燈珠。

3.2.4 防護等級（IP）

防護等級是指防止塵埃等固體異物觸及或沉積在燈具帶電部件上引起危險，也為了防止雨水進入燈具內(nèi)造成危險的保護級別。I、P 分別代表防塵、防水，IP 后面的數(shù)字代表防護的級別高低，分別是0-6、0-8，如IP65 表示塵密、防噴水。

3.2.5 LED 燈珠光電參數(shù)的選擇

LED 燈珠的光電參數(shù)主要包括光效、光通量、發(fā)光強度、波長、顯色指數(shù)、色溫、色坐標、電壓等。光效是一個很重要的參數(shù)，等于光通量除以功率，若在電流恒定的情況下（如350 mA），電壓與光效就有絕對關(guān)系，選一顆100～110 lm（假設(shè)為105 lm）的LED 燈珠，供應(yīng)商分BIN 的電壓范圍有3.0～3.2 V、3.2～3.4 V、3.4～3.6 V 電壓的LED 燈珠，可得出3.0 V 電壓的LED 燈珠光效為105/3×0.35=100 lm/W，而3.6 V 電壓的LED 燈珠光效為105/3.6×0.35=83 lm/W，兩者光效相差17 lm/W，從燈珠的光效來講，低電壓的燈珠可以達到提高整燈光效的目的。有些封裝廠家，采用降低顯色指數(shù)或偏移色坐標的辦法來實現(xiàn)提高光通量的目的，實際應(yīng)用過程中，常發(fā)現(xiàn)相同色溫的LED 燈珠，肉眼看到的顏色不一致，特別是6 000 K 色溫的LED，有的看起來偏綠色，此時檢查LED 色品圖，其色溫坐標位置基本上偏離6 000 K 色溫黑體軌跡較遠，對于這類高光通量的燈珠，就需要評估是否能夠滿足客戶的需求。顯色指數(shù)也是相關(guān)標準的重要指標，若只追求高的光通量，顯色指數(shù)是達不到標準的。

3.2.6 對LED 封裝供應(yīng)商進行驗廠

因為LED 對ESD、MSD 有較高的要求，所以除了常規(guī)ISO 流程驗廠之外，還要特別注意LED封裝車間的環(huán)境狀況，一般情況生產(chǎn)車間的濕度是50%～70%，LED 芯片抗靜電大約為2 000 V，封裝LED 燈珠的車間一定要做好防靜電處理。

3.2.7 與LED 封裝廠家技術(shù)人員交流技術(shù)問題

必須與LED 封裝廠家的技術(shù)負責(zé)人進行技術(shù)交流，技術(shù)人員的能力水平，直接影響其產(chǎn)品的可靠性，LED 封裝廠家的技術(shù)人員一定要懂得如何選擇支架、芯片、硅膠等材料；生產(chǎn)過程中如何控制熒光粉、膠水等用量及比例；LED 燈珠的熱阻是如何得出的；此類問題都需要有一個符合邏輯的解答和相關(guān)的測試數(shù)據(jù)。

3.2.8 LED 燈珠老化測試

通過此項測試，可以對比評估不同品牌LED燈珠的壽命，LED 燈珠的壽命都很長，如何才能在短時間（如兩個月以內(nèi)）測試其光衰呢？一般封裝廠家也會做光衰測試，但其測試條件（如散熱條件，測試環(huán)境等）各不相同，無法在不同品牌之間對比光衰優(yōu)劣，很難作為選擇LED 燈珠的依據(jù)，這就需要成品廠家自身安排測試。一種簡單實用的測試方法就是把LED 燈珠焊接在鋁基板上，再把鋁基板貼在一個散熱器上，用恒流源點亮，定期測試其光通量，計算出光衰。

測試必須注意以下問題：

（1）恒流源供電，測試電流必須一樣，避免LED 驅(qū)動電流不一致的干擾。

（2）散熱器結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、材質(zhì)必須是一樣的，體積不宜過大或過小，如350 mA 電流的LED 燈珠，使用20 g 到30 g 的鋁材進行散熱較為合適，若散熱器太大，會延長老化時間，若太小的散熱器會使燈珠芯片的溫度過高（如結(jié)溫超過125 ℃），會造成芯片不可復(fù)原的損傷，達不到測試的目的。

(3)使用的電流要比燈珠供應(yīng)商推薦的電流大1.5 倍，如推薦350 mA 電流的燈珠，要使用500 mA 電流進行老化測試，目的是縮短測試時間。

(4)控制測試的環(huán)境溫度、濕度，注意測試的架上不能有流動的空氣。

(5)鋁基板、導(dǎo)熱硅脂等要一致。

測試燈珠的初始光通量，接下來每一個周測試一次光通量，注意色坐標、顯色指數(shù)等指標的變化是否在規(guī)定值以內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)光電參數(shù)中某些值發(fā)生變化，則要檢查其是否能滿足標準規(guī)定的要求。LED 燈具廠家積累這些測試數(shù)據(jù)，作為選擇LED 燈珠的重要依據(jù)。

3.2.9 成品老化測試

由于LED 燈珠在不同的條件下（如LED 芯片抗電流還是抗溫度沖擊的耐受能力有所不同），光衰情況會有不一樣，故成品光衰測試非常有必要，測試的目的是驗證LED 燈珠在實際使用時的光衰情況，此測試是一個長期（通常大于6 000 h）的過程，為了方便記錄，可以通過記錄照度的方式來記錄光衰情況。同時規(guī)定周期（如1 個月），測試其光電參數(shù)的變化情況。

3.2.10 芯片的品牌及選用

目前，可供LED 封裝廠家選擇的芯片主要有三類，如CREE 等歐美日品牌，晶元等臺灣品牌，三安等大陸品牌。使用不同芯片封裝的LED 燈珠成本也不同，而不同品牌的芯片是無法用肉眼來分別的，LED 封裝廠家有可能出現(xiàn)使用小品牌芯片冒充知名品牌芯片的情況，對于LED 燈具廠家，需要與封裝廠家建立良好的合作關(guān)系，考察其使用芯片的流程，保證購買到的是合同規(guī)定的芯片封裝的LED 燈珠。

LED 燈珠的成本很大程度影響到了成品燈具的價格。目前市面上低價位的燈珠一般選擇609.6 μm 的方片、大圓片、毛片及散晶。大圓片芯片燈珠使用較多，相對方片來說便宜很多，此類好一些的芯片也能做到90～100 lm，但由于不像方片經(jīng)過嚴格挑選，死燈、燒壞、光衰大及色差一致性不高的問題就比較多。毛片性能更差，具備了大圓片的不良外，其最大的不良就是什么顏色都有，不只是單純的色差大，在藍膜上有一些不符合正常出貨要求的晶片，也就自然成了邊片或毛片。散晶是在LED 芯片制作過程中，把一些有缺陷的或者電極有磨損的芯片分撿出來，即散晶。芯片類型選擇優(yōu)先順序為正規(guī)方片、大圓片、毛片和散晶。

3.2.11 關(guān)于LED 專利的問題

對于成品燈出口的企業(yè)，必須了解銷售市場的LED 專利問題，目前CREE、BRIDGELUX 等芯片廠家對某些大陸LED 封裝廠家有專利授權(quán)，若要規(guī)避專利問題，就需要LED 封裝廠家提供專利授權(quán)書，專利授權(quán)書包括：芯片專利和熒光粉專利。目前很多LED 燈珠供應(yīng)商在口頭上承諾專利沒有問題，但在實際遇到專利案件時，專利問題還得要LED 燈具廠家處理。

3.3 大功率LED 燈珠的選擇

大功率LED 市場前景被業(yè)界看好，但就目前來講，產(chǎn)品缺少標準，質(zhì)量層次不齊，選用LED 燈珠依然要冷靜、科學(xué)地分析，選用性價比最好的LED 光源，其選擇需要考慮晶片質(zhì)量及大小、膠體、發(fā)光角度、波長、亮度、壽命、漏電電流以及抗靜電能力（大于700 V 才能用于LED 燈飾）等。

每一種產(chǎn)品都會有不同的設(shè)計，不同的設(shè)計適用于不同的用途，LED 燈飾的可靠性設(shè)計方面包括電氣安全、防火安全、適用環(huán)境安全、機械安全、健康安全、安全使用時間等因素。從電氣安全角度看，應(yīng)符合相關(guān)的國際、國家標準。由于LED是新產(chǎn)品，我國國家標準滯后，但提供產(chǎn)品合格的測試。具有國際安全認證（如GS、CE、UL 等）及國家產(chǎn)品質(zhì)量合格證的LED 燈飾價格要高，因為這些產(chǎn)品在安全設(shè)計上是可靠的。消費者注意的是要認真鑒別證書的真?zhèn)危F(xiàn)有國際安全認證及國家產(chǎn)品合格證的廠家并不多。從健康角度看，采用無毒材料設(shè)計的產(chǎn)品價格要高，特別是室內(nèi)LED燈飾。目前采用無毒材料設(shè)計的廠家并不多，辨別的方法可以直接用鼻子去分別，有臭味的要比無臭味的價格便宜。而類似鉛、汞、鎘等有毒成分則需專業(yè)人員分析。從適用環(huán)境安全角度看，有可靠的防塵防潮設(shè)計、材料防火、防紫外線、防低溫開裂的LED 產(chǎn)品的價格要高。

3.4 LED 應(yīng)用考慮因素

如作為儀器的指示燈，可能只有單個LED，只要正常點亮就行。但是作為照明、顯示屏或背光源時，往往需要很多的LED 組合起來。這時要根據(jù)使用情況選用LED 多個器件組合在一起時，一般應(yīng)考慮以下問題：

（1）作為顯示屏使用的LED，因為視距較遠，這時LED 的視角度要大，而且每個LED 的視角度要基本一致（相差在±3°以內(nèi)），否則肉眼會看出亮度不一致。

（2）作為背光源使用的LED，在同樣的距離時，要求光斑均勻，光斑大小要一樣，并且LED 的角度要大，這樣亮度才會均勻。

（3）在組合使用多個LED 光源時，必須考慮LED 在20 mA 工作電流下的正向壓降是否相同。如果相同，可以使用并聯(lián)驅(qū)動；如果不同，則使用串聯(lián)驅(qū)動。

（4）在組合使用多個LED 光源時，還要考慮發(fā)光強度的均勻性。如果波長在500～600 nm 之間，發(fā)光強度相差幾十毫坎[德拉]，肉眼可能會感覺亮度不均。

（5）在組合使用多個LED 光源時，也要注意每個LED 光源的波長。一般在500 ～600 nm 之間只要相差3 nm，肉眼就會觀察出顏色不同，而其他波段可能在3 ～5 nm 就會察覺出顏色不同。

針對白光LED 光源組合使用時，必須注意色溫均勻性和高顯色指數(shù)的選用。但對于LED 產(chǎn)品，由于各個廠家的標準不一樣，使用測試儀器所得出的結(jié)果也不一定都準確，因此此類參數(shù)僅供參考，不能作為一個標準。

3.4.1 色溫均勻性

白光的色溫范圍為2 500～13 000 K。若色溫相差太多的LED 組合在一起使用，那么視覺效果一定不好。一般情況下，當(dāng)色溫在10 000 K 以上時，每個LED 的色溫相差可在1 000 K，人眼區(qū)分不出色溫的不同。低色溫（低于6 000 K 時）LED之間的色溫相差不能大于500 K，這樣的組合視覺效果好。

3.4.2 高顯色指數(shù)

對用于商場、舞廳、劇場或顯示顏色的白光LED 光源，一定要選用高顯色指數(shù)。一般照明使用的顯色指數(shù)都必須在80 以上，在上述場合使用的顯色指數(shù)應(yīng)當(dāng)更高，最好大于90，否則在商場看到的物體顏色和太陽光下看到的物體顏色相差太大。

3.5 全彩顯示屏專用LED 燈珠的選擇

全彩LED 顯示屏的關(guān)鍵部件是LED 燈珠。首先，其是全彩屏整機中使用數(shù)量最多的關(guān)鍵器件，每平方米會使用幾千至幾萬只；其次，其決定整屏光學(xué)顯示性能的主體，直接影響觀眾對顯示屏的評價；最后，其在顯示屏整體成本中所占比例最大，從30%至70%不等。LED 燈珠的選擇已經(jīng)決定了整個顯示屏50%以上的質(zhì)量。如果未能選擇好的LED 燈珠，顯示屏的其他部件再好也無法彌補顯示屏質(zhì)量的缺陷。

全彩LED 顯示屏專用LED 燈珠的選擇除上述11 項基本要素外，其品質(zhì)和參數(shù)還需從以下5大要素考慮：

（1）失效率。全彩顯示屏是由上萬甚至幾十萬組紅、綠、藍三種LED 組成的像素點組成，任一顏色LED 燈珠的失效均會影響顯示屏整體視覺效果。按行業(yè)經(jīng)驗，一般來說在LED 顯示屏開始裝配至老化72 h 出貨前的失效率應(yīng)不高于萬分之三（指LED 燈珠本身原因引起的失效）。

（2）抗靜電能力。LED 燈珠是半導(dǎo)體器件，對靜電敏感，極易引致靜電失效，故抗靜電能力對顯示屏的壽命至關(guān)重要。一般來說，LED 燈珠的人體靜電模式測試失效電壓不應(yīng)低于2 000 V。

（3）衰減特性。紅、綠、藍LED 燈珠均具有隨工作時間的增加而亮度衰減的特性。LED 芯片優(yōu)劣、輔助物料好壞及封裝工藝水平高低決定了LED 燈珠的衰減速度。一般來說，用于戶外顯示屏的LED燈珠，1 000 h、20 mA 常溫點亮試驗后，紅色LED 的衰減應(yīng)小于3%，藍、綠色LED 的衰減應(yīng)小于5%。紅、綠、藍衰減的一致性對全彩LED 顯示屏日后的白平衡影響很大，進而影響顯示屏的顯示保真度。

（4）亮度。LED 燈珠亮度是顯示屏亮度的重要決定因素。亮度越高，使用電流的余量越大，對節(jié)省耗電、保持LED 燈珠穩(wěn)定有好處。LED 燈珠有不同角度值，在芯片亮度已定的情況下，角度越小，LED 發(fā)光越亮，但顯示屏視角則越小。一般應(yīng)選擇100°的LED 以保證顯示屏足夠的視角。針對不同點間距和不同視距的顯示屏，應(yīng)在亮度、角度和價格上找到一個平衡點。

（5）一致性。全彩顯示屏是由無數(shù)個紅、綠、藍LED 組成的像素拼合而成，每種顏色LED 燈珠亮度、波長的一致性決定了整個顯示屏的亮度一致性、白平衡一致性、色度一致性。一般來說，顯示屏廠家要求供應(yīng)商提供5 nm 以內(nèi)的波長范圍及1∶1.3 亮度范圍的LED 燈珠，這些指標可由器件供應(yīng)商通過分光分色機進行分級達到。電壓的一致性一般不做要求。

由于LED 發(fā)光是有角度的，故全彩LED 顯示屏同樣具有角度方向性，紅、綠、藍三種顏色LED 燈珠的角度一致性將嚴重影響不同角度白平衡的一致性，直接影響顯示屏視頻顏色的保真度，這就需要在封裝透鏡設(shè)計、原物料選擇上嚴格進行科學(xué)設(shè)計，這取決于封裝供應(yīng)商的技術(shù)水平。LED 燈珠的角度一致性特性可用LED 角度綜合測試儀測出，對于中、高檔顯示屏尤為重要。

4 結(jié) 論

LED 是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件，用途也由初時作為指示燈、顯示板等用途，逐步廣泛的應(yīng)用于顯示器、電視機采光裝飾和照明方面。作為一種新型節(jié)能產(chǎn)品，其技術(shù)也在不斷發(fā)展，芯片和封裝不再沿襲傳統(tǒng)的設(shè)計理念與制造生產(chǎn)模式，比如在增加芯片的光輸出方面，不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量，晶格缺陷和位錯來提高內(nèi)部效率，而且通過改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強LED 內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計，改進光學(xué)性能等方面已經(jīng)開始了研究。這種不斷改進的技術(shù)為LED 產(chǎn)品的選擇增加了一定的難度，使用者必須深入了解LED 產(chǎn)品性能和特點，才可進行合理選擇應(yīng)用。

LED 支架的作用及種類：

1）支架的作用：用來導(dǎo)電和支撐

2）支架的組成：支架由支架素材經(jīng)過電鍍而形成，由里到外是素材、銅、鎳、銅、銀這五層所組成。

3）支架的種類：聚光型（帶杯支架）和大角度散光型的Lamp（平頭支架）

支架結(jié)構(gòu)方面，直插支架常用規(guī)格用途有，02做短腳的，03 做大角度紅黃光的，04LD 做藍白綠光的，也有A5、A6 白光的，A7、A8 大杯底的，06做平頭的，09 做雙色三色的等；貼片支架常用規(guī)格 有TOP VIEW 3528、5050、3020 和3014，SIDE VIEW 335、008、020 和 010 ，HIGH POWER TO220、LUXEON、1-7W 等，由于各自規(guī)格沒有統(tǒng)一化，所以還有很多特殊的規(guī)格。詳見下表。

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