东华大学：材料科学与工程实验教学资源（讲义）白光LED的组装和测试.docx_大学文库

实验白光LED的组装和测试一、实验导读1.1LED发光原理LED（LightEmittingDiode）就是发光二极管，属于一种固态的半导体器件。它由两个半导体（P型和N型半导体）和中间一个有源层组成。当它两端加上正负电压时，电子开始移动并和空穴（带正电的离子）结合产生辐射光，即直接把电转化为光。其基本工作原理如图1所示。元净带发光·中心子注人E价带空穴送入P区N区::结区:图1.1LED的工作原理根据图1.1可见，LED的核心部分是PN结（在P区和N区的交界面形成空间电荷区称PN结），P区带过量的正电荷（通常称“空穴"，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴），N区带过量的负电荷（电子，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子）。当正向导通的电压加在这个半导体材料的PN结上时，电子就会从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动，在P区和N区的交界处电子和空穴发生复合，即电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，复合过程中能量就会以光的形式从LED中发射出来。电流从阳极流向阴极时，晶体就发出从紫外到红外不同顏色的光线，光的强弱与电流有关。而光的波长也就是光的颜色，这是由形成P-N结的材料决定的。根据不同的结构和材料，LED的发光颜色也不同。通常是采用两种有细微差异的材料构成N区和P区。N区和P区的交界处形成的P-N结组成发光层。P区和N区必须有两个电极作为输入接触电极，同时不同颜色的LED都有衬底衬底的材料也有不同。为了能使衬底与P区很好地结合，必须采用某种材料作为它们两层之间良好结合的缓冲层。这样就完整地组成了LED的基本结构。目前，照明领域使用的LED有两大类，一类是磷化铝、磷化和磷化钢的合金（AIGalnP或AIInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金（InGaN），可以做成绿色、蓝色和白色的LED。1.2LED的分类及性能参数按极性分类可分为：N/P，P/N

实验白光 LED 的组装和测试一、实验导读 1.1 LED 发光原理 LED（Light Emitting Diode）就是发光二极管，属于一种固态的半导体器件。它由两个半导体（P 型和 N 型半导体）和中间一个有源层组成。当它两端加上正负电压时，电子开始移动并和空穴（带正电的离子）结合产生辐射光，即直接把电转化为光。其基本工作原理如图 1 所示。图 1.1 LED 的工作原理根据图 1.1 可见，LED 的核心部分是 PN 结（在 P 区和 N 区的交界面形成空间电荷区称 PN 结），P 区带过量的正电荷（通常称“空穴”，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴），N 区带过量的负电荷（电子，如，由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子）。当正向导通的电压加在这个半导体材料的 PN 结上时，电子就会从 N 区向 P 区移动，空穴从 P 区向 N 区移动，在 P 区和 N 区的交界处电子和空穴发生复合，即电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，复合过程中能量就会以光的形式从 LED 中发射出来。电流从阳极流向阴极时，晶体就发出从紫外到红外不同顏色的光线，光的强弱与电流有关。而光的波长也就是光的颜色，这是由形成 P-N 结的材料决定的。根据不同的结构和材料，LED 的发光颜色也不同。通常是采用两种有细微差异的材料构成 N 区和 P 区。N 区和 P 区的交界处形成的 P-N 结组成发光层。P 区和 N 区必须有两个电极作为输入接触电极，同时不同颜色的 LED 都有衬底，衬底的材料也有不同。为了能使衬底与 P 区很好地结合，必须采用某种材料作为它们两层之间良好结合的缓冲层。这样就完整地组成了 LED 的基本结构。目前，照明领域使用的 LED 有两大类，一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP 或 AlInGaP），可以做成红色、橙色和黄色的 LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金（InGaN），可以做成绿色、蓝色和白色的 LED。 1.2 LED 的分类及性能参数按极性分类可分为：N/P，P/N

按发光部位分为表面发光型（光线大部分从芯片表面发出）和五面发光型（表面，侧面都有较多的光线射出）。按LED的输出功率可分为小功率、功率和W级功率LED，具体划分标准如表1.1:表1.1按LED的输出功率进行分类功率等级芯片面积输入功率输入电流输入电压封装方式光通量小功率8milx8mil1.9~2.1 V3mm、5mm60 mW20 mA2~4 ImLED14 milx14 mil3.0~3.6V（为直径）40~1002~2.3V功率LED0.5W食人鱼封装20milx20mil4~6 ImmA3.0~3.6VW级功率200~3501W3.0~3.6V1mm×1mm铝基板为热沉6~50ImLEDmA月前，LED的发光效率一般可达到100~150lm/W以上，寿命（光源光通50%衰减的时间）达到100000h，亮度达到10cd/m2以上，输入功率6.7W/lamp，显色指数80以上，光通调节范围为0~100%，色温调节范围2000-8000K，工作温度（LED的工作温度在100℃时，其光通量下降20%）范围为-55~100℃，初始启动时间和热启动时间均为纳米级，每千流明采购成本小于5$/Klm，每瓦单灯的采购成本小于1.3$/W.lamp。1.3行业发展分析半导体灯作为典型的绿色照明光源，孕育出诱人的市场前景。LED应用市场的规模，2004年全球超过120亿美元：2010年全球将达到500亿美元，中国将达到600亿元人民币。据中国光学光电子协会统计，国内市场将保持30%以上的成长速度。1.3.1显示领域2010年2月以后，5000元以上价位的液晶显示器大部分采用LED显示屏，LED比普通LCD显示器更薄、更省电、寿命更长，拥有更广的色域、更高的对比度。LED由于光谱几乎全部集中于可见光频率，没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色光源。日前，三星电子宣布成功开发出厚度为3.9毫米的40英寸LED电视用超薄液晶面板。我国LED显示屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的LED显示屏生产厂商。目前LED显示屏已经广泛应用到车站、银行、证券、医院。在LED需求量上，LED显示屏仅次于LED指示灯名列第二，占到LED整体销量的23.1%。由于用于显示屏的LED在亮度和寿命上的要求高于LED指示灯，平均价格在指示灯LED之上，这就导致显示屏用LED市场规模达到32.4亿元

按发光部位分为表面发光型（光线大部分从芯片表面发出）和五面发光型（表面，侧面都有较多的光线射出）。按 LED 的输出功率可分为小功率、功率和 w 级功率 LED，具体划分标准如表 1.1：表 1.1 按 LED 的输出功率进行分类功率等级芯片面积输入功率输入电流输入电压封装方式光通量小功率 LED 8 milx8 mil 14 milx14 mil 60 mW 20 mA 1.9~2.1 V 3.0~3.6 V 3 mm、5 mm （为直径） 2~4 Im 功率 LED 20 milx20 mil 0.5 W 40~100 mA 2~2.3 V 3.0~3.6 V 食人鱼封装 4~6 Im W 级功率 LED 1mm×1mm 1 W 200~350 mA 3.0~3.6 V 铝基板为热沉 6~50 Im 目前，LED 的发光效率一般可达到 100~150lm/W 以上，寿命（光源光通 50% 衰减的时间）达到 100000h，亮度达到 106cd/m2 以上，输入功率 6.7W/lamp，显色指数 80 以上，光通调节范围为 0~100%，色温调节范围 2000-8000 K，工作温度（LED 的工作温度在 100℃时，其光通量下降 20%）范围为-55~100 ℃，初始启动时间和热启动时间均为纳米级，每千流明采购成本小于 5 $/Klm，每瓦单灯的采购成本小于 1.3 $/W.lamp。 1.3 行业发展分析半导体灯作为典型的绿色照明光源，孕育出诱人的市场前景。LED 应用市场的规模，2004 年全球超过 120 亿美元；2010 年全球将达到 500 亿美元，中国将达到 600 亿元人民币。据中国光学光电子协会统计，国内市场将保持 30%以上的成长速度。 1.3.1 显示领域 2010 年 2 月以后，5000 元以上价位的液晶显示器大部分采用 LED 显示屏， LED 比普通 LCD 显示器更薄、更省电、寿命更长，拥有更广的色域、更高的对比度。LED 由于光谱几乎全部集中于可见光频率，没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色光源。日前，三星电子宣布成功开发出厚度为 3.9 毫米的 40 英寸 LED 电视用超薄液晶面板。我国 LED 显示屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的 LED 显示屏生产厂商。目前 LED 显示屏已经广泛应用到车站、银行、证券、医院。在 LED 需求量上，LED 显示屏仅次于 LED 指示灯名列第二，占到 LED 整体销量的 23.1%。由于用于显示屏的 LED 在亮度和寿命上的要求高于 LED 指示灯，平均价格在指示灯 LED 之上，这就导致显示屏用 LED 市场规模达到 32.4 亿元

超过指示灯位居榜首成为LED的主要应用市场。凭借着独特优势，LED全彩显示屏广泛应用于体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。1.3.2照明领域a)LED路灯大功率LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管。目前来说，LED的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯。LED现在的光效一般在100~120lm/W，而且随着技术的发展，LED的光效每年都在提高，而高压钠灯可以达到150lm/W。但是，高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低，只有2000~2500K，而LED的色温较高，可以达到3500~4500K以上。另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。还有，高压钠灯的显色指数差，只有23左右，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75~80，甚至在90以上。路面明亮，感觉舒适。所以从实际的发光效果来看，LED可以比高压钠灯高出很多。135W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。135W的LED，其输出光通量大约只有7020流明（经过二次光学设计，会有所损失），到达路面时的流明数仍为6500流明，而路面的平均照度可以达到16Lux(12m高杆)。250W高压钠灯的输出光通量为20000流明。但到达路面的流明数就只有7000流明。路面的照度大约为30~40Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。所以135W的LED经过修正以后地面的照度为37.6LuX，而高压钠灯的修正后的照度为28.2~37.6，二者相当。所以，135W的LED取代250W的高压钠灯，LED可以节能1.85倍，节能效率约为50%。b）汽车领域LED作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和相应速度快的特点。有统计显示，在汽车以100公里的时速行驶下，装有LED刹车灯的车辆较没有装LED刹车灯的车辆刹车距离将减少7英尺。目前，LED已经逐步应用在汽车的第三刹车灯上。虽然LED目前还面临着单位瓦数流明低以及相关政策的限制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的下降以及发光效率的提升，最终LED将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED车灯市场面临着巨大的发展潜力。c）室内照明室内装饰灯市场是LED的另一新兴市场。通过电流的控制，LED可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代中，LED颜色多样化有助于LED装饰灯市场的发展。LED已经开始做成小型装饰灯，装饰幕墙应用

超过指示灯位居榜首成为 LED 的主要应用市场。凭借着独特优势，LED 全彩显示屏广泛应用于体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。 1.3.2 照明领域 a) LED 路灯大功率 LED 路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率 LED 路灯的光源采用低压直流供电、由 GaN 基功率型蓝光 LED 与黄色荧光粉合成的高效白光二极管。目前来说，LED 的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯。LED 现在的光效一般在 100~120lm/W，而且随着技术的发展，LED 的光效每年都在提高，而高压钠灯可以达到 150lm/W。但是，高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低，只有 2000~2500K，而 LED 的色温较高，可以达到 3500~4500K 以上。另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。还有，高压钠灯的显色指数差，只有 23 左右，感觉昏暗；而 LED 的显色指数高，可以达到 75~80，甚至在 90 以上。路面明亮，感觉舒适。所以从实际的发光效果来看， LED 可以比高压钠灯高出很多。135W 的 LED 可以取代 250W 的高压钠灯，或 300W 的水银灯。135W 的 LED，其输出光通量大约只有 7020 流明(经过二次光学设计，会有所损失)，到达路面时的流明数仍为 6500 流明，而路面的平均照度可以达到 16Lux(12m 高杆)。250W 高压钠灯的输出光通量为 20000 流明。但到达路面的流明数就只有 7000 流明。路面的照度大约为 30~40Lux，由于显色系数的差别，LED 的照度修正系数为 2.35 倍，高压钠灯的修正系数为 0.94 倍。所以 135W 的 LED 经过修正以后地面的照度为 37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为 28.2~37.6，二者相当。所以，135W 的 LED 取代 250W 的高压钠灯，LED 可以节能 1.85 倍，节能效率约为 50%。 b）汽车领域 LED 作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和相应速度快的特点。有统计显示，在汽车以 100 公里的时速行驶下，装有 LED 刹车灯的车辆较没有装 LED 刹车灯的车辆刹车距离将减少 7 英尺。目前，LED 已经逐步应用在汽车的第三刹车灯上。虽然 LED 目前还面临着单位瓦数流明低以及相关政策的限制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的下降以及发光效率的提升，最终 LED 将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED 车灯市场面临着巨大的发展潜力。 c）室内照明室内装饰灯市场是 LED 的另一新兴市场。通过电流的控制，LED 可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代中，LED 颜色多样化有助于 LED 装饰灯市场的发展。LED 已经开始做成小型装饰灯，装饰幕墙应用

在酒店、居室中。 d) 景观照明 LED 画卷曾在北京奥运会开幕式上崭露头角，而今年的上海世博会为 LED （半导体照明）提供了另一秀场。据上海世博会组织者介绍，在世博会 15 公顷城市最佳实践区、“一轴四馆”的景观照明全部采用 LED，整个园区中的 80%以上夜景照明采用 LED，世博园区将成为全球最大的 LED 集中示范区 1.3.3 封装领域国内近年许多高校、研究所和企业在发光材料器件结构封装方式等方面做了大量的研究开发工作，目前功率 LED 器件光通量已能达到或接近国外先进水平。内地众多封装企业中，国内较有基础的有佛山光电、宁波升谱光电、厦门华联等企业。台湾 LED 封装产能在迅速的膨胀已成为世界上最大的 LED 生产基地，目前主要有光宝、亿光、百鸿等企业。二、实验提要 LED 芯片通过银胶固定在支架上，芯片尽量要固定在支架中央，能够使得芯片所发出的光与透镜相匹配，得到最大程度利用。银胶除了固定芯片的作用外，同时将大功率 LED 芯片产生的热量传导出去。白光 LED 的配色方案一般分为三种：红、绿、蓝三色芯片配白光；近紫外芯片加红绿蓝三色荧光粉配白光；蓝色芯片加黄色荧光粉配白光。第三种最易操作，加到芯片上的荧光粉要适量，过多颜色偏黄，过少颜色偏蓝。三、实验内容 3.1 材料大功率 LED 芯片、大功率支架、透镜、激发光与 LED 芯片相匹配的荧光粉、银胶、环氧树脂、 3.2 仪器扩晶机、点胶机、刺晶坐、烘箱、LED 光谱测试仪 3.3 封装过程 3.3.1 扩晶由于 LED 芯片在切割后依然排列紧密间距很小(约 0.1mm)，不利于固晶工序的操作。故采用扩晶机对粘结芯片的膜进行扩张，使 LED 芯片的间距拉伸到约 0.6mm。 3.3.2 固晶固晶其实是结合了点胶和固晶两大步骤，先用点胶机在 LED 支架上点上银