LED景观设计研究文档格式.docx
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3.2.3LED的热效应对光通量的影响.......................................13
3.2.4LED的热效应对光色的影响...........................................13
3.2.5LED的热效应对寿命的影响...........................................13
3.3大功率LED散热封装的研究现状................................................14
3.3.1芯片结构............................................................................14
3.3.2封装结构............................................................................16
3.3.3封装材料............................................................................18
3.4LED封装的发展趋势.....................................................................18
3.5LED封装散热性能的表征和测试.................................................19
3.5.1LED封装散热性能的表征...............................................19
3.5.2LED封装散热性能的测试...............................................20
3.6本章小结.............................................................................................21
第四章新型大功率LED封装的结构及材料..............................................23
4.1新型的大功率LED封装................................................................23
4.1.1高功率LED兼容集成封装模块.........................................23
4.1.2自散热式的发光二极管日光灯...........................................24
4.2新型LED封装的材料选取............................................................25
4.2.1散热基板...............................................................................26
4.2.2绝缘层...................................................................................26
4.2.3电极层...................................................................................27
4.3本章小结.........................................................................................30
第五章展望..................................................................................................31
第一章绪论
1.1引言
随着国家半导体照明工程的启动,半导体照明技术将进一步改变我们的世界,LED灯就是有放光二极管做作为发光源的半导体灯具,是20世纪后期发明并发展起来的新光源,LED灯具具有色彩丰富,表现力强,绿色,节能,环保,寿命长、玉英成本低、可靠性高和维护成本低等优点,是目前公认的“绿色能源”。
现代城市的美丽夜景,体现着城市的文化品位,需要科学统筹、精巧策划和完美设计,达到人与环境和谐。
1.2本文研究的目的
本文重点研究影响LED灯散热性能的因素及这些因素对散热性能的影响程度,为大功率LED灯的结构设计、散热器优化提供理论基础。
第二章LED用于景观照明的优势
自1996年国家经贸委等部门组织实施:
“中国绿色照明工程”以来,绿色照明的概念深入人心。
作为第四代新型照明光源,LED具有许多不同于其他的电光源的特点,这也使其成为节能环保光源的首选,而在景观照明领域中,还有很多优势:
①低压供电:
LED单体工作电压1.5—5V之间,无高压环节,工作电流20—70mA之间,在公共场合若与人体接触无危险。
可靠性高;
无汞、钠等有害物质,可回收,无电磁干扰、无有害射线等环保优点。
(1)福建和结构简单:
无启动器,镇流器或超高压变压器,不充气,无玻璃外壳,无气体密封问题,耐冲击;
对灯具强度和刚度要求很低,体积小巧。
LED功率一般在0..3~1W,通过集群方式可以满足各种景观灯具造型的需要。
(2)可控性好:
LED等有外控和内控两种控制方式,内控无需外接控制器可自行变色,通过微芯片的控制,可以实现渐变、跳使变、色彩闪烁、渐变交替、追逐、扫描等流动效果,还可以通过DMX的控制、组合成屏,实现文字、图案的变化效果。
响应时间快(微妙数量级),可反复、频繁亮灭,基本无惰性,不会疲倦。
(3)色彩丰富,柔性化好:
由半导体PN结自身产生色彩,纯正,浓厚;
按照三基色原理加数字灰度控制技术,可演变出几乎超越大自然存在的任意色彩;
LED光源的精巧,使LED能适应各种几何尺寸和不同空间的装饰照明要求,诸如:
点、线、面、球、异形式,乃至任意艺术造型的灯光雕塑。
第三章LED及其封装的概述
3.1LED的简介
LED以其工作电压低、耗电量少、发光效率高、光色纯、全固态、质量轻、
体积小、成本低、绿色环保等一系列优点,成为21世纪最具发展前景的高技术
领域之一。
下面我们将分别介绍LED的结构、发光原理、主要参数性能、发展
现状与趋势。
3.1.1LED的结构
发光二极管是一种注入电致发光器件,由JIl一W族化合物,如GaP(磷化嫁)、
GaAsP(磷砷化嫁)等半导体制成。
LED的基本结构为一块电致发光的半导体材料,
置于一个有引线的架子上,然后外部用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,
如图2.1所示[5]。
其核心部分是p型半导体和n型半导体之间的过渡层,称为
Pn结,通常采用双异质结和量子阱结构。
它除了具备普通PN结的I一u特性,即正向导通,反向截止,击穿特性外,在一定的条件下,还具有发光特性【6】。
图2.1LED的基本结构
3.1.2LED的发光原理
LED发光原理可以通过能带结构解释:
如图2.2所示,n区导带底附近的
大量迁移率很高的电子,p区中存在较多的迁移率较低的空穴。
虽然存在大量的
空穴和电子,但在常态时,由于pn结的阻挡,空穴和电子不能发生自然复合【7】。
当在Pn结上加正向电压时,如图2.3所示,在外加电场作用下,pn结的厚度随
着载流子浓度的增加而减薄,结势垒降低,大量的电子从高能态的导带跃迁到价
带与空穴复合时【7】。
电子与空穴的复合将一部分能量以光子的形式转换为光能,
或者以声子的形式转换为热能。
当在Pn结上加反向电压,少数载流子难以注入,
故不发光。
图2.2热平衡条件下Pn结的能带图
图2.3外加正偏电压下pn结的能带图
严格说来,二极管发光分为两种[5]:
第一种是注入的电子与价带空穴的直接
复合或者电子先被发光中心捕获后再与空穴复合,发出的光均为可见光。
第二种
是注入的电子的一部分被非发光中心捕获后再与空穴复合,发出的光为不可见
光。
LED发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光内量子效率越高,
发光效率越高。
LED所发的光波波长入取决于材料的禁带宽度
,满足
其中h为普朗克常数,c为真空中的光速。
因此,选用禁带宽度不同的半导体材料,就可以制造出发光颜色不同的LED,现在常见的有红、黄、绿、蓝发光
二极管。
3.1.3LED的主要性能参数
3.1.3.1发光效率
发光效率几是LED的一个重要的性能指标,用l耐W来表达。
发光效率包
括内量子效率和外量子效率、提取效率及流明效率。
内量子效率
指单位时间内芯片有源区发出光子数与注入芯片电子数之比,与材料的种类、质量有关,目前随着芯片外延技术的发展和MOCVD技术的成熟,LED芯片的内量子效率均大于98%。
外量子效率
是指芯片输出光子数与注入芯片电子数之比。
提取效率
指芯片输出光子数与芯片有源区发出光子数之比。
流明效率肠指器件输出光通量与输入器件电功率之比。
内量子效率和外量子效率都反映了LED的光电转换效率。
一般来说,发光
效率是指外量子效率。
内量子效率、外量子效率和提取效率之间的关系可以由下
面的表达式表示:
其中J(x,y)力表示有源层中的电流密度。
由于流明效率除了和LED的外量子
效率有关外,还与人的视觉函数有关,因此,对于发可见光的LED而言,其流
明效率较量子效率更受关注。
LED器件流明效率的大小,取决于光谱流明效率
和能量损耗相关等几个效率的大小。
随着能量损耗相关效率的逐步提升,LED
器件流明效率也朝着其极限值—光谱流明效率逐步提高。
在量子效率相同的情况下,绿光具有最高的流明效率。
目前国内外的研制者常常结合光学原理,在芯片的外延结构和工艺方法上进
行探索,以制造出发光效率较高的LED芯片。
目前采用电流扩散层、高低电阻
系数层、厚窗口层等方法可以促使电流扩散,提高pn结发光效率,利用布喇格
反射层、透明衬底、表面电极吸收。
目前的主流结构有采用GaP厚窗口层的
InGaAIPLED芯片结构,采用GaP透明衬底的InGaAIPLED芯片结构以及采用
ITO透明电极的InGaAIPLED芯片结构。
各年份生产的LED发光效率如表
2.1所示。
从表2.1不难看出,LED的发光效率提高了1000倍以上。
1970一1990
年LED的发光效率提高得很慢,1990一2008年则提高得很快。
表2.1不同生产年份LED的发光效率比较
3.1.3.2发光强度
发光强度是用来表征LED在特定发光方向的单位立体角的发光强弱,通常
用法向光强表示,位于法向方向光强最大,其与水平面交角为90。
当角度偏离正法向,光强也随之变化。
由于LED在不同的空间角度光强相差很多,因此发光强度是一个同半角宽度和光强角分布联系密切的特征参数。
发光强度的角分布是描述LED发光在空间各个方向上光强分布特性,主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否),这个参数有着很重要的实际意义,因为直接影响到LED显示装置的最小观察角度。
对于光通量相同的LED,角度越大,对应的发光强度越小,但由于光强角分布的不同,光强和半角宽度二者之间没有一个固定的函数关系。
为了获得高指向性的角分布,通常采用LED管芯位置离模粒头远些、使用圆锥状(子弹头)的模粒头以及封装的环氧树脂中不添加散射剂灯措施。
国际照明委员会(CIE)中规定了LED的发光强度测试框图如图2.4所示,其中D表示被测LED器件,G表示电流源,PD表示面积为A的光阑Dl的光度探测器,DZ、D3表示消除杂散光光栏,d表示被测LED器件和光阑D,之间的距离。
将LED和标准照度探测器安装在光具座上,调整被测LED使其机械轴通过探测器孔径的中,自。
cIE规定了探测器光敏面的面积为100mm2,而且对于测量距离d,cIE规定了两个标准条件A和B,如表2.2所示。
通过分别测量在远场为316mm和近场为100mm的照度I,然后按照公式发光强度E=I/dZ,即可求出远场和近场发光强度。
表2.2LED发光条件测试标准条件
图2.4CIE规定的LED发光强度测试框图
3.1.3.3寿命
我们把LED的亮度衰减到初始亮度的一半所需时间称为LED的寿命。
LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象被称为老化。
器件老化程度与外加恒流源的电流密度有关,近似遵从如下规律:
其中式中
是初始亮度,侧
是老化时间为t的亮度,j是外加恒流源的电
流密度,r是老化时间常数。
测量LED的寿命要花较长时间,通常以以下方法测量:
给LED通以一电流密度为j的恒流源,先测得
,再点燃
小时后,测得
代入公式求得:
;
再令B(O=风/2代入公式
,即可求得LED的寿命。
长期以来,对于小功率LED而言,普遍寿命为
小时。
随着瓦级大功率
LED的研发,国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据,如LED
的光衰减为初始亮度的35%,寿命大于60000小时。
3.1.3.4I一V特性
LED的I一V特性也是表征LED芯片Pn结制备性能主要参数之一。
由于核心部分均为Pn结,所以LED的I一V特性和普通二极管大致一样,也具有非线性、整流性质:
单向导通性,即Pn结正偏时表现低接触电阻,反偏时表现为高接触电阻,如图2.5所示,其中b点对应于LED的正向开启电压气,c点对应LED的反向击穿电压K,不同的LED对应的开启电压也不同,如GaAs为1V,GaAsP为1.2v,GaP为1.sv,GaN为2.5v。
电流I与外加电压v呈指数关系,
符合以下的表达式:
其中
是LED反向饱和电流,k是波尔兹曼常数,T是LED所处的工作温度,n是复合因子,当n=1时,扩散电流起支配作用,当n=2时,在深能级进行复合的电流起支配作用。
由图2.5可知LED的I一V特性曲线可以划分为三段:
图2.5LED的I一V特性曲线
正向工作区:
对应图2.5中的ab段,当
的时候,I随着V成指数形式
增加,电流I与电压V的关系可以近似的表示成:
截止区:
对应图2.5中的be段,当
气,外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场,因此LED处于截止区域。
当
时,Pn结反偏,这时引入另外一个表征I一V特性的关键指标反向漏电流Ir,一般定义为当LED的反偏电压为-5V时,流过LED两端的电流。
Ir的大小能够反应出LED芯片抗静电能力和使用寿命,一般LED的反向漏电流都小于10uA。
反向击穿区:
如普通半导体二极管一样,LED也存在反向击穿现象,当
时,随着V逐渐减小,会出现LED电流反向急剧增大,而V减小的变化很小的
现象。
3.1.4LED的发展现状与趋势
早在1923年,德国学者O.W.Lossew将探针插在作检波器的碳化硅上,加上直流电压后发现了碳化硅的Pn结型发光现象。
但此后近四十年,对LED的研
究一直处于停滞状态,直至1962年通用电气实验室的HofonyakN博士等采用
GaAsP液相外延生长技术制成了第一支实用化的红色LED,不久橙色和黄绿色
也相继问世。
但由于GaAsP是间接带隙材料,发光效率很低,当时在驱动电流
ZOmA的条件下,单个LED器件的光通量仅有千分之几流明,流明效率不足0.1lm/W。
此后LED一直处于日新月异的发展之中,目前已经实现了全彩化和高亮度
化,并在在蓝色/紫色LED基础上产生的白光LED,带来了人类照明史上的又一
次飞跃。
目前,高亮度白光LED在实验室中已经达到100lm/W的水平,50lm/W
的大功率白光LED也进入商业化单个LED器件也从起初的几毫瓦一跃达到了
1500W。
根据LED发光材料体系、主要制作技术、产品性能、应用领域等方
面,可以将LED的发展历史分为四个阶段:
第一阶段:
从1962年到80年代初,受发光强度和流明效率等因素所限,LED主要应用于状态指示领域。
此时的LED多采用间接带隙的GaAsP,GaP作为
pn结,人们采用了液相外延法(LPE)和氯化物气相外延法(HVPE)生长芯片,并在材料中掺入N,Zn,O等杂质元素形成等电子陷阱以提高发光效率,流明效率从起初的0.1lm/W提高到1lm/W左右。
此外,通过调整GaAsP材料中As和P的比例,使LED从单一地发红光扩展到发橙、黄光;
通过在GaP材料中掺入Zn和O元素实现LED发红光,掺入N元素实现LED发黄绿光。
所以通过这段
时间的发展,奠定了LED的技术和市场基础。
第二阶段:
从80年代初到90年代初,LED在材料上和结构上都有了很大改进。
首先直接带隙的GaAIAs三元系材料替代了间接带隙的GaAsP,GaP,由杂质发光变为带间竖直跃迁,大大提高了光电转换效率和流明效率;
然后结构上的异质结、双异质结替代了同质结,增加了复合几率,随着发光区材料禁带宽度减小,光被吸收的几率减小,光的出射几率得以提高。
经过近十年的发展,LED的外量子效率达到8%,流明效率接近10lm/W。
但由于GaAIAs三元系材料的光衰严重,LED在户外的应用仍然受到局限。
所以这一阶段LED的发展主要是发光效率和亮度上的发展。
第三阶段:
从90年代到上世纪末,LED实现了全彩化,超高亮度化,并成
功了将其应用领域从状态显示,户内显示扩展到交通信号灯、户外全彩大屏幕显
示,并且开始应用于装饰照明、汽车照明、仪器仪表照明等特种照明领域。
首先从发光材料上,人们采用了直接带隙的发红光、黄光的GaAllnP四元系
材料和发绿光、蓝光的GaN材料,通过调节GaAllnP材料中AI的组分,使禁带
宽度从1.9eV到2.23eV变化,发光波长从560nm到650nm,实现LED从红色到绿色的发光,通过调节亮度也达到了超高亮度,通过调节GalnN:
Al材料中In,
Al的组分,使禁带宽度在2.oeV到6.3eV之间连续变化,理论上可以得到从紫
外到红色的所有波长的光。
1991年至1992年,日本东芝公司和美国HP公司先
后用GaAllnP材料研制出红光、橙光和黄光超高亮度LED,1993年日本Nichia
公司利用GaN基材料相继开发出蓝光LED和绿光LED,从此LED实现了全彩
化和超高亮度化。
然后从生长技术上,目前最先进的材料生长技术MOCVD和MBE替代了原来的LPE技术,MOcvD技术能够用于大批量生产,MBE技术因为能够非常精确控制膜层厚度,实现完整晶体单原子层厚度生长,因此这两种技术使得生长各
种复杂的芯片结构成为可能,如单量子阱、多量子阱、布拉格发射层。
透明电极、梯形切割等技术大大提高了LED的量子效率和流明效率,GaAllnP材料制备的LED在红光、橙光区的流明效率达到1001而W,已经超过了白炽灯。
此外,这十年也是白光LED迅速发展的十年。
半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片只能发出一种波长的光而不可能发出连续光,因此必须以其它的
方式合成白光,通常采用蓝光LED与黄光荧光粉组合;
将红际/蓝三种芯片组合;
紫外LED和多种荧光粉组合。
19%年日本Nichia化工率先在GaN基蓝光LED
芯片的