LED工程师必须知道的100项解析.docx

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LED工程师必须知道的100项解析

作为一名LED的工程师，在了LED技术飞速革新，大功率LED光源灯具应用不段广泛的时期，我们必须不断丰富LED的知识，并不断提高自身技能，为此我总结了于LED相关的100个知识点与大家共勉。

一、LED是什么?

答

ED是英文LightEmittingDiode，即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。

LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色等可见光。

第一个商用二极管产生于1960年，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

二、LED为什么是**光源（绿色照明）?

答:

按电光源的发光机理分类。

第一代光源:

电阻发光如白炽灯。

第二代光源:

电弧和气体发光如钠灯。

第三代光源:

荧光粉发光如荧光灯。

**光源:

固态芯片发光如LED。

三、LED的发光机理和工作原理有哪些?

答:

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结，因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空**由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

四、LED有哪些光学特性?

答:

1.LED发出的光既不是单色光，也不是宽带光，而介于二者之间。

2.LED光源似点光源又非点光源。

3.LED发出光的颜色随空间方向不同而不同。

4.恒流操作下的LED的结温强烈影响着正向电压VF。

五、LED有哪几种构成方式?

答

ED因其颜色不同,而其化学成份不同

如红色：

铝-铟-镓-磷化物

绿色和蓝色:

铟-镓-氮化物

白色和其它色都是用RGB三基色按适当的比例混合而成的。

LED的制造过程类似于半导体，但加工的精度不如半导体，目前成本仍然较高。

六、各种颜色的发光波长是多少?

答:

目前国内常用几种颜色的超高亮LED的光谱波长分布为460-636nm,波长由短到长依次呈现为蓝色、绿色、黄绿色、**、黄橙色、红色。

常见几种颜色LED的典型峰值波长是：

蓝色—470nm；

蓝绿色—505nm；

绿色—525nm；

黄色—590nm；

橙色—615nm；

红色—625nm；

七、LED有哪几种封装方式?

答:

封装方式:

1、引脚式（Lamp）LED封装。

2、表面组装（贴片）式（SMT－LED）封装。

3、板上芯片直装式（COB）LED封装。

4、系统封装式（SiP）LED封装。

5、晶片键合和芯片键合。

八、LED有哪几种分类方法?

答:

1．按发光管发光颜色分：

可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。

另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。

散射型发光二极管用于做指示灯。

2．按发光管出光面特征分：

按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。

国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。

由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

从发光强度角分布图来分有三类：

（1）高指向性：

一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。

半值角为5°-20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

（2）标准型：

通常作指示灯用，其半值角为20°-45°。

（3）散射型：

这是视角较大的指示灯，半值角为45°-90°或更大，散射剂的量较大。

3．按发光二极管的结构分：

按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

4．按发光强度和工作电流分：

按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度<10mcd）；超高亮度的LED（发光强度>100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。

一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

九、LED的生产工艺步骤有哪些?

答:

1.工艺：

a）清洗：

采用超声波清洗PCB或LED支架，并烘干。

b）装架：

在LED管芯（大圆片）底部电极备上银胶后进行扩张,将扩张后的管芯（大圆片）安置在刺晶台上，在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在PCB或      LED支架相应的焊盘上，随后进行烧结使银胶固化。

c）压焊：

用铝丝或金丝焊机将电极连接到LED管芯上，以作电流注入的引线。

LED直接安装在PCB上的，一般采用铝丝焊机。

（制作白光TOP-LED需要金线焊机）

d）封装：

通过点胶，用环氧将LED管芯和焊线保护起来。

在PCB板上点胶，对固化后胶体形状有严格要求，这直接关系到背光源成品的出光亮度。

这道工序还将承担点荧光粉（白光LED）的任务。

e）焊接：

如果背光源是采用SMD-LED或其它已封装的LED，则在装配工艺之前，需要将LED焊接到PCB板上。

f）切膜：

用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。

g）装配：

根据图纸要求，将背光源的各种材料手工安装正确的位置。

h）测试：

检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。

1.LED的封装的任务

是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。

关键工序有装架、压焊、封装。

2.LED封装形式

LED封装形式可以说是五花八门,主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸,散热对策和出光效果。

LED按封装形式分类有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。

3.LED封装工艺流程

4.封装工艺说明

01.芯片检验

镜检：

材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill）芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整。

02.扩片

由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。

我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm.也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。

03.点胶

在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶.（对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。

对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。

）

工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。

由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。

04.备胶

和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上.备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。

05.手工刺片

将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。

手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。

06.自动装架

自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶）,然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置,再安置在相应的支架位置上。

自动装架在工艺上要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。

在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。

因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。

07.烧结

烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良.银胶烧结的温度一般控制在150℃，烧结时间2小时。

根据实际情况可以调整到170℃，1小时.绝缘胶一般150℃，1小时。

银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开.烧结烘箱不得再其他用途,防止污染。

08.压焊

压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。

LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。

右图是铝丝压焊的过程，先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。

金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。

压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状，拉力。

对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题，如金（铝）丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀（钢嘴）选用、劈刀（钢嘴）运动轨迹等等。

（下图是同等条件下，两种不同的劈刀压出的焊点微观照片，两者在微观结构上存在差别，从而影响着产品质量。

）我们在这里不再累述。

09.点胶封装LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种.基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。

设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架。

（一般的LED无法通过气密性试验）如右图所示的TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。

手动点胶封装对操作水平要求很高（特别是白光LED），主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。

白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。

010.灌胶封装

Lamp-LED的封装采用灌封的形式.灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型。

十、LED的基本照明术语有哪些?

答:

常用照明术语光通量：

符号：

Φ，单位：

流明Lm,说明：

发光体每秒种所发出的光量之总和，即光通量。

光强：

符号:

I，单位：

坎德拉cd，说明：

发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量。

照度：

符号:

E，单位：

勒克斯Lm/m2，说明：

发光体照射在被照物体单位面积上的光通量。

亮度：

符号

，单位：

尼脱cd/m2，说明：

发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量。

光效：

单位：

每瓦流明Lm/w，说明：

电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示。

平均寿命：

单位：

小时，说明：

指一批灯泡至百分之五十的数量损坏时的小时数。

经济寿命：

单位：

小时，说明：

在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下,其综合光束输出减至一特定的小时数。

此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分之八十。

色温:

光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温。

光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000--5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。

不同光源的不同光色组成最佳环境，如表：

色温>5000k:

光色为清凉型（带蓝的白色）,冷的气氛效果；

色温在3300-5000K：

光色为中间（白），爽快的气氛效果；

色温<3300K：

光色为温暖（带红的白色），稳重的气氛效果；

a.色温与亮度：

高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。

b.光色的对比：

在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。

显色性：

光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性。

显色分两种：

忠实显色：

能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数（Ra）高的光源，其数值接近100，显色性最好。

效果显色：

要鲜明地强调特定色彩,表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。

由于光线中光谱的组成有差别，因此即使光色相同，灯的显色性也可能不同。

灯具效率（也叫光输出系数）是衡量灯具利用能量效率的重要标准，它是灯具输出的光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。

十一、什么是大功率LED?

答:

大功率LED广义上说就是单颗LED光源功率大于0.35W（含0.35W）的

    我国虽有多家企业开发生产LED城市照明路灯，但很多是用小功率LED阵列作发光体，散热问题解决了，所用LED数量要很多，小功率LED光衰强，安装成本高；城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势，少数用大功率LED作发光体的路灯产品由于没有很好地解决功率达到一定量时，LED的散热问题、LED的散光和聚光控制问题、路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题、光电转换效率太低，每瓦只有几个流明等问题。

因此产品性能还不尽如人意；高性能的产品价位又居高不下，难以推广普及。

散热和可靠性是影响LED应用主要因素。

    LED光源有两种做法：

一种是使用传统小功率LED作组合，一般多达上百颗甚至数百颗，电源设计复杂。

另一种是使用大功率管作光源，价格比较贵。

两种方法都不可避免地要将散热设计和工作可靠性作为主要设计考虑因素，国内多应用于政府示范性工程，真正市场化运作的工程很少，国外这方面的应用实例较多，但其最大的缺点依然是可靠性、出光流明数和价格，很多工程由于LED品质低劣，没有很好地表现出寿命长的优点。

还有，从成本、市场的角度考虑，LED作为照明光源，其是否与太阳能结合使用，在设计上需要走不同的路线，并不是单独作为一种光源来开发就能完成的。

　　LED器件产品应用到路灯上，技术上的特殊要求主要是要结合LED光强和发光角度来设计，另外由于多颗LED组合，出光设计方面要兼顾照射面域，灯具方面需要重点考虑散热的有效性。

　　LED路灯与普通路灯的对比优势：

节能、环保，易于和低压适配，也可和太阳能系统直接配套，无需额外的逆变、转换过程，能达到最大的能源利用率。

　　不足：

照明角度偏小、不均匀，颜色显色指数偏低，光学、散热设计复杂。

　　技术上的不足：

当前技术下的光通量还不够，光效太低，品质难以保证。

　　解决措施：

LED产品应用于路灯需要专门的设计，也需要专门的标准（用传统光源的测试数据来评价LED光源往往并不客观）。

LED应用于路灯有先天的优势也有劣势。

优势在于：

第一，LED作为点光源，如果设计合理，很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题；

第二，对光照射面的均匀度可控，理论上可以做到在目标区域内完全均匀，这也能避免传统光源“灯下亮”现象中的光浪费；

第三，色温可选，这样在不同场合的应用中，也是提高效率、降低成本的一个重要途径；

第四，技术进步空间依然很大。

劣势（影响路灯推广应用的因素）：

当前价格还太高，光通量低，当前同等照度设计的LED光源价格大约相当于传统光源的4倍（不过在路灯产品中，光源部分占总成本并不高，所以在工程安装中的成本提高比例也不会太高，应用的空间还是比较大的），在民用中难以承受。

当前设计和制造标准比较混乱，损坏比例高，影响了LED的寿命优势。

十二、当前市场的LED路灯光源主要有几种？

答:

当前市场的LED路灯主要有两种：

多颗小功率LED组合路灯和大功率集成封装式LED路灯。

多颗小功率LED组合路灯容易解决散热，单个芯片封装流明值高。

但是视觉效果差，满天星，路面影子重叠，容易造成司机的视觉疲劳或眼花，且灯具电路系统复杂，灯具电路端口较多，可靠性降低，电路不易实现调光，容易损坏，电源转换率低85%左右。

大功率集成封装式LED路灯视觉效果好，有反光杯的遮挡，避免眼睛直视强光点，但是对散热的要求很高。

在光色和照明质量上，集成封装式LED光源表现出独特的优势：

同一个灯具中不会出现光色不均匀的现象，光源发射出的光在照射平面内均匀透彻，具有很好的视觉舒适性，不会出现困扰组合式灯具的重影现象,由单一驱动器驱动，端口少，可靠性强，线路布置在光源内部不会出现电磁干扰；可方便的实现无极调光功能；电源转换率高95%左右等优点。

虽然后者具有诸多优点，但是由于散热问题，以勤上为代表的国内主流LED路灯厂家都选择了多颗小功率LED组合路灯，做集成封装式LED路灯的国内外只有少数几家。

十三、LED色温的特性?

答:

色温指的是光波在不同的能量下,人类眼睛所感受的颜色变化。

在色温的计算上，是以Kelvin为单位，黑体幅射的0Kelvin=摄氏-273°C做为计算的起点。

将黑体加热,随着能量的提高,便会进入可见光的领域，例如：

在2800K时,发出的色光和灯泡相同，我们便说灯泡的色温是2800K。

可见光领域的色温变化，由低色温至高色温是由橙红-->白-->蓝。

色温的特性：

1.在高纬度的地区,色温较高，所见到的颜色偏蓝。

2.在低纬度的地区,色温较低，所见到的颜色偏红。

　　（<----低色温------------------高色温---->）

3.在一天之中，色温亦有变化，当太阳光斜射时,能量被（云层、空气）吸收较多,所以色温较低。

当太阳光直射时,能量被吸收较少,所以色温较高。

4.Windows的sRGB色彩模型是以6500K做为标准色温,以D65表示之。

5.清晨的色温大约在4400K。

6.高山上色温大约在6000K。

不同光源环境的相关色温度光源色温

北方晴空8000-8500k

阴天6500-7500k

夏日正午阳光5500k

金属卤化物灯4000-4600k

下午日光4000k

冷色营光灯4000-5000k

高压汞灯3450-3750k

暖色营光灯2500-3000k

卤素灯3000k

钨丝灯2700k

高压钠灯1950-2250k

蜡烛光2000k

光源色温不同,光色也不同,色温在3300K以下有稳重的气氛,温暖的感觉；色温在3000--5000K为中间色温,有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。

不同光源的不同光色组成最佳环境。

如表:

色温光色气氛效果

>5000K：

清凉（带蓝的白色）  冷的气氛：

3300-5000K  中间：

（白）爽快的气氛

十四、现在世界上知名的LED光源品牌有哪些？

答:

美国:

CREE,LUMILED。

日本:

CIZITEN，NICHIA。

德国:

ORSAM等。

十五、LED现有哪些知识产权？

答:

科锐:

大功率蓝光芯片,日亚:

白光荧光粉技术。

十六、什么是大功率LED灯具？

答:

一种采用大功率LED作为光源的照明器具。

十七、大功率LED灯具与传统灯具相比有何的优势？

答:

1.高光效2.高节能3.光色多4.安全性高5.设计形状的多样性6.寿命长7.快速响应8.灯具结构合理9.利环保,环保效益更佳10.高新尖。

11.运行成本低12.色温变化不大,小于100K,色温一致性好13.流明维持率高,光衰慢,使用5000小时左右光衰不超过10%。

十八、认为LED作为路灯来取代高压钠灯在技术上还不成熟的主要理由有几点？

1．LED的发光效率无法和高压钠灯相比

2．LED的照射过于集中，其照射的均匀度差

3．LED路灯的长期光衰严重，寿命不长

4．LED发光量不稳定（短期光衰），会随时间、季节变化

5．LED路灯本身自重过重，不利于安装，防风。

6．LED路灯造价过高，无法普及。

当然，所有这些都是根据国内很多试验线路的使用经验得出的。

是有一定依据的。

但是国内的试验线路的性能，能不能代表LED目前的状况是值得探讨的。

十九、怎样克服LED发光效率问题

目前来说，LED的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯。

目前LED在65－75流明/瓦，而高压钠灯可以达到125流明/瓦。

但是，高压钠灯的光谱比较集中于**，它的色温比较低只有2000－2500oK，而LED的色温较高，可以达到3500－4500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20到40，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75－80。

所以路面明亮，感觉舒适。

所以从实际的发光效果来看，LED反而可以比高压钠灯高出很多。

瑞煌70W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。

70W的LED，其输出光通量大约只有6250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6000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20,000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70W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，70W的LED可以取代250W的高压钠灯，LED可以节能近4倍。

二十、瑞煌怎样克服LED照射均匀度问题？

的确，如果不进行二次光学设计，LED的照射是比较集中，所以一定要进行二次光路设计，使其光强呈蝙蝠形。

瑞煌再用自主创新的反光板、曲面镜和导光板的专利技术，这个问题是很容易解决的。

二十一、瑞煌怎样克服LED的光衰问题？

现在有的商家，为了降低成本，就采用几百只φ5的小功率LED。

然而这种小功率的LED的光衰是非常严重的，按照其光衰至80％的寿命只有1000小时。

所以，作为需要长期使用的路灯是绝对不能允许采用这种小功率LED的。

作为大功率LED，其光衰就要好很多。

然而国内不少厂家也还是只能做到10000小时下降10％，远远不能满足使用要求。

实际上，LED寿命问题主要是由于长期在高温下工作而形成的问题。

当结温从115℃提高到135℃，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。

目前来说，在LED的发光效率还没有提高到极高的程度，还只能尽量改善其散热来延长LED的寿命。

瑞煌的采用自主研发散热技术来散热已经很好地解决了这个问题，可以把LED的结温降低到50℃以下，这就大大地提高了LED灯具的使用寿命。

他们经过了3年实际测试表明，在每天工作12小时，其光衰小于