LED景观设计研究.docx

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LED景观设计研究

LED景观设计与研究

摘要

城市照明是一门科学，是一种文化，是一项艺术。

城市照明体现一个城市的形象，代表一个城市的文化，反映一个城市的科学管理，是一项社会系统工程，管理好城市照明工作，为人民造福，促进城市可持续发展，是各级城市建设主管部门不可推卸的社会责任。

城市照明工程包括汽车道路照明、街道照明、交通指示照明等一般基础功能性照明,建筑物整体景观照明设计可以给城市建筑带来夜间生命力,建筑物结构与外观气质美是通过利用不同的照明设计手法表现出来,使现代建筑结构美散发出来。

本文主要介绍LED作为一种优秀的半导体光电器件，以其体积小、耗电量低、使用寿命长、环保灯优点，有望在未来的10～20年内成为新一代理想的固态节能照明光源。

但是随着LED向高光强、高功率发展，LED的散热问题日渐突出。

散热问题影响到LED的光输出特性和器件的寿命，是大功率LED封装中的关键问题。

本文也将着手解决关于LED散热封装的一些问题。

关键词:

LED夜景LED照明LED散热封装应用

摘要....................................................................................................................1

第一章绪论....................................................................................................3

1.1引言..................................................................................................3

1.2本文研究的目的..............................................................................3

第二章LED用于景观照明的优势...............................................................4

第三章LED及其封装的概述.......................................................................5

3.1LED的简介.....................................................................................5

3.1.1LED的结构.......................................................................5

3.1.2LED的发光原理...............................................................5

3.1.3LED的主要性能参数.......................................................6

3.1.4LED的发展现状与趋势...................................................10

3.2LED热效应的影响.........................................................................11

3.2.1LED的热效应对pn结正向偏压的影响.........................12

3.2.2LED的热效应对发光效率的影响...................................12

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