LED發(fā)展史

 1907年HenryJosephRound 第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。由于其發(fā)出的黃 光太暗，不適合實際應用；更難處在于碳化硅與電致發(fā)光不能很好的適應，研究被摒棄了。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德國使用從鋅硫化物與銅中提煉的的 黃磷發(fā)光。再一次因發(fā)光暗淡而停止。

 1936年,GeorgeDestiau出版了一個關于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告。隨著電流的應用和廣泛 的認識，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個術語。二十世紀50年代，英國科學家在電致發(fā)光的 實驗中使用半導體砷化鎵發(fā)明了第一個具有現(xiàn)代意義的LED,并于60年代面世。據(jù)說在早期的試驗中，LED需要放置在液化氮里，更需要進一步的操作與突破以便能高效率的在室溫下工作。第一個商用LED僅僅只能發(fā)出不可視的紅外光，但迅速應用于感應與光電領域。60 年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED。磷化鎵的改變使得LED更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產(chǎn)生出橙色的光。

  到70年代中期，磷化鎵被使用作為發(fā)光光源，隨后就發(fā)出灰白綠光。LED 采用雙層磷化鎵蕊片（一個紅色另一個是綠色）能夠發(fā)出黃色光。就在此時，俄國科學家利用金剛砂制造出 發(fā)出黃光的LED。盡管它不如歐洲的LED 高效。但在70年代末，它能發(fā)出純綠色的光。

80年代早期到中期對砷化鎵磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED 的誕生，先是紅色，接 著就是黃色，最后為綠色。到20世紀90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃 和綠光的LED。第一個有歷史意義的藍光LED 也出現(xiàn)在90 年代早期，再一次利用金鋼砂

—早期的半導體光源的障礙物。依當今的技術標準去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣 光源暗淡。

   90年代中期，出現(xiàn)了超亮度的氮化鎵LED，隨即又制造出能產(chǎn)生高強度的綠光和藍光銦氮

  鎵Led。超亮度藍光蕊片是白光LED 的核心，在這個發(fā)光蕊片上抹上熒光磷，然后熒光磷 通過吸收來自蕊片上的藍色光源再轉化為白光。就是利用這種技術制造出任何可見顏色的 光。今天在LED 市場上就能看到生產(chǎn)出來的新奇顏色，如淺綠色和粉紅色。有科學思想的讀者到現(xiàn)在可能會意識到LED的發(fā)展經(jīng)歷了一個漫長而曲折的歷史過程。事實上，最近開 發(fā)的LED 不僅能發(fā)射出純紫外光而且能發(fā)射出真實的“黑色”紫外光。那么LED 發(fā)展史到低 能走多遠，不得而知。也許某天就能開發(fā)出能發(fā)X 射線的LED。早期的LED只能應用于指 示燈、早期的計算器顯示屏和數(shù)碼手表。而現(xiàn)在開始出現(xiàn)在超亮度的領域。將會在接下的一 段時間繼續(xù)下去。

常見LED的分類

1. 按發(fā)光管發(fā)光顏色分成紅色、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。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有 色還是無色，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)光二極管不適合做指示燈用。

2. 按發(fā)光管出光面特征分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm 的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）[6-8]。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：

1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為

5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。

2)標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

3. 按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、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構。

4.按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度小于10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強度大于100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。

 白光LED介紹

 白光LED的合成途徑大體上有2條路可以走，第一條是RGB，也就是紅光LED+綠光LED+藍光 LED，LED走RGB合成白光的這種辦法主要的問題是綠光的轉換效率底，現(xiàn)在紅綠藍LED轉換效率分別達到30%，10%和25%，白光流明效率可以達到60lm/w。

   通過進一步提高藍綠光LED的流明效率，則白光流明效率可達到200lm/w。由于合成白光所 要求的色溫和顯色指數(shù)不同，對合成白光的各色LED流明效率有不同的。隨著白光LED的深入發(fā)展，人們希望用作照明光源的白光LED的光譜、色品坐標、顯色性及相關色溫等均能滿

足國際CIE和我國的有關標準，否則應認為不合格。我們對相關色溫8000 4000K白光LED 的光色特性及其與正向電流的關系進行了總結。長期以來，低色溫(<4000K)、高顯色性的白

 光LED按照當前主流方案InGaN藍色LED芯片和ce“激活的稀土石榴石黃色熒光體組合的方案實現(xiàn)難度大，成為人們攻關的難題。因為黃色熒光體的發(fā)射光譜中缺少紅成份。故目前 大多數(shù)報告限于有關5000K以上的高色溫白光LED的工作。

  盡管白光LED已有商品，但缺少低色溫白光LED。5000K以上的高色溫商品，顯色性差，難以滿足市場，目前，由藍色芯片和熒光體組合的低色溫白光LED的報告極少。因此，無論從學術上研究，還是應用需要，發(fā)展低色溫(<4000K)高顯色性白光LED具有重要意義。

  第二條路是LED+不同色光熒光粉：第一個方法是用紫外或紫光LED+RGB熒光粉來合成LED，這種工作原理和日光燈是類似的，但是比日光燈的性能要優(yōu)越，其中紫光LED的轉換系數(shù)可達80%，各色熒光粉的量子轉換效率可以達到90%，還有一個辦法是用藍光LED+紅綠熒光粉，藍光LED效率60%，熒光粉效率70%；還有是藍光LED+黃色熒光粉來構成白光。

  兩種途徑相比較之下，RGB三色LED合成白光綜合性能好，在高顯色指數(shù)下，流明效率有可能高到200lm/w，要解決的主要技術難題是提高綠光LED的電光轉換效率，目前只有13%左右， 同時成本高。

R、G、B三基色組成

配色、白平衡：

白色是紅綠藍三基色按亮度比例混合而成，當光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21％，

藍色的亮度為10％時，混色后人眼感覺到的是純白色。但LED紅綠藍三色的色品坐標因工藝過程等原因無法達到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，稱為 配色。當為全彩色LED顯示屏進行配色前，為了達到最佳亮度和最低的成本，應盡量選擇三 原色發(fā)光強度成大致為3:6:1比例的LED 器件組成像素。白平衡要求三種原色在相同的調配值下合成的仍舊為純正的白色。

原色、基色：原色指能合成各種顏色的基本顏色。色光中的原色為紅、綠、藍，色度圖中的三個頂點為理

 想的原色波長。如果原色有偏差，則可合成顏色的區(qū)域會減小，光譜表中的三角形會縮小，從視覺角度來看，色彩不僅會有偏差，豐富程度減少，見下圖。

 LED 發(fā)出的紅、綠、藍光線根據(jù)其不同波長特性可大致分為紫紅、純紅、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍綠、純藍、藍紫等，橙紅、黃綠、藍紫色較純紅、純綠、純藍價 格上便宜很多。三個原色中綠色最為重要，因為綠色占據(jù)了白色中69％的亮度，且處于色彩 橫向排列表的中心。因此在權衡顏色的純度和價格兩者之間的關系時，綠色是著重考慮的對象

大功率LED封裝結構

 隨著半導體材料和封裝工藝的提高,LED的光通量和出光效率逐漸提高,從而使固體光源成 為可能, 已廣泛應用于交通燈、汽車照明、廣告牌等特殊照明領域, 并且逐漸向普通照明領 域過渡,被公認為有望取代白熾燈、熒光燈的第四代光源。

  不同應用領域對LED光源提出更高要求, 除了對LED出光效率、光色有不同的要求, 而且對出 光角度、光強分布有不同的要求。這不但需要上游芯片廠開發(fā)新半導體材料, 提高芯片制作 工藝, 設計出滿足要求的芯片, 而且對下游封裝廠提出更高要求, 設計出滿足一定光強分 布的封裝結構, 提高LED外部的光利用率。

 目前封裝多種多樣，封裝將隨著今后的發(fā)展，不斷改進和迎合實際需要，為LED今后在各個 領域應用奠定基礎。

 LED驅動技術原理

 超高亮LED的特性 下圖為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線，由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值(約

2V)，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。見表是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知，當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為2～4V。

  由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，光通量(φV)與IF的關系曲線，因此，采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動。

下圖是 LED的溫度與光通量(φV)關系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，85℃時的光 通量是25℃時的一半，而一40℃時光輸出是25℃時的1．8倍。溫度的變化對LFD的波長

 也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

PWM調光知識介紹

  在手機及其他消費類電子產(chǎn)品中，白光LED越來越多地被使用作為顯示屏的背光源。近來，許多產(chǎn)品設計者希望白光LED的光亮度在不同的應用場合能夠作相應的變化。這就意味著，白光LED的驅動器應能夠支持LED光亮度的調節(jié)功能。目前調光技術主要有三種：PWM調光、 模擬調光、以及數(shù)字調光。市場上很多驅動器都能夠支持其中的一種或多種調光技術。本文 將介紹這三種調光技術的各自特點，產(chǎn)品設計者可以根據(jù)具體的要求選擇相應的技術。

 PWM Dimming (脈寬調制) 調光方式——這是一種利用簡單的數(shù)字脈沖，反復開關白光 LED 驅動器的調光技術。應用者的系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，即可簡單地實現(xiàn)改變輸出電流，從而調節(jié)白光LED的亮度。PWM 調光的優(yōu)點在于能夠提供高質量的白光，以及應用簡單，效率高！例如在手機的系統(tǒng)中，利用一個專用PWM接口可以簡單的產(chǎn)生任意占空比的脈沖信號，該信號通過一個電阻，連接到驅動器的EN接口。多數(shù)廠商的驅動器都支持 PWM調光。

  但是，PWM 調光有其劣勢。主要反映在：PWM調光很容易使得白光LED的驅動電路產(chǎn)生人耳 聽得見的噪聲（audible noise，或者microphonic noise）。這個噪聲是如何產(chǎn)生？通常白光LED驅動器都屬于開關電源器件（buck、boost 、charge pump等），其開關頻率都在1MHz左右，因此在驅動器的典型應用中是不會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。但是當驅動器進行PWM調光的時候，如果PWM信號的頻率正好落在200Hz到20kHz之間，白光LED驅動器周圍的電感和輸出電容就會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲。所以設計時要避免使用20kHz以下低頻段。

 我們都知道，一個低頻的開關信號作用于普通的繞線電感（wire windingcoil），會使得電 感中的線圈之間互相產(chǎn)生機械振動，該機械振動的頻率正好落在上述頻率，電感發(fā)出的噪音 就能夠被人耳聽見。電感產(chǎn)生了一部分噪聲，另一部分來自輸出電容。現(xiàn)在越來越多的手機設計者采用陶瓷電容作為驅動器的輸出電容。陶瓷電容具有壓電特性，這就意味著：當一個低頻電壓紋波信號作用于輸出電容，電容就會發(fā)出吱吱的蜂鳴聲。當PWM信號為低時，白光 LED驅動器停止工作，輸出電容通過白光LED和下端的電阻進行放電。因此在PWM調光時，輸出電容不可避免的產(chǎn)生很大

的紋波。總之，為了避免 PWM調光時可聽得見的噪聲，白光LED驅動器應該能夠提供超出人耳可聽見范圍的調光頻率！

  相對于PWM調光，如果能夠改變RS的電阻值，同樣能夠改變流過白光LED的電流，從而變 化LED的光亮度。我們稱這種技術為模擬調光。

  模擬調光最大的優(yōu)勢是它避免了由于調光時所產(chǎn)生的噪聲。在采用模擬調光的技術時，LED 的正向導通壓降會隨著LED電流的減小而降低，使得白光LED的能耗也有所降低。但是區(qū)別于PWM調光技術，在模擬調光時白光LED驅動器始終處于工作模式，并且驅動器的電能轉換效率隨著輸出電流減小而急速下降。所以，采用模擬調光技術往往會增大整個系統(tǒng)的能耗。模擬調光技術還有個缺點在于發(fā)光質量。由于它直接改變白光 LED的電流，使得白光 LED 的白光質量也發(fā)生了變化！

  除了PWM調光，模擬調光，目前有些產(chǎn)商的驅動器支持數(shù)字調光。具備數(shù)字調光技術的白光 LED驅動器會有相應的數(shù)字接口。該數(shù)字接口可以是SMB、I2C、或者是單線式數(shù)字接口。系 統(tǒng)設計者只要根據(jù)具體的通信協(xié)議，給驅動器一串數(shù)字信號，就可以使得白光LED的光亮發(fā)生變化。

LED散熱解決方案

LED鋁基板設計選擇

LED線路設計為了更好的解決散熱問題，LED和有些大功率IC需要用到鋁基線路板。

 鋁基板pcb由電路層（銅箔層）、導熱絕緣層和金屬基層組成。電路層要求具有很大的載流能力，從而應使用較厚的銅箔，厚度一般35μm~280μm；導熱絕緣層是PCB鋁基板核心技 術之所在，它一般是由特種陶瓷填充的特殊的聚合物構成，熱阻小，粘彈性能優(yōu)良，具有抗熱老化的能力，能夠承受機械及熱應力。IMS-H01、IMS-H02和LED-0601等高性能PCB鋁基板的導熱絕緣層正是使用了此種技術，使其具有極為優(yōu)良的導熱性能和高強度的電氣絕緣性能；金屬基層是鋁基板的支撐構件，要求具有高導熱性，一般是鋁板，也可使用銅板（其中 銅板能夠提供更好的導熱性），適合于鉆孔、沖剪及切割等常規(guī)機械加工。工藝要求有：鍍金、噴錫、osp抗氧化、沉金、無鉛ROHS制程等。

 基材:鋁基板產(chǎn)品特點：絕緣層薄，熱阻小；無磁性 ；散熱好；機械強度高產(chǎn)品標準厚度：

0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm 銅箔厚度：1.8um 35um 70um 105um 140um 特點: 具有高散熱性、電磁屏蔽性，機械強度高，加工性能優(yōu)良。用途: LED專用 功率混合IC（HIC）。 鋁基板是承載LED及器件熱傳導，散熱主要還是靠面積，集中導熱可以選擇高導熱系數(shù)的板 材，比如美國貝格斯板材；慢導熱或散熱國產(chǎn)一般材料即可。價格相差較大，貝格斯板材生 產(chǎn)出成品大概需要4000多元平米，一般國產(chǎn)材料就1000多元平米。LED一般使用電壓不是很高，選擇1mil厚度絕緣層耐壓大于2000V即可。

散熱參考設計方法：為什么要進行熱設計?

高溫對電子產(chǎn)品的影響:絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點焊縫開裂、焊 點脫落。

 溫度對元器件的影響:一般而言,溫度升高電阻阻值降低；高溫會降低電容器的使用壽命；高 溫會使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降,一般變壓器、扼流圈的允許溫度要低于95C； 溫度過高還會造成焊點合金結構的變化—IMC增厚,焊點變脆,機械強度降低；結溫的升高會 使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加,導致集電極電流增加,又使結溫進一步升高,最終導致組

件失效。

 熱設計的目的

 控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度,使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過標準及規(guī)范所 規(guī)定的最高溫度。最高允許溫度的計算應以元器件的應力分析為基礎,并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個元器件的失效率相一致。

 LED散熱設計一般按流體動力學軟件仿真和做基礎設計。 流體流動的阻力:由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動過程中受到阻力，這個阻力稱為流動阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。

沿程阻力:在邊界沿程不變的區(qū)域，流體沿全部流程的摩檫阻力。 局部阻力:在邊界急劇變化的區(qū)域,如斷面突然擴大或突然縮小、彎頭等局部位置，是流體的流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動阻力。

 通常LED是采用散熱器自然散熱，散熱器的設計分為三步

1:根據(jù)相關約束條件設計處輪廓圖。

2:根據(jù)散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進行優(yōu)化。

3:進行校核計算。

自然冷卻散熱器的設計方法

 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉,影響齒表 面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm,如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。

 自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產(chǎn)生太大 的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。

自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于5mm以上。