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堪称经典的LED100问(中)

阿拉丁照明网 2019-01-10 17:24:02

【阿拉丁·166期】


什么是“倒装装芯片”(Flip Chip)?它的结构如何?它有哪些优点?


蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和电导率低,如果采用正装结构,一方向会带来防静电的问题,另一方面,在大电流情况下散热也会成为最主要的问题。同时由于正面电极朝上,会遮掉一部分光,发光效率会降低。大功率蓝光LED通过芯片倒装技术(FLIP CHIP)可以比传统的封装技术得到更多的有效出光。


现在主流的倒装结构做法是:首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸蓝光LED芯片。同时制备出比蓝光LED芯片略大的硅衬底,并在上制作出共晶焊的金导电层及引出导线层(超声金丝球焊点)。然后,利用共晶焊接设备将大功率蓝色LED芯片与硅衬底焊接在一起。这种结构的特点是外延层直接与硅衬底接触,硅衬底的热阻又远远低于蓝宝石衬底,所以散热的问题很好地解决了。


由于倒装后蓝宝石衬底朝上,成为出光面,蓝宝石是透明的,因此出光问题也得到解决。如果在外延表面作一层金属反光层,那么有源层向下发的光通过金属镜面反射向上,通过Al2O3衬底向外发射,提高了出光效率。


用于半导体照明的芯片技术的发展主流是什么?


随着半导体LED技术地发展,其在照明领域的应用也越来越多,特别是白光LED的出现,更是成为半导体照明的特点。但是关键的芯片、封装技术还有待提高,在芯片方面要朝大功率、高光效和降低热阻方面发展。提高功率意味着芯片的使用电流加大,最直接的解决方法是加大芯片尺寸,现在普遍出现的大功率芯片都在1mm×1mm左右,使用电流在350mA。


由于使用电流的加大,散热问题成为了突出问题,现在通过芯片倒装的方法基本在350mA。由于使用电流的加大,散热问题成为了突出问题,现在通过芯片倒装的方法基本解决了这一问题。随着LED技术的发展,其在照明领域的应用会面临一个前所未有的机遇和挑战。


LED芯片封装成发光二极管一般可以分成哪几种形式?他们在结构上各有什么不同?


LED芯片的封装形式很多,针对不同使用要求和不同的光电特性要求,有各种不同的封装形式,归纳起来有如下几种常见的形式:


(1)软封装——芯片直接粘结在特定的PCB印制板上,通过焊接线连接成特定的字符或陈列形式,并将LED芯片和焊线用透明树脂保护,组装在特定的外壳中。这种钦封装常用于数码显示、字符显示或点陈显示的产品中。


(2)引脚式封装——常见的有将LED芯片固定在2000系列引线框架上,焊好电极引线后,用环氧树脂包封成一定的透明形状,成为单个LED器件。这种引脚或封装按外型尺寸的不同可以分成φ3、φ5直径的封装。这类封装的特点是控制芯片到出光面的距离,可以获得各种不同的出光角度:15°、30°、45°、60°、90°、120°等,也可以获得侧发光的要求,比较易于自动化生产。


(3)微型封装即贴片封装——将LED芯片粘结在微小型的引线框架上,焊好电极引线后,经注塑成型,出光面一般用环氧树脂包封.


(4)双列直插式封装——用类似IC封装的铜质引线框架固定芯片,并焊接电极引线后用透明环氧包封,常见的有各种不同底腔的“食人鱼”式封装和超级食人鱼式封装,这种封装芯片热散失较好,热阻低,LED的输入功率可达0.1W~0.5W大于引脚式器件,但成本较高。


(5)功率型封装——功率LED的封装形式也很多,它的特点是粘结芯片的底腔较大,且具有镜面反射能力,导热系数要高,并且有足够低的热阻,以使芯片中的热量被快速地引到器件外,使芯片与环境温度保持较低的温差。


LED芯片封装成器件一般的制造程是什么?


LED芯片的封装流程视不同封装结构略有不同,但原则上为如下图所示的通常使用的封装流程图



为什么要将芯片进行封装?封装后的器件比裸芯在性能上有什么不同?


(1)通过封装保护芯片不受气氛侵害和震动、冲击性损害由于LED芯片无法直接使用,必须固定在支架等便于使用的装置中,因此芯片与支架必须通过“打线”引出加注电流的导线,即引线。这些连线很细,直径仅0.1mm以下的金或铝线不能耐受冲击,另外芯片表面必须不受水、气等物质侵蚀,同样要加以固封保护。这就要用透明率极高的材料加以灌封。一般常用透明环氧树脂或透明硅胶类材料将芯片保护起来。


(2)我们知道,如果芯片与空气直接做界面,由于芯片材料与空气的光折射系数相差较大,导致芯片内发出的光大部分被反射回芯片,不能逸出到空气中去。以GaAs材料与空气为例,在界面处,芯片的全反射临界角θc约为14°,仅4-12%的光子能逸出到空气中,如果用折射系数为1.5的环氧树脂与芯片做截面,则其θc约为22.6°,则提高了光的逸出率,再用球型环氧树脂与空气作为界面,则其内部的光子几乎绝大部分可以逸出到空气中,仅不到4%的被反射,因此,通过选择封装材料的折射系数与芯片作界面进行封装,可以提高LED的出光效率。


(3)增大芯片上热量散失的能力芯片通过引线支架,可以将芯片由于施加功率引起温度升高的热量导出到空气中去,也就是可以提高芯片PN结上施加的电功率,提高芯片使用的可靠性,改善因结温升高而引起的光电参数的退化。


(4)方便LED的组装与使用。由于LED封装的形式较多,对于不同的使用场合和安装上的要求,可以选择最有利于组装和散热的封装,这就使LED器件的应用范围得以拓展。


何谓“一次光学设计”?LED封装中有哪几种出光透镜?他们有何特点?


在LED封装过程中,一个很重要的方面是如何达到高的出光效率和符合不同出光要求的发光配光要求?这就是LED“一次光学”设计要解决的问题。


LED裸芯片是无法直接使用的,必须加以封装。与其他半导体器件不同,它要通过封装将芯片发出的光尽可能多地取出来,不仅如此还要达到不同的出光角度,配光要求。由于这比较专业,这里仅举例加以简单说明。

上图是芯片与某一材料的光线传达输路径的示意图。


其中n1是LED芯片,例如InGaN,其折射系数为2.3,环氧树脂,其折射系数为1.5,显然这种平面结构,芯片射出的光会发生全反射系数为1.5,显然这种平面结构,芯片射出的光会发生全反射到芯片内部的临界角θc=arcSin(1.5/2.3)≈40.7°,它较之芯片与空气直接作界面时的临界角大出14.3,显然提高出光率,如果使环氧树脂的几何形状通过设计成一定的透镜形状,就可以使环氧树脂中的光向空气中射出的路径进行变化,形成不同的出光角度,如15°,30°,60°,120°等,也可以通过使用PC材料作临界面,将芯片的光通过折射形成平行光,发射出去(聚光)或从透镜四边侧面射出(侧发光)等不同的配光方式,这就是所谓LED封装中的一次光学设计。


大功率LED的封装形式目前常见的有哪几种?他们各自有哪些异同?


常见的功率LED的封装结构如下图所示,在这种封装结构中将LED功率芯片用合金法“烧结”在铜质碗腔内加以固定,引线经焊接将LED正负电极与覆铜墙铁壁铝基板上的焊点连结起来,再用透明硅胶(白光则用荧光粉)覆盖芯片和引线,最后将根据要求的出光角度的透镜安装在铝基板上,构成一个功率LED器件。铝热沉的厚度与面积视LED功率大小的确定,可以有各种不同的尺寸和形式。



由于用PC树脂作透镜,可以根据发光的要求的不同,设计出聚光型,发散型,侧光型等透镜。


集成多芯片封装——这种封装形式就是将多个LED芯片组装在同一个基板上,根据使用要求用印刷技术使各个芯片连接成一定的串/并结构,可以用多个使每个芯片出光角度为一定的小透镜,组成一个大尺寸的出光面。


随着LED应用的拓展和封装技术的提高,各种性能好,成本低,便于大生产的封装方式会层出不穷,越来越多。


能否简单介绍一下芯片粘结工艺中的“合金粘结”工艺?


在功率LED芯片封装过程中,芯片与支架底腔的固晶,为了降低粘结层的热阻,可以采用“合金粘结”的方法。这种方法是将LED芯片与支架底腔间放置一种合金材料,通过加温加压的方法使之共熔粘合固化,是芯片牢固地定位在支架(或热沉)上。


合金粘结的关键是找到芯片衬底蒸镀得金属材料(例如AuBe)与支架碗腔放置芯片处的金属镀层(例如金和铅锡等)放置的合金材料在某一温度(称之共晶温度)从而使这三者共溶固化。一般这一共晶温度可以从合金材料的相图上寻找到,为说明方便,我们举一个铅

锡合金(PbSn)为例对合金工艺作一介绍。



上图示出PbSn的相图。由图知:X轴是Pb和Sn的配比百分率。Y轴则是温度。显然,(A)点是铅的熔点327℃,(E)点是Sn的熔点232℃,曲线((A)(C)(E))为表示Pb和Sn在不同配比时的熔点曲线,其上部是溶化区,即液态区,因此称这条曲线为Pb-Sn液相曲线,同样,曲线(A)(B)(C)(D)(E)为PbSn的固相曲线,即其下部为固体。这二条曲线之向的阴影区域为PbSn非液非固的塑性区,称为可塑区。


仅(C)点处于液相与固相的交点,周边无可塑区,这一点的温度183℃,称为共晶温度。假设芯片衬底有一个Sn层,支架底腔有一层Pb层(或为锡层)中间放一PbSn薄层(如0.1mm)在183℃下即可进行合金作粘结层,这就是所谓的合金法,一般,在LED封装中用金锡合金作粘结层较多,只要利用金锡的相图可以找到一定配比的共晶温度。


由于合金材料导热系数较之银胶等高一个数量级,因此可以大幅度降低这一层面的热阻,有利于将芯片内的热量导出到芯片外,增大LED功率容量。


白光LED是通过哪些方法来实现的?


目前LED实现白光的方法主要有三种:


(1)通过LED红、蓝、黄的三基色多芯片组合发光合成白光;


优点:效率高、色温可控、显色性较好。

缺点:三基色光衰不同导致色温不稳定、控制电路较复杂、成本较高。


(2)蓝光LED芯片激发黄色荧光粉,由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光,为改变显色性能还可在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉;


优点:效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好。

缺点:一致性差、色温、角度变化。


(3)近紫外光LED芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。


优点:显色性好、制备简单。

缺点:目前LED芯片效率较低、有紫外光泄漏问题、荧光粉温度稳定性问题有待解决。


当前制造白光LED的主流方法是什么?


基于三基色原理,目前LED实现白光的方法主要有多种,其中技术相对简单的主流方法是在GaN基蓝光LED芯片上涂一层黄色荧光粉,一部分蓝光激发荧光粉产生黄绿光,与直接透过荧光粉的蓝光混合产生白光,目前已实现批量生产。


白光LED当前具有代表性的产品的水平如何?


白光LED当前具有代表性的产品是美国Lumileds公司生产的功率LED光源,这种光源称之为“Luxeon Emitter”,它是Luxeon系列产品基本形式(1瓦),现将在其网站上公布的性能水平归纳于下表:



什么是色温?什么是显色指数?


⑴色温是用来表示光源颜色的量,当光源发射的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的温度(TC)称为该光源的颜色温度或叫色温。为了求得光源的色温,需先求得它的色度坐标,然后在色度坐标图上由CIE1960UCS推荐的ISO色温线求取色温。


对于相对光谱功率分布偏离黑体相对光谱功率分布较远的光源,用色度坐标与其靠近的黑体温度来表示该光源的相关色温,在色温线上求取相关色温。


⑵光源的显色指数是光源显色性的定量描述,表示符号为Ra。光源对物体颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色逼真的程度,显色性高的光源对物体再显较好,我们所看到的颜色也较接近自然原色;显色性低的光源对颜色的再现性差,我们看到的颜色偏差也较大。


国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为Ra=100,各类光源的显色指数各不相同。显色性是照明设计上非常重要的参数,直接影响被照物品灯光下颜色真实的效果。


照明领域对白光LED的光电性能有哪些基本要求?


照明领域对白光LED的光电性能的基本要求一般以瓦级单芯片封装的白光功率LED来表示:


⑴发光效率:≥20lm/W(Ip=350mA)

⑵发光通量:=发光效率×正向电压×350mA

⑶色温:3000-8000K

⑷显色指数:70-85

⑸热阻:≤20℃/W

⑹寿命:1-5万小时


能否从照明光源的基本性能上列表比较一下白炽灯、荧光灯与白光LED的优劣?


白炽灯、荧光灯与目前白光LED基本性能的优劣比较



LED光源取代传统光源从目前来看还需克服哪些障碍和基本技术关键?


需克服哪些障碍和基本技术关键主要有以下几个方面:


⑴发光效率障碍LED发出的光由于具有单色性,不需外加彩膜(滤光片),而白炽灯加彩膜后其有效发光效率仅为白炽灯原来光效的1/10,所以LED在交通灯、建筑装饰、汽车警灯等应用领域,由于其效率高、节省电能被广泛使用,正在逐步取代带彩色膜的白炽灯。然而照明光源多为白光,目前白光LED用于局部照明,节能效果有限。只有白光LED的发光效率远高于荧光灯达到150-200lm/W才会有明显的节能效果,因此LED光源取代传统光源的最大障碍是其发光效率。


⑵价格障碍价格是LED光源取代传统光源需克服的另一障碍。目前LED光源的价格每流明高于0.1美元,是白炽灯价格的100多倍。美国Lumileds公司提出,在未来的几年内争取降至0.01-0.02美元/lm,即约折合人民币0.1元/lm,1支相当60W白炽灯的LED光源仍需支付60元人民币,计入性能价格比,虽然会被特殊应用所接受,但LED作为普通光源进入家庭,这样的价格还是一大障碍。


⑶功率LED制作技术功率LED是实现白光照明取代传统照明光源的关键器件,其基本的关键技术包括:


提高外延片内量子效率优化外延片结构,改进外延生长工艺条件,使蓝光、紫光、紫外光外延片的内量子效率能够接近理论值95%。


提高大尺寸芯片的外量子效率为了获得较大光能量需要采用大尺寸的功率型芯片,通过设计新型芯片结构和采用新工艺(如芯片倒装结构、ITO电极、表面粗化工艺、表面纹理结构、晶片键合工艺等),使蓝光、紫光、紫外光芯片的外量子效率达到50%以上。


提高封装的取光效率优化和改进封装的光学、热学和可靠性设计和工艺(如反射杯、透镜、散热通路、共晶焊接、柔性胶灌封等),使封装的取光效率能够与芯片的外量子效率接近。


⑷荧光粉的制作和涂敷技术


高性能荧光粉的制造技术


荧光粉是LED实现白光照明的关键材料,需要尽快研制出效率高、显色性好、性能稳定的荧光粉。蓝光激发的黄色荧光粉目前虽能满足白光LED产品的要求,但还需提高效率、降低粒度,制备出球形的荧光粉;在“蓝光+绿色荧光粉+红色荧光粉”的结构中,红色荧光粉的效率需要有较大的提高;在“紫外和紫外LED+三基色荧光粉”的结构中,三种荧光粉都需要有较大的提高,其中红色荧光粉目前效率最低,还有待于找到一种效率足够高的材料。


荧光粉的涂敷工艺技术


荧光粉的涂敷工艺通常是将荧光粉用胶按一定比例调和成荧光胶,再用点胶机将其涂到LED芯片上,通过优化工艺参数如荧光粉与胶的配比、荧光粉激发波长与LED芯片峰值波长的匹配、荧光胶的流动性及涂敷厚度等,使白光LED的色温、显色指数、流明效率等参数受控,作出符合应用要求和一致性好的白光LED产品。


白光LED的光谱与单色光(红、黄、蓝、紫等)的光谱有些什么区别?


单色光的光谱为单一波峰,特性是以峰值波长(或主波长)及光谱半宽度来表示的,而白光LED的光谱由多种(红、绿、蓝)单色光谱合成,其光谱曲线显现出多个不同幅度的波峰,其特性是以色度图中色坐标的色温来表示,这就是二者的区别,如图所示。


LED单色(蓝色)光谱曲线

LED单色(多色合成)光谱曲线


为什么用太阳能电池与白光LED组合的照明系统被称为“真正的绿色照明”系统?


所谓“绿色照明系统”就是使用高效率、长寿命、高可靠无害物质污染环境的照明光源和再生能源的照明系统。因为:


⑴白光LED具有体积小、重量轻、工作电压低、长寿命、高可靠等优点,而且它将比普通光源效率更高、更省电,并且它不含有汞、铅等对环境有害物质。


⑵太阳能是最典型的“绿色”能源之一,它是人类取之不尽、用之不竭的清洁能源。根据半导体光生伏特效应制成的太阳能电池即光生伏特电池,由这种太阳能电池组件与储能装置、控制装置配套构成太阳能供电系统。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、无污染等优点。


白天阳光照射到太阳能电池板组件上产生电流,经由充电控制器流入蓄电池,夜间充电器自动切断充电,接通蓄电池提供电能给白光LED使其发光实现照明。


因此用太阳能电池与白光LED组合的照明系统属于“真正的绿色照明”系统。


何谓LED的伏安特性?LED的电功率是如何计算的?


LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管,它是半导体PN结二极管中的一种,因此其电压-电流之间的相互作用关系,一般称为伏特(电压V)和安培(电流A)特性(简称V-I特性)与普通二极管类同,它们均遵循PN结整流方程,即有下式近似表示的关系:


IF=IF(0)eqVF/KT

式中:IF(0)为反向饱和电流(又称起始电流)

q为电子电荷量

K为玻尔兹曼常数

T为绝对温度


可看出,IF与VF呈指数关系,这是LED的正向V-I关系,即施加在LED PN结上的电压是正向电压即N型端加负电压,P型端加正电压。


当在LED PN结上施加反向电压VB时,在VB较低时,流过LED PN结的电流很微弱,几乎为零,这时流过PN的电流IF(0)称为反向饱和电流。但当VB增加到一定值时,流过LED PN结的电流会急剧增加,产生所谓的齐纳电流或雪崩电流,此时即使微小的△VB将会导致PN结电流无限制增加直至烧毁LED的PN结。


我们称这个电压为LED的击穿电压。图57-1是LED电压-电流即伏安特性的示意图。在第一象限的曲线正向特性区,在第Ⅲ象限的曲线为反向特性区。在LED的正向特性区,V-I曲线的斜率称为LED的跨导,即以上公式对VF的求导:


衡量LED器件光电转换优劣的参数主要有哪些?


LED作为电一光转换的发光器件,衡量其性能优劣的参数很多,有电学的、有光学的,还有热学方面的,但最基本的,可以用它的电一光转换方面的参数来衡量。


对于普通用作指示灯的LED器件,常用它在规定电流IF下的发光强度一烛光(烛光用符号cd或mcd)表示)来反映它的电一光转换能力。LED的发光强度是指其法向方向发出的光的强度,它与观察的角度相关,不同角度光强不同,这是必须弄清的。光强这一参数对于用做“看灯”的LED比较合适。


对于将LED用作“照亮被照物”的照明光源来说,光有发光强度似乎不太适用于LED在照明上的评估。但不论LED作什么用途,评价它的电一光转换优劣,可以用二个参数,即发光效率和辐射光通量来评价。


发光效率是指LED在规定的电功率下(也可以在规定的IF下)它发射出的光的功率的大小。知道了LED发射的光功率和施加在PN结上的电功率,则他们两者的比就是电一光转换效率μe-L即:μe-L=Plight/ Pe×100%.


目前LED最好的μe-L约在17%,即Plight≤170mw,显然它的电光转换效率不是很高。


LED输出的光功率Plight 都可以客观反映LED的发光能力,对于可见光或不可见光都一样,然而不同波长的可见光,尽管其发出一样的光功率,但人眼对其视觉效果却都不一样,特别是照亮度被照物时的灰度感觉可以有较大差异,不直观。为此人们又用另一参数——辐射光通量(单位为流明)来评估,它用符号φ表示。


辐射光通量对于人的视觉效果相对比较一致,不同波长但相同的光通量对于人眼视觉感觉是相同的,较适用于评价照明光源。它的定义是:在一个所有方向上光强Iv=1cd的电光源,其辐射的光通量为4π流明(流明符号为lm),用公式表示为公式:


φ=Iv·dΩ

式中dΩ为单位辐射立体角


可知LED发光强度Iv=φ/dΩ,即LED的发光强度是单位立体角的光通量。利用上式可对φ和Iv进行互换,条件是要知道dΩ。


由于辐射光通量对于不同发光波长的LED发出的光对人眼的感觉相对上比较统一,因此被用作LED光电参数的衡量依据之一,它与发射角也无关。于是在规定的电功率下,LED辐射的光通量φ与电功率Pe的比被定义作LED的流明效率,它由下式表示,单位为lm/w。


μ(e-φ)=(φ/Pe)

流明效率是又一个衡量LED电一光转换效率的参数,也是在照明领域来表示单位电功率下光辐射的强弱的常用参数之一。


单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同?


单个LED的流明效率是在对这一个LED时加上规定的正向偏置后,例如加上:IF=20mA正向电流后,对应的IF≈3.4V,此条件下测得的辐射光通量φ=1.2lm,则这个LED的流明效率为:


μ(e-φ)=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W


对于单个LED,其上所施加的电功率Pe=VF×IF ,在这功率下的辐射光通量折算为每瓦多少流明即可。



但是作为一个灯具,不论作为光源的LED PN结上实际加上的功率VF×IF是多少,灯具的电功率是灯具输入端口送入的电功率,它包括了电源部分(如稳压源、稳流源、交流整流成直流电源部分等)所消耗的功率,如图64-1所示。


以一个MR-16灯具为例,其工作电原为AC12V,用一只1W LED作光源,其工作电流IF=300mA,此时VF=3.2V,在LED PN结上的电功率为0.96W,单管的光通量为17lm,但由于灯具内部存在AC/DC变换以及恒流源驱动电路,因此实际输入电功率Pe要大于LED上得到的电功率,使总体的流明效率下降,假定这个灯的输入功率为1.2W,则灯具的流明效率应为:


μ(e-φ)(灯)=17lm/1.2W=14.17lm/W


可见,灯具中驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个LED的流明效率要下降。电路损耗越大,流明效率越低,因此寻找一种高效率的LED驱动电路就显得极为重要。


什么是人眼对光的视觉函数?


与热一光转换的发光模式不同,LED是电一光转换,因此它发出的光其光色比较单纯,也就是发出的光的光波波长比较单一,因此LED发射的光为单色光,实验研究发现,人的视觉系统一般说人眼对于不同波长的光色其视觉灵敏度是不同的。


研究表明,人眼对λD=555nm(绿色)的光的视觉灵敏度有最大值,随光的λD的增大或减小,人眼视觉灵敏度会随之下降。于是可以用人眼视觉函数光通量的归一化关系,作出在同等光功率下,λD与φ的关系曲线,作出如图65-1所示的人眼视觉函数与光波长的关系的曲线就是所谓的人眼视觉函数关系曲线。



由试验得到,在同一光功率输出时,即在可见光范围内,当λD=555nm光源的光功率达PL=1W时(注意不是电功率),其辐射光通量为683lm,当λD=460nm光源的光功率PL=1W时,蓝光的辐射光通量为41lm,而λD=660nm,光功率PL=1W时,红光的光通量为42lm,当λD<400nm或λD>700nm时,1W光功率的对应辐射光通量仅不倒1lm,也就是进入不可见的柴外或红外范围,这就是说在不同波长的发光光源的发射光功率相同时,人眼感觉到光的辐射的“强度”是不同的,也就是有敏感与不敏感的区分,但如果辐射光通量相同,人眼的感觉就会觉得相同,因此对照明光源而言用光通量φ或流明效率来衡量LED电一光特性比用光输出功率或其他参数要直观和实用。这就是对于用于照明的大功率LED,通常用辐射光通量这一参数或流明效率来表征它的优劣。


人眼对光的视觉函数这一特点对我们了解LED有什么作用?


从上面知道,人眼视觉函数实际上是人对不同颜色的光的照明感觉的差异,它的作用在于对于LED而言,我们可以知道某一波长光色的LED其极限流明效率是多少,从而不会因此产生对LED的光电参数作“无限止”要求。


例如,对于λD=460nm蓝光LED,即使其光电转换效率达到100%,也就是说,施加在LED PN结上的1W电功率,即使能产生1W的光功率,此时从视觉函数曲线上可查到其辐射光通量也只有41lm,其流明效率公41lm/W,这是460nm兰光LED的理论极限流效率,不可再比这个数值高。利用这一特点就能提供一个评估LED电光转换效率的参考依据,同样对一个λD=620nm的红光LED其极限流明效率可高达140lm/W。


其次,利用人眼视觉函数曲线,我们在知道了一个LED的输出光功率后,可以换算出它对应条件下的辐射光通量。例如一个460nm的蓝光LED,当其施加1W电功率时,能输出80mW的光功率,那么通过下式可约略求出它的光通量和流明效率:


φ=41lm×80mW/1000mW≈3.28lm


归纳起来,利用人眼视觉函数曲线,可以估计出特定波长的LED器件的极限光通量,利用曲线还可对LED器件在特定工作条件(VF和IF已知)下它输出的光功率与辐射光通量进行换算,因此这是十分有用的一种关系曲线。


为什么一个蓝光LED在涂上特殊的荧光粉构成白光LED后,其辐射光通量会比蓝光的高出几倍基至十几倍?


从前面我们已经知道白光LED是用什么方法制造出来的,其中一种方法是在发蓝色光的LED芯片上涂上一层YAG荧光粉,用蓝色光子激发YAG荧光粉,形成光一光转换,荧光粉被激发产生黄光光子,蓝色光与黄色光混合变成白色光,成为白光LED。这种通过光—光转换后不同波长光的混合,会使它的波谱变宽,白光LED一般比图所示的LED蓝光波谱宽的多的波谱。


对于用蓝光芯片加YAG荧光粉制成的白光LED,与单色LED相比,人眼对它的视觉函数应当是图67-2所示的各种波长成份视觉函数的积分平均值,此值可以计算得约在296lm/W,即这种白光LED,当发射出光功率1W的白光时,其辐射光通量约为296lm/W,即这种白光LED,当发射出光功率1W的白光时,其辐射光通量约为296lm,这个数值比发射光功率1W的蓝色LED的辐射光通量41lm增大了7.2倍。



我们举一个例子说明,若制作白光的蓝光芯片的光通量为21lm,当涂上YAG荧光粉后制成的白光LED,则它的光通量可以达到15~20ml,只要在荧光粉的受激波长与蓝光的激发波长相匹配,并控制涂布制程,是可以获得良好效果的。


LED在照明应用中,往往要知道这个LED的照度是多少,请问照度的定义是什么?知道了这个LED的辐射光通量,能否求出它的照度?


在照应用中,往往要知道当用LED作照明光源时,希望知道这种光源照射在接收面上某一点处的面元上的光通量φ。很显然,不同面元的面积,其照射效果不一样,于是人们用一个光照度来规范这一情况下光源的性能。


照度以称光照度,它定义为:照射在光接收面上一点处的面元上的光通量dφ与该一点处面元的面积ds之比,照度单位为勒克斯,用lux来表示,并可写作:

E=dφ/ds

从上式可以知道,只要了解了LED光源的光通量φ,和需被照射的面积S,则在这个面积S的面上,它的照度E即可用(68-1)式求得。因此从上式可知照度又可称作是单位面积的光通量。


从照度的定义和公式,我们可以得到φ与E的相互换算关系,知道照度E和单位面积可以计算出光通量φ:

φ=E·ds

这些关系式在LED实际应用中十分重要,是经常用到的基本设计公式。


例如:用LED光源作路灯,已知路灯高10米,灯距为16米,要使两盏灯间路面范围内照度为20lux,每灯的LED光源要用多大的光通量?


这里r=16/2=8m

因此S=3.14×82=200m2

于是有:φ= E·ds=20lux×200m2=4000lm

假设用每个φ为20lm的功率LED来作这个灯的光源,需要20个才能满足要求。



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