LED封裝步驟、壽命預(yù)測、參數(shù)講解

　?、?是紅色GaP:Zn-O 的LED，發(fā)光譜峰λp = 680～700nm；

　　④ 是紅外LED 使用GaAs 材料，發(fā)光譜峰λp = 910nm；

　?、?是Si 光電二極管，通常作光電接收用。

　　由圖5可見，無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。

　?、?譜線寬度：在LED 譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應(yīng)λp-△λ，λp+△λ 之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜線寬窄，即LED 單色性的參數(shù)，LED 半寬小于40 nm。

　?、?主波長：有的LED 發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED 色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED 發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。如GaP 材料可發(fā)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED 長期工作，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。

　　2.3 光通量

　　光通量F是表征LED 總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。F為LED 向各個方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED 光通量隨之增大?？梢姽釲ED 的光通量單位為流明（lm）。

　　LED向外輻射的功率——光通量與芯片材料、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。目前單色LED 的光通量最大約1 lm，白光LED 的F≈1.5~1.8 lm（小芯片），對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18 lm。

　　2.4 發(fā)光效率和視覺靈敏度

　?、?LED效率有內(nèi)部效率（pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）。前者只是用來分析和評價芯片優(yōu)劣的特性。LED光電最重要的特性是用輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比，即發(fā)光效率。

　?、?視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量。人的視覺靈敏度在λ = 555nm 處有一個最大值680 lm/w，若視覺靈敏度記為Kλ，則發(fā)光能量P 與可見光通量F 之間關(guān)系為P=∫Pλdλ ； F=∫KλPλdλ

　　③ 發(fā)光效率——量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn 結(jié)載流子數(shù)=（e/hcI）∫λPλdλ。若輸入能量為W=UI，則發(fā)光能量效率ηP=P/W 若光子能量hc=ev，則η≈ηP，則總光通F=（F/P）P=KηPW 式中K= F/P。

　?、?流明效率：LED 的光通量F/外加耗電功率W=KηP

它是評價具有外封裝LED 特性，LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。

　　以下列出幾種常見LED 流明效率（可見光發(fā)光效率）：

　　品質(zhì)優(yōu)良的LED 要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高。事實上，LED 向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應(yīng)為η=ηiηcηe，式中ηi 向為p、n 結(jié)區(qū)少子注入效率，ηc 為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率，ηe 為外部出光（光取出效率）效率。

　　由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時（無環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。為了進一步提高外部出光效率ηe 可采取以下措施：

　?、?用折射率較高的透明材料（環(huán)氧樹脂n=1.55 并不理想）覆蓋在芯片表面；

　?、?把芯片晶體表面加工成半球形；

　?、?用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4~6倍。

　　2.5 發(fā)光亮度

　　亮度是LED 發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強方向性。其正法線方向的亮度BO=IO/A，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為cd/m2 或Nit。

　　若光源表面是理想漫反射面，亮度BO 與方向無關(guān)為常數(shù)。晴朗的藍(lán)天和熒光燈的表面亮度約為7000Nit（尼特），從地面看太陽表面亮度約為14×108Nit。

　　LED 亮度與外加電流密度有關(guān)，一般的LED，JO（電流密度）增加BO 也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，ηc（復(fù)合效率）下降，BO減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。

　　2.6 壽命

　　老化：LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為Bt=BO e-t/τ，Bt 為t 時間后的亮度，BO 為初始亮度。

　　通常把亮度降到Bt=1/2B0 所經(jīng)歷的時間t 稱為二極管的壽命。測定t 要花很長的時間，通常以推算求得壽命。

　　測量方法：給LED 通以一定恒流源，點燃103 ~104小時后， 先后測得B0 ，Bt=1000~10000，代入Bt=B0 e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2B0代入，可求出壽命t。

　　長期以來總認(rèn)為LED 壽命為106小時，這是指單個LED 在IF=20mA 下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。

　　如LED 的光衰減為原來35%，壽命＞6000h。

　　3、熱學(xué)特性

　　LED的光學(xué)參數(shù)與pn 結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20 mA 長時間連續(xù)點亮LED 溫升不明顯。

　　若環(huán)境溫度較高，LED 的主波長或λp 就會向長波長漂移，BO 也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED 的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計散射通風(fēng)裝置。

　　LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為：

　　由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設(shè)計尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設(shè)備、確保LED 長期工作。