LED半导体照明灯光设计毕业论文

LED半导体照明灯光设计毕业论文
目录
1引言 (1)
1.1半导体照明光源的提出. (1)
1.2 LED的特性 (1)
1.3 LED照明现状及发展趋势 (4)
1.4相关光度学参数简介 (7)
1.5本课题的研究容 (7)
2 LED的封装与组装 (8)
2.1 LED封装方法的分类 (8)
2.2功率型LED封装存在的问题 (9)
2.3封装发展趋势 (9)
2.4新颖的LED阵列封装技术——流体自组装 (10)
3 LED光源的光电参数 (13)
3.1 LED发白光的原理 (13)
3.2 LED特征参数简介 (13)
3.3LED照明光源光度参数的计算 (14)
4 LED照明光源的制备 (17)
4.1 LED吊顶灯与射灯的设计 (17)
4.2 LED光源驱动电路 (18)
4.3串联调整型稳流电源工作原理 (23)
4.4便携式LED采用的驱动设备 (26)
4.5照明光源的组装 (28)
4.6实验测试与结果分析 (29)
5 LED的散热问题及解决方案 (32)
5.1热对LED的影响 (32)
5.2 LED光源的热传导和疏散 (32)
5.3实际制作的LED散热器及测试 (32)
6结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 (36)
外文资料原文 (37)
译文 (39)
1引言
1.1半导体照明光源的提出
随着全球能源价格的飞涨和供应不稳定，世界各国纷纷寻求各种节能方法，以减轻对能源的过度依赖。

这其中，占电能终端消费量近20％的照明用电很有发掘潜力。

据检索，2004年中国累计发电21870亿度，照明用电约占其中的15％；美国2003年照明用电6000亿度，占发电总量的约20％。

由于人们生活对电的严重依赖以及对电力需求量的逐年攀升，电力供应不足或中断会对人们生活造成巨大的影响，近年来中国不断恶化的拉闸限电趋势以及2000年美国和加拿大的大停电等都说明了这一点。

现在，随着半导体发光技术的进步，人们将照明节电的希望寄托在一种新型的照明光源——固态照明光源（Solid State Lighting,SSL）上。

SSL主要包括无机发光二极管（Light Emitting Diodes, LED）和有机发光二极管（Organic Light Emitting Diodes, LED）。

目前LED的亮度较OLED高，其发光效率和发光量提高很快，特别是可用作照明的大功率发光二极管（High-Power Light Emitting Diodes），其发光效率已经超过白炽灯，并向荧光灯的水平迈进，单颗芯片的输入功率已可达5W，甚至10W的水准，而其发光量已超过100流明。

作为充满希望的新一代照明光源，LED具有很多特点：它不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，相比荧光灯，LED也可以达到50%的节能效果；LED为固体封装，结构牢固，使用寿命长达10万小时以上，是荧光灯的10倍，且废弃物不含汞，不会造成二次污染。

根据美国光电工业发展协会（OIDA）的研究，LED照明光源潜在的优点包括：
到2025年，估计全球围由于使用SSL而将节约50％的照明电能，没有任何一种其它的电能消耗行业具有如此大的节能潜力。

由于大多数电能来自燃烧矿物燃料，因此节约的电能就相当于每年少向大气中排放几亿吨的碳化物（CO，CO2等）等污染源。

不仅减轻对环境的压力，还能节约对电站的投资和巨大的照明支出费用。

SSL代表了一种新型的照明光源，它将改变人们对人工照明光源的看法，并创造一个年产值近500亿美元的产业。

灯光设计师能将结构精巧、式样新颖的LEDs以面阵列的形式，以任何图案和外形组装在门上、墙上、天花板上，甚至嵌入在家具中，形成无器具感的明亮均匀照明。

因此，作为一种新型绿色照明光源，LED，特别是有望进入通用照明领域的大功率白光LED引起了人们广泛的关注和深入的研究，它很有可能在不久的将来取代荧光灯等传统光源，成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯和高压放电灯（High Intensity Discharge，HID）之后的第四代人工照明光源。

1.2 LED的特性
1.2.1 LED发光原理
发光二极管是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如GaAs、AlGaInN、GaAsP等半导体材料在衬底（蓝宝石，硅或SiC等）上外延生长而成，通常采用双异质结和量子阱结构，其核心是PN结。

P－N结是携带电子的n型半导体和携带空穴的p型半导体间的过渡层。

当p层加上正向电压而n层加上负向电压，电子就从n层流入p 层，空穴从p层迁入n层。

在p层中电子较少而存在大量的空穴，反之在n层中，
空穴较少而存在大量的电子。

这些电子与空穴的区别是其能量与动量的不同，能量之差称之为半导体材料禁带宽度Eg。

导带中的电子与价带中的空穴相互复合时，要释放出多余的能量。

放出能量的方式有两大类：
②射光子，成为辐射复合；
②不发射光子，成为非辐射复合，最后转换为热能或激发别的载流子。

在热平衡状态下存在着热激发与载流子间复合的平衡。

由于不管是p区还是n区中少数载流子（少子）密度都很小，这种复合是很弱的。

即使有辐射复合，由于材料的本征吸收，从外部是观察不到光发射的。

必须在半导体激发载流子，形成不平衡载流子，即需正向电流注入，它们的复合才会导致显著的光发射,实现电能向光能的直接转换，如图1-1所示。

图1-1 LED发光原理图
为了获得高的发光效率，需要保证以下几点：无辐射复合的寿命要长于辐射复合的寿命，为此需要提高少子的密度；要使晶体中的缺陷密度尽可能少而使注入的载流子密度高，一般是把带隙宽度小的发光层夹到禁带宽度大的层，制成异质结结构，如图1-2所示。

理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，λ=（nm），式中Eg的单位为电子伏特（eV），若能产生可见光（波即1240/Eg
长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

目前已开发出发射红外、红、黄、绿及蓝光的发光二管，其中蓝光二极管是近来人们研究的重点，它具有输入功率大、发光亮度高、易于转换得到白光等优点，是大功率发光二极管的主要代表。

1.2.2 LED的优点
LED是一种新型的光源，目前广泛用于指示性照明和特种照明市场上，随着
性能的不断提高，正向通用照明光源的方向发展。

与传统人工照明光源相比，LED
照明光源具有很多优点，其发展潜力非常巨大：
A发光效率高：基于特别的材料构成，在电子转移的过程中，LED释放的能量
主要集中在可见光围，不像钨丝灯发出的电磁能很多集中在红外线区，令人感觉
到非常热。

也就是说，理论上LED几乎能把所有的电能都转化为光能，而白炽灯
的可见光效率仅为10-20%。

现在商品化的LED的发光效率已超过35流明每瓦，
这几乎是钨丝灯泡的两倍。

B光线质量高：由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故没有辐射，产生的热量很小，LED属于典型的绿色照明光源。

C光色纯：与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。

D LED光源颜色丰富：既有白色的LED，也有发各种单色光的LED，而且颜色饱和度高，在需要色光的场合，不再需要用滤色片来进行滤光，有利于节约电能。

E能耗小：单体LED的功率一般在0.05-3W，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。

F寿命长：目前光通量衰减到70%的标称寿命为10万小时，远远高于白炽灯的1500小时和荧光灯的1万小时。

G可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。

H应用灵活：体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，目前封装后LED 的厚度可小于1mm，易于做成点、线、面等各种形式的具体应用产品。

I绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞等有害成分。

1.2.3 LED的发展与分类
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。

当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1 lm/W。

70年代中期，引入元
素In和N，使LED产生了绿光（λp=555nm）、黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1 lm/W。

到80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。

进入20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也在1992年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明[7]。

这样整个可见光波谱的单色LED已经完整，能够满足各种单色发光的应用场所。

A．发光颜色
从出光颜色上可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光、白光等。

B．按发光强度分
按发光强度分有普通亮度的LED(发光强度<100mcd)，高亮度LED(发光强度>l00mcd)，发光强度在10000mcd以上的称超高亮度发光二极管。

C．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。

人们通常把φ3mm的LED记作T-1，把φ5mm的记作T-1(3/4)。

D．按发光强度角来分
从发光强度角分布图来分有三种：高指向型，标准型和散射型。

高指向型一般为尖头形环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂，半强度角为50-200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；标准型的半强度角为200-450，通常作指示灯用；而散射型的半强度角为450-900或更大，散射剂的量较大。

1.3 LED照明现状及发展趋势
LED的研制起始于上世纪六十年代，随着技术的进步，其出光颜色的种类、芯片尺寸、发光效率、输入功率和封装结构等都有了很大的飞跃。

最初，LED的发光量很小，主要采用支架式封装，应用于电子电气、自动化系统、家用电气和交通运输工具等上面作指示性照明。

进入90年代，随着LED制造材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐渐进入市场并占据重要地位。

1998年，蓝色和白光LED研制成功，LED照明进入了实施阶段。

此后国外科研机构对高亮度LED器件中存在的散热、光衰和显色指数的控制等重大问题进行了深入的研究，获得了很大的进步，其发光效率迅速提高，高亮度LED显示出在照明领域的巨大潜力。

1.3.1大功率LED的研发计划
如上所述，LED照明光源具有非常多的优点，特别是自1998年白光LED发明后，人们认识到了大功率白光LED在普通照明领域的巨大发展潜力，纷纷加大研究投入，从而掀起了了一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯逐步替代白炽灯和荧光灯。

科学界预测，到2007年，光电子产业的产值将达到电子产业产值水平；2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。

因此各国纷纷制定了相应的扶持发展半导体照明的计划：日本于1998年在世界率
先开展“21世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到传统荧光灯的两倍，减少CO2的产生，并在2006年完成用LED替代50%的传统照明光源的目标[9]。

整个计划的财政预算为60亿日元。

从1998-2002年，耗资50亿日元的第一期目标已经完成。

现在，日本正在实施第二期计划，计划到2010年将LED的发光效率提高到120 lm/W。

美国能源部于2001年7月提出了“新一代照明光源计划”，决定从2000～2010年投入5亿美元，用于LED照明光源的开发与应用研究。

为了指导LED照明产业的发展，美国光电工业发展协会（OIDA）制定了相应的技术路线图，计划到2020年，将LED的发光效率提高到200lm/W，而照明成本降低到3美元，如下表。

欧盟于2000年7月启动了扶持半导体照明发展的“彩虹计划”，决定通过欧盟的补助金来推广白光发光二极管的应用。

希望通过该计划实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的半导体照明。

韩国则推出了“GaN半导体开发计划”，拟从2000年至2008年，由政府投入4.72亿美元，企业投入7.36亿美元来进行该计划的开发实施。

其研究项目包括以GaN为研究材料的白光LED，蓝、绿光激光二极管及高功率电子组件三大领
域。

中国大陆于2003年6月17日，由中国科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”，提出了我国实施半导体照明工程的总体方针，并紧急启动半导体照明产业化关键技术重大项目，要求在十五计划底，结合制定国家中长期科技发展规划和第十一个科技五年计划，研究提出中国半导体照明产业发展的总体战略和实施方案。

从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动，这对于节约能源，保护环境，提高照明质量具有重要的意义。

除了各国政府制定的宏观发展计划，在这场照明变革中，各大相关企业也推出了自己的研发计划。

世界三大照明工业巨头通用电气（GE）、飞利浦（Philips）和欧斯朗(OSRAM)集团都已经启动了大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立半导体照明企业：全球最大的照明光源厂商Philips lighting公司于1999年7月与美国HP-Agilent技术公司合作投资1.5亿美元，成立了Lumileds公司致力于白光LED研发工作，其Luxeon系列高亮度LED已经取得了重大进展，生产的芯片尺寸为1平方毫米、功率为1w和5w的白光LED 光通量分别达到45lm和180lm；美国Cree、德国Siemens光电公司与Osram GmbH 联合，进行白光LED光源的开发研究工作；日本的Toshiba和Honda也进行LED 联合研发等。

1.3.2 LED应用于照明的发展
LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。

自1998年白光LED研制成功以后，LED照明才真正进入了实施阶段。

在各国半导体照明发展计划的大力激励下，各研究实体加倍努力，可应用于照明的高亮度LED的性能获得了很快的提高。

目前单颗高亮度白光LED芯片的发光效率已超过50lm/W，而输入功率则超过3W。

其实在LED产业领域，也有类似微电子领域的摩尔定律。

安捷伦的前任技术科学家Roland Haitz预测，LED的价格每十年将为原来的十分之一，性能则提高二十倍，这个预测后来被业界称为Haitz定律，如图1-3所示。

这个预测给未来的LED照明产业预示了无限美好的前景，特别在目前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED照明光源给人们更多的期待。

图1-3 Haitz预测的LED性能与价格发展趋势
LED应用于照明领域，涉及到材料器件研制、散热设计、光学结构设计、封装材料以及测试方法等众多科技领域。

目前LED照明光源已经在特种照明领域获得了广泛的应用，比如应急照明、装饰照明、景观照明等，但进入通用照明领域才是发挥LED巨大节能潜力的目标。

随着LED性能的迅速提高，价格的不断下降，
LED光源取代白炽灯和荧光灯必将很快实现。

我国是照明灯具生产大国，在这场兴起的半导体照明变革中，一定要抓住机会。

科技部“国家半导体照明工程”计划2007年半导体照明逐步取代白炽灯，2012年后取代荧光灯。

据推测，在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明需求的带动下，2003-2007年我国高亮度发光管芯市场规模将保持年均将近25％的增长速度，到2007年我国高亮度LED管芯市场将会突破20亿元。

1.4相关光度学参数简
LED照明涉及到光度学方面的知识，先做一介绍。

光度学是1706年由朗伯建立的,它是研究光的发射、传播、吸收和散射等过程中光的计量问题的学科，也即对可见光的能量计量的学科，研究各种光量，如发光强度、光通量、照度等的定义及其单位的选定，以及它们之间的关系等。

了解光度学中相关的参数是光源计量与设计的基础。

视见率：又称“光谱光视效率”,表示不同波长的光对人眼的视觉灵敏度。

能引起人视觉感应的可见光波长在380~780nm之间,实验表明：正常视力的观察者，对波长5.55×10-7米(555nm)的黄绿色光最敏感，而对紫外光和红外光，则无视力感觉。

取人眼对波长为5.55×10-7米的黄绿光的视见率为1，其他波长的可见光的视见率均小于1，红外光和紫外光的视见率为零。

某波长的光的视见率与波长为5.5×10-7米的黄绿光视见率的比称为该波长的相对视见率。

光通量：人眼所能感觉到的辐射能量，反映了一个光源所发出的光辐射能所引起的人眼光亮感觉的能力。

它等于单位时间某一波段的辐射能量和该波段的相
对视见率的乘积，单位为流明(lm)：光通量(lm)=683×视见率×辐射能量(W)。

1.5本课题的研究容
大功率LED作为半导体照明光源的代表，其技术进展及应用受到人们注。

随着发光效率的提高和输入功率的增加，高亮度LED已进入景观照明明领域，并逐渐向通用照明市场发展。

本课题主要围绕高亮度LED照明光和电、光度特性参数的测试进行研究，并对其封装热阻的计算作了探讨，为源在通用照明领域的应用作了必要的初步探索。

本课题的研究容主要集中在以下几个方面：
1)论述LED封装发展趋势；
2)组装几种LED光源样品并测试、评价其性能；
3)关注LED发热问题，探讨改善其散热能力的方法并实际制作出几种不同的散热器。

4)对大功率LED的聚光问题进行初步研究。

2 LED的封装与组装
LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但是作为发光器件，LED的封装又有自己的特点：LED封装不但要完成电信号的输入输出，保护芯片在正常的电流下工作，还得维持工作状态下芯片的温度不超过允许的围，这对于功率型LED的封装来说显得尤为重要；另外封装结构和材料要有利于提高出光效率，降低生产成本，实现电性能和发光效率的最优化。

2.1 LED封装方法的分类
LED的封装形式很多，主要包括支架式封装、普通片式封装、双列直插式封装、功率型封装（芯片工作电流If≥200mA）和多芯片封装等：
1.支架式封装始于二十世纪七十年代，这种封装不仅可以保护发光芯片，而且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子弹头型的环氧树脂可以起到透镜的作用。

这种封装形式的LED是典型的点状光源，最适合作指示灯用，而且生产插件时极其方便，但是其封装热阻比较高。

2.普通片式封装迎合了封装微型化和表面贴装技术的要求，主要型号有0402、0603、0805、1206、1210等，封装厚度一般在1mm以下，最薄的封装厚度只有0.4mm,因此在手机、PDA等便携式电子产品中广泛作为按键和屏幕的背光照明。

3.双列直插式封装采用类似IC封装的铜质阴线框架固定芯片，并在焊接电极阴线后用透明环氧材料包封，如“食人鱼”式封装。

这种封装芯片热散失较支架式好，热阻低，LED的输入功率可达0.1-0.5W。

4.功率型封装是为了适应大光通量的要求而发展起来的。

因为对于普通照明，要求其光通量足够大，一般在几百流明以上。

比如40W的白炽灯能发出约600流明的光通量，而一个40W的普通荧光灯发出的光通量超过3000流明。

功率型封装采用的是大尺寸LED芯片（如边长40mil），其工作电流一般在200mA以上，可输出几十流明的光通量。

输入功率的不断增加使得散热问题变得非常突出，因此功率型封装中LED芯片多为倒装式互连以提高散热性能。

倒装型LED由于采用的是厚而不透明的金属接触层作为电流扩展层，因而与传统的正装型LED相比，它能够在大的工作电流下工作并保持很高的可靠性，同时，封装到硅基板上后，由于芯片的激发区更靠近热沉，元件产生的热量能很快从导电金属层通过焊料传
递到热沉而散失掉，有利于保持较高的发光效率。

5.为了进一步提高单个元件的光通量并降低封装成本，近来出现了多芯片封装技术并获得了很大的发展。

2003年，Lamina Ceramics公司推出了自己的专利封装技术—多层低温陶瓷金属基烧结(LTCC-M)技术，生产出集成度很高的LED 阵列。

通过倒装封装工艺，该多芯片组装器件的发光亮度在840cd/in2以上，流明效率超过40lm/W，而使用寿命长达10年，并且能在较高的温度环境下正常工作。

美国UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也为多芯片组合封装结构，它采用六角形铝基金属线路板作为热沉，直径为1.25英寸，发光区位于中心，可在金属线路板上排列多达40个超高亮度倒装型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）或白色（RGB三基色合成或蓝色黄色二元色合成)。

2006年2月，美国OPTEK公司推出了最新型的3D封装的高亮度LED光源[16]，它的输入功率为10W，输出光通量为330流明，而视角则达到了120度。

这些多芯片组合封装的功率型LED不仅集成度高，散热性能良好，而且可在大电流下工作，具有很高的光输出量，是一种很有发展前途的LED光源封装模式。

2.2功率型LED封装存在的问题
作为新型照明光源，LED的发展潜力是勿庸置疑的。

人们近期的目标是将其发光效率和光通量提高到现有照明光源的水平，这期望于功率型LED和多芯片封装技术。

但目前功率型LED封装还存在一些问题有待解决，比如散热效率低和成本过高，另外静电防护和新出现的无铅化互连等问题也需注意。

散热一直是制约
功率型LED发展的首要问题。

根据美国OIDA发展规划，到2012年，每个LED 单元的发光量将达1000流明，发光效率为150lm/W，因此需要的输入功率为7瓦，这其中由于产生热量而浪费的功率将达4瓦（(1klm)/(400lm/W－150lm/W)），这还不考虑其它的能量损失，假如驱动电路与发光单元是集成的，那么还得算上30％以上的能量损失。

虽然这个数值不大，但是由于必须在很小的芯片面积（约为0.017cm2(1klm/(400W/cm2×150lm/W))上散失到周围环境中，因此它的热流量将达到235W/cm2，这是常规微处理芯片所产生热流量的4～5倍！如此大的热通量必须及时的散失掉，因为LED的发光效率严重依赖于温度，当结点温度升高到一定水平后，会发生明显的颜色漂移以及发光效率下降等现象。

成本过高是LED光源面临的另一个挑战。

目前单颗1W LED元件的价格在15元左右，3W的价格在20元以上，标称发出的光通量分别为35lm和80lm。

而一个出光量为3000多流明的40W荧光灯的价格却不到10元。

因此还需不断提高LED元件的光通量，同时快速降低其价格。

上述的多芯片封装技术有望加速LED 照明光源进入通用照明市场。

静电防护在功率型LED封装中是十分重要的。

由于芯片的正负电极均位于芯片的同一个面上，间距很小；对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结，InGaN活化层的厚度仅几十纳米，对静电的承受能力很小，极易被静电击穿，使器件失效。

因此，在产业化生产中，需要从电路设计、工艺操作以及附加保护器件上来保护功率型LED免遭静电的损害。

芯片输入功率的提高还带来一个新的问题——热迁移。

因为LED芯片的功率密度非常大，而目前LED的发光效率较低，因此大量的电能转化为了热量。

这些热量在微小的芯片上产生很大的热流密度，使得芯片与基板间形成一个较高的温度梯度。

由于原子在高低温下的迁移速度不同，从而导致原子。