摘要：发光二极管（LED）的技术突破和性能的提高，使其在传统照明领域的应用成为现实。并对现在传统的照明技术和应用领域产生长远影响。

 

关键词：LED；照明；白光；封装；现状；技术；发展

 

    1968年首次提出商业用途的LED光源。这些红色的磷砷化镓/砷化镓（GaAsP/GaAs）LED光源的光效为0.2lm/W，并且在正常工作状态下光通量为0.2lm。这些低亮度的LED光源开辟了固体形式低功率信号装置市场。两年以后，1970年开发出双倍光效的磷化镓基础系统（0.4lm/W）。又经过15年稳步发展，其光效已达到4lm/W，并且在90年代初期，磷化镓-铟-铝（AIInGaP）和砷化镓-铟-铝（AIInGaAs）已经成为在光效10lm/W范围内产生由绿色到红色光谱LED光源的主要材料。

 

    材料系统中光效提高用于两个不同的方面：

 

（1）对于小功率的信号设备，早已达到或超过其所需的亮度水平，提高光效可以减少芯片的尺寸，进而降低成为LED元件中主要成本的芯片的成本。

（2）对于使用黄色-红色部分光谱大功率的超高亮度LED信号装置，目前已经用于白天彩色户外装置，例如（红色）交通灯。

 

    在LED技术发展的最初20年中，光效和光通量已经提高了50倍，这对于其本身发展是一个极大的突破，但在1990年这些并没有对传统照明行业产生影响。所在的10lm/W的LED光源只是光谱在红色和黄色的部分，在绿色和黄色的光谱部分则会迅速衰减，光谱在蓝色到绿色部分的LED光源在性能方面与1968年提出的第一支红色LED处于同一水平。很明显，可利用的白色光还没有出现。

 

    1992年一个重要突破便是在磷化镓-铟-铝材料系统中使用一种透明的底层（磷化镓）。使用透明磷化镓-铟-铝的技术不久便使黄褐色光谱部分的光效达到25lm/W，绿色、黄色光谱部分则达到12lm/W。

然而被忽视了的绿色和蓝色部分的光谱真正取得具有革命性的技术突破是在1993年下半年，两家日本公司宣称其利用氮化镓做基底的高亮度蓝色LED的技术发展水平已达到10lm/W的光效，这对于蓝色LED技术的发展仅仅只是一个开端。

   

    这两种系统中绿色的氮化镓LED光源的光效可达到20lm/W，并有人预言这些主要的性能将会得到提高，随后这些预言被证实过于保守，1999年末，研究过程中黄褐色（611nm）在磷化镓-铟-铝的光效已经达到102lm/W。据估计氮化镓在深蓝色（470nm）的最佳实验实验室研发光效可超过15lm/W，深绿色（530nm）光效可超过55lm/W（见表）。

 

表1 椐报道或估算的氮化镓-铟-铝（蓝色-绿色）和磷化镓-铟-铝（黄色-红色）的LED可达到的最高光效值（产品发展水平）

 

芯片类型	波长(nm)	2000年光效最高值	2005年光效最高值
氮化镓-铟-铝/荧光粉	白光	20	50
氮化镓-铟-铝	470	15	25
氮化镓-铟-铝	506	30	60
氮化镓-铟-铝	530	54	135
磷化镓-铟-铝	571	14	21
磷化镓-铟-铝	598	68	102
磷化镓-铟-铝	611	102	153
磷化镓-铟-铝	634	78	101
磷化镓-铟-铝	658	38	45

 

    如此高的光效和LED光源所取得的难以置信的发展速度已使照明行业十分振奋。在飞利浦照明和惠普公司于1996年底宣布他们的LED光源事业将合并后，全球的照明公司都已加入到LED光源市场。

 

    因为LED技术与传统照明技术有着普遍的不同点，以下叙述其主要特征及其不同点。

 

 

    III-V和II-VI型复合半导体材料用于生产p-n类型的发光芯片，组成由晶体的外延层、窗口、内部反射体等结合的复杂整体，这种芯片被称为0级产品。由导线、反射体、散热器、封装部分等混合组成的组合芯片被称为LED光源或1级产品。

 

    在这种高度单一化类型芯片中，光产生于P-N结，这一过程的效率被称为内部量子效率。其效率主要由原材料（杂质/缺陷等）、晶体外延性层状结构和组成物的质量决定。材料系统的特性决定了LED波长（颜色）。

 

总效率=内部量子表×额外效率

图1 左：内部量子效率（P-N结和射入电子产生的光子比率）

    右：客外效率（从芯片（LED）中跑出的光子和P-N结中产生光子的比率）

 

    但并不是内部芯片产生的所有的光都可以释放出来。这主要取决于芯片（折射率）、内部的吸收和芯片的几何形状等典型特征。从芯片及其周围的集成部分发出的光所占芯片产生光的百分比就是前面所提到的额外效率。

 

    由于在信号装置上的使用，LED技术的发展直到1995年才得到更多关注，这时关注的主要是亮度。

    从1995年起LED技术日益增加的关注点主要在光效（lm/W）和光通量（lm）两个方面。

 

    在比较传统光源与LED光源的光效、光通量时必须注意一些问题。第一，相对于传统光源从LED中发出的所有光通量具有很强的方向性。为了获得具有可比性的光束，对传统光源要求使用光学元件，这将产生部分额外损失（不包括传统光源整体反射型灯的光效）。依据传统光源系统和装置的典型效率算法，可用在“光通量”大概只占光输出量的50%～70%。第二，大部分提出的LED光效是指标准的5mm LED。5mm是指LED灯的直径。这种典型的灯在其内部有0.1×0.1mm尺寸的芯片，且使用电流为20mA。

 

    一个15lm/W、5mm的LED的光通量可达到1lm。在如此低的电流和光通量前提下，控制散热的要求已不是非常迫切的问题。

 

    大多数典型的照明装置要求光通量的范围在几百到几千流明。这时我们半需要用成百上千标准的5mmLED灯去代替传统的点光源（灯+灯具）。

 

    因此不得不成倍的使用LED点光源将其排列在一起，并运用适当的电路，考虑散热和机械接触面等问题。这也是前面提到的5mm标准的LED灯2级产品（图2），在不考虑价格因素的情况下，LED的尺寸大小成为其推广使用的最大障碍。

 

    图2图例说明不同级别基础的LED产品结构。

 

    所以，用于照明的LED光源还需要一种有别于标准的5mmLED的技术。

 

    为了保证2级产品的尺寸和成本在可接受的范围内，必须降低单位列阵中LED的百分比而LED光源的光通量百分比必须增加10～100倍。要做到这一点需要大大增加芯片的尺寸和电流的大小。这些高亮度的LED最早是由惠普公司的LED照明部于1997年提出的。那时他们的梭鱼式LED光通量为18lm，并替代包含200个标准的5mmLED的球形交通灯。

 

 

    LED可产生单色。在（较窄区域）彩色照明应用中LED已经在所有的能效方面超过大多数传统照明光源。

已证实了基于LED的42lm/W黄褐色街灯系统具有与低压钠灯装置同样的效率（适用于CIE 1cd/m²标准）。

尽管降低了维护保养费用，但在未来5年中基于LED技术的街道照明系统仍然面临着非常高的初期成本问题。伴随着LED产量的增加、低廉的价格和可预见的效率的提高，这些障碍都将会消失。

 

    然而在考虑替代传统照明技术时，其必须要达到巨大的白色照明市场对光效和颜色质量所要求的水平。

由于氮化镓技术在蓝色到绿色光谱范围内取得的显著进步，白色LED光源的市场前景已变得越来越明朗。

 

    用LED有两种截然不同的方法和产生白光。

（1）混合产生红色、绿色、蓝色芯片或LED，通过作为RGB颜色。

（2）利用荧光粉和蓝色氮化镓技术混合改变部分蓝色光谱以获得更长的波长，结合剩余部分的蓝色光谱就可以发出白色光，这种技术被称为蓝光-荧光粉技术。

   

    以上两种方都可以只使用两种颜色成份产生理想颜色特性的白光。

通过使用3种成份混合可以获得显色性很好的颜色（Ra80～90）。在蓝色-荧光粉技术中指两种不同荧光粉。第一种方法和第二种方法之间混合也有可能。

 

    RGB在理论上是理高效的，但是会降低它使用的光学系统效率和增加系统成本。蓝光-荧光粉技术本身很简单，根据荧光粉的吸收和转化效率也可以达到RGB技术的效率。

 

    然而这种技术之间最大的不同是RGB技术使用颜色调光技术，而蓝光-荧光粉技术是利用颜色特性并将其混合的一种光源。

 

    RGB技术扩大了LED的尺寸范围而蓝光-荧光粉技术则没有。

 

    蓝光-荧光粉技术的白色LED的光效提高到50lm/W，可以像目前白炽灯、卤钨灯、紧凑型荧光灯一样找到适用于白色LED的技术应用。

 

 

    LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题。因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达187lm，光效44.3lm/W绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管；尺寸为2.5×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达200lm，作为固体照明光源有很大发展空间。

 

    Luxeon系列功率LED是将A1 GalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低、一般仅为14℃/W,只有常规LED的1/10；可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40-120℃范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将LED固体光源发展到一个新水平。

 

    Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座（使其不导电）的多芯片组合，底座直径31.75mm，发光区位开其中心部位，直径约(0.375×25.4)mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的AlGalnN和AlGalnP管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的LED固体光源。

 

    在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热沉使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型LED芯片的封装设计、制作技术更显得尤为重要。

 

    结束语：

 

    随着LED理论研究的深入，新工艺、新材料的不断涌现，LED的性能指标将不断更新，而且可提高的空间是较大的，提高的速度也是很快的。这必将为LED在照明领域广泛应用打下坚定的基础。