21世纪的节能新光源—半导体照明

1 21世纪的节能新光源 —— 半导体照明 人类照明的历史经历了漫长的发展过程。过去，人们曾长期靠燃烧木材照明；直到1772年燃气照明才进入人们的生活；1879年爱迪生发明白炽灯，从此人类的照明进入了一个崭新的时代。上世纪九十年代末，随着第三代宽禁带半导体材料GaN的突破，半导体技术继引发微电子革命之后又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是基于半导体发光二极管（LED）的固态照明（亦称“半导体灯”），将逐步代替白炽灯和荧光灯进入普通照明领域。 LED固态照明被认为是21世纪的照明新节能光源，因为在同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽灯的1/10，而寿命却可以延长100倍。此外，LED器件是冷光源，具有光效高、工作电压低、耗电量小、体积小、可平面封装、易于开发轻薄型产品、结构坚固且寿命很长等特点。LED光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。因此，半导体灯具有节能、环保、寿命长、免维护、易控制等特点。无论从节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，LED作为新型照明光源都具有替代传统照明光源的极大潜力。半导体照明技术不仅可以应用于白光通用照明，在其它很多方面已经得到了广泛的应用，如各种仪器仪表的指示光源、装饰照明（景观、家居、休闲、商用装饰）、汽车等各类交通工具照明、交通信号显示、背景显示、电子屏幕、军用照明及旅游、轻工业产品等。如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，必将在照明领域引发一场革命。 很多国家已经为照明革命的到来做了充分的准备。日本、美国、欧盟、韩国等相继推出国家半导体照明计划。目前，美、日、欧盟皆有官方成立专案，编制预算与计划推行白光LED照明。日本的21世纪“光计划”计划从1998－2002年耗费50亿日元推行白光照明，并到2006年完成用白光LED照明替代50％的传统照明；欧盟的“彩虹计划”则在2000年7月启动，其计划是通过欧洲共同体的补助金来推广白光LED的应用；美国的“国家半导体照明计划”则是从2000年到2010年，其计划耗资5亿美元，到2010年前后，用半导体灯代替55％的白炽灯和荧光灯，这样每年可以节约350亿美元。2003年我国半导体照明工程全面启动，在材料、芯片、封装和应用产业化支撑技术方面取得较大突破。我国已在上海、大连、厦门、南昌等４个城市设立为国家半导体照明产业化基地。面对半导体照明市场的巨大诱惑，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团纷纷与半导体公司合作，成立半导体照明企业，并提出要在2010年前使半导体灯的发光效率再提高8倍，价格降低到1％。一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战已经在全球打响。美国能源部预测，到2010年仅在美国，半导体照明就可形成一个500亿美元的大产业。 目前，我国能源危机日益严峻，而半导体照明可显著达到节能目的。现在我国每年照明耗电为2000亿千瓦时，占全国用电总量的12％。由于同样亮度下，半导体灯用电量仅为白炽灯的1/10，只要有一半的白炽灯被半导体灯取代，每年就能为国家节省用电近1000亿度，相当于一个三峡工程的发电量。而一个半导体灯正常情况下可以使用50年，即使长命百岁的人，一生也只需2只灯。而且，半导体灯不仅可以发出各种颜色，它也不存在荧光灯难以解决的频闪问题，这才是真正意义上的绿色照明。 2

一、LED简介 LED（Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。 LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

二、LED光源优点 高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06 瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。 寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 多变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。 利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件“高新尖”技术具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

三、LED结构和技术 LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，现我国LED产业发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。 在LED产业链接中，上游是LED衬底晶片及衬底生产，中游的产业化为LED芯片设计及制造生产，下游归LED封装与测试，研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路，从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带，只有封装好的才能成为终端产品，才能投入实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。 1. LED封装的特殊性 3

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，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯，当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。 一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。 进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙LED光效已达到100lm／W，绿LED为501m／W，单只LED的光通量也达到数十lm。LED芯片和封装不再沿袭传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。 2.产品封装结构类型