【原】LED发展简史

LED发展简史

LED 是继白炽灯、荧光灯和高强度放电灯之后的第四代新光源--固态冷光源，它具有结构紧凑、重量轻、体积小、耗能少、响应速度快、抗震性能好、使用方便等优点，是很有前景的一种电光源。

自然光

光源 传统型(油灯、蜡烛) 

人造光源 热致发光型(白炽灯、卤钨灯) 

放电发光型(高压汞灯、钠灯，低压放电灯)

电光源

光致发光型(荧光灯)电致发光型(LED)图1-3光源的分类图

 

 

2其LED的发展主要经历了以下三个阶段

央电找与

1.指示应用阶段(20世纪80年代前)

1907年，Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用，所以研究被摒弃了。随后，Bernhard Gudden 和Robert Wichard使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光，再一次因发光暗淡而停止。

1936 年，George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，并于20世纪60年代面世。第一个商用LED仅能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电探测领域

1968年，在砷化镓基体上使用磷化物掺杂，具有商业价值的发红光LED 面世。磷掺杂工艺使得LED发光效率更高、发出的红光更亮，甚至产生出橙色和黄色的光。当时所用的材料是GaAsP，发红光()p=650nm)，在驱动电流为20mA时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约01lm/w，比白炽灯低100倍。

20纪70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，并引入元素In和N，使LED产生绿光()p=555nm)，黄光()p=590nm)和橙光(2p=610nm)，光效也提高到1lm/w。这一时期的 LED 开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯栅和条纹图阵列，但主要应用还是电子产品的指示灯。

2信号与显示阶段(80年代)

20世纪80年代早期到中期，人们开始用AlGaAs(铝镓砷)材料制造LED，使红光LED光效提高了近十倍，光效达到10lm/W的量级，人们将其应用于室外运动信息发布系统、条形码系统、光电传导系统和医疗器件等领域。

从20世纪80年代后期到90年代初，随着金属有机化学气相沉积(MOVCD)外延技术的成熟，用AlInGaP(铝铟镓磷)材料制造出橙黄、黄色、绿色和红色等LED。产品除用于室外显示，还在交通信号灯和汽车信号灯等领域得到应用。

3.全彩应用及普遍照明阶段

1994年，日本科学家中村秀二利用GaN基底研制出蓝光LED。从此，红、绿、蓝全彩动态大屏幕显示技术的应用迅速发展，也为白光 LED的研制奠定基础。

白光是一种复合光，并不是单一波长的光。白光LED的好处之一是可以应用于多波长领域。1997年，日本日亚公司研制出第一只白光LED，使用GaN蓝色发光二极管激发黄光荧光粉得到白光 LED，虽然效率不足10lm/W，但也意味着LED 由此进入普通照明时代。随后几年内，白光LED得到了迅速的发展。2000年，日亚报道了 15lm/W白光LED;2003年，日亚报道的光效达到60lm/W;2006年3月，其光效达到100lm/W;2006年7月，Cree 公司报道了130lm/W白光LED:2006年11月，日亚报道的光效达到150lm/W，其效率已经超过

LED 封装与检测技术

节能灯，实现了真正意义上的照明;2007年3月，美国CREE公司光效达到157lm/W;在2012年，市场上已经出现175lm/W的LED光源产品。今后，LED的光效将进一步提高。

白光LED的最大应用亮点是作为手机、个人数字助理(PDA)和数码相机等便携式电子产品的小尺寸彩色LCD显示屏的背光源，并在汽车、景观装饰，以及普通照明等领域获得了日益广泛的应用。bbito

最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。LED的发展不单纯是它的颜色，还有它的亮度，像计算机一样，遵守摩尔定律的发展。每隔18个月它的亮度就会增加一倍，而价格会相应下降。早期的LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表，而现在开始出现在超亮度的领域，将会在接下来的一段时间继续下去。不久，LED将会照亮我们的家、办公室甚至街道。2012年4月，中国计量科学研究院专家预言，随着LED的发展，“流明”可能会成为衡量下一代照明度量的标准。

LED的分类与封装

随着LED的应用越来越广，种类更加丰富，下文介绍了LED的常规分类方法。

1.5.1 LED的常见分类

1.按发光颜色分类

按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还

15图1-12 Lamp LED 实物图

 

2.平面式封装(Flat LED)

平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结构型器件。通过LED的适当(包括串联和并联)和合适的光学结构，可构成发光显示器的发光段和发光点，然后由这发光段和发光点组成各种发光显示器，如数码管、“米”字管、矩阵管等。

 

1)LED数码管(LED Segment Display)

LED8”字形构成的，加上小数点就是8个。这段分别由字母bcd、ef、g、dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样。图1-13列举了不同尺寸的LED数码管。

图 1-13 LED 数码管

LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有05寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由两个或多个发光二极管组成。一般情况下，单个发光二极管的管压降为18V左右，电流不超过30mA。

LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色也和Lamp LED一样可以做很多种类，有单红、黄、蓝、绿、白、七彩效果。主要用于楼体墙面，广告招牌等。特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓等大型动感光带之中，可产生彩虹般绚丽的效果。

2)LED点阵(LED Dot Matrix)

该封装和数码管差不多，都是应用在信息显示的。常见的LED点阵模块如图1-14所示。 LED 点阵的点数有5x7、8x8、16x16等不同类型;孔的直径有ф2.0、@3.0、@3.75、ф5.0等不同类型;颜色有单色、双色、三基色等几种。

LED点阵的优点是亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，因此受到广泛的重视和迅速发展。

LED 数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由两个或多个发光二极管组成。一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。

LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色也和Lamp LED一样可以做很多种类，有单红、黄、蓝、绿、白、七彩效果。主要用于楼体墙面，广告招牌等。特别适合应用于广告牌背景、立交桥、河、湖护栏、建筑物轮廓等大型动感光带之中，可产生彩虹般绚丽的效果。

2)LED点阵(LED Dot Matrix)

该封装和数码管差不多，都是应用在信息显示的。常见的 LED点阵模块如图1-14所示。 LED点阵的点数有5x7、8x8、16x16 等不同类型;孔的直径有$2.0、$3.0、$3.75、$5.0等不同类型:颜色有单色、双色、三基色等几种。

LED点阵的优点是亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，因此受到广泛的重视和迅速发展。

图1-14点阵LED图示

 

3.贴片式封装(SMDLED)

SMD(Surface Mounted Device)LED 是目前LED 最新的发展，它是贴于线路板表面的适合SMT加工，可回流焊，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题。采用了更轻的PCB和反射层材料，改进后去掉了直插LED较重的碳钢材料引脚，使显示反射层需要填充的环氧树脂更少，目的是缩小尺寸，降低重量。这样，表面贴装LED可轻易地将产品重量减轻一半，且具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点，发光颜色包括白光在内的各种颜色，因此被广泛应用在各种电子产品上。目前主要被应用于3C科技商品上，如手机屏幕背光源、音响背光源、手机按键光源、汽车面板背光源、电器按键信号灯等应用上，照射角度大，所以光束能够均匀扩散，但是制作成本极高。图1-15所示为 SMD-LED 图示。

 

19SMD-LED按形状大小分为0603、0805、1210、5060、1010等。一般SMD都是菱所以其叫法都是根据“长x宽”的尺寸来表示，行业善用的都是英寸，不是毫米，如0603的是长度为0.06英寸，宽度为0.03英寸。也有用毫米表示的，如5050，表示LED元件的度是5.0mm，宽度是5.0mm。

发光颜色和胶体的种类和Lamp LED产品一样，只是产品的形状发生了很大的变化

SMD-LED根据应用场合不同，又可以分为Top-LED和Side-LED两种。 甚至

1)Top-LED(顶部发光LED)

顶部发光 LED 是比较常见的贴片式发光二极管。主要应用于多功能超薄手机和PDA中的照的背光和状态指示灯。

2)Side-LED(侧发光LED) 因此

料、

目前，SMD-LED 封装的另一个重点便是侧面发光封装。如果想使用LED作为LCD(液

晶显示器)的背光光源，那么LED的侧面发光需与表面发光相同，才能使LCD背光发光均 氧树

匀。虽然使用导线架的设计，也可以达到侧面发光的目的，但是散热效果不好。不过，Lumik 的T

公司发明反射镜的设计，将表面发光的LED，利用反射镜原理来发成侧光，成功地将高功率

LED 应用在大尺寸LCD背光模组上。 装图

4.食人鱼形 LED

食人鱼LED，一般呈正方形，采用透明树脂封装，四个引脚，负极处有个缺脚。四只脚的设计和留有间距是让食人鱼LED的散热比一般的LED要好很多，可以通过的工作电流一点，最大可达40~50mA。食人鱼是散光型的LED发光角度大于120°，发光强度很高，能承受更大的功率。在小功率LD人鱼LED最的，但跟大功率的1W、3W和5W等比较，其亮度就很低。图1-16所示为食人鱼LED。从图可以看出，之所以把这种LED称为食人鱼，因为它的形状很像亚马孙河中的食人鱼 Piranha

食人鱼LED 越来越受到人们重视，因为它比$3mm、$5mm的LED散热好、视角大、衰小、寿命长。因此，广泛应用在线条灯、背光源的灯箱、大字体槽中的光源，以及汽车照明系统。

20图1-16食人鱼LED图示

 

5.大功率型封装(High-power LED)

大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管，它具有大的耗散功率,大的发热量较高的出光效率，以及长寿命。

现在普通 LED 功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED 可以达到 1W、2W甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。由于目前大功率LED 在光通量、转换效率和成本等方面的制约，因此决定了大功率白光 LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明，中长期目标才是通用照明。

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，大功率LED不能简单地套用传统小功率LED的封装，必须在封装结构设计、选用材料、选用设备等方面重新考虑，研究新的封装方法。

目前，大功率型LED主要有以下六种封装形式:沿袭引脚式LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装;仿食人鱼式环氧树脂封装;铝基板(MCPCB)式封装;借鉴大功率三极管思路的TO封装;功率型SMD封装

图1-17 给出了借鉴大功率三极管思路的TO封装形式:图1-18 封装图示。

 

图1-17 借鉴大功率三极管思路的TO封装LED

2透镜 芯片(热源)

灌封胶 焊球

荧光粉 衬底

E 型 塑料套 金线 银胶

输出电极 热沉

粘合胶

铝基板

6.覆晶封装(FLIP FLOP LED)

随着LED的发展，对发光二极管(LED)光源在不同操作环境的稳定性要求更为严哉采用覆晶(Flip-chip)封装技术的LED，较一般 LED 封装的固晶方式拥有更高的信赖度兼具缩短高温烘烤的制程时间、高良率、导热效果佳、高出光量等优势，遂于LED 市场中颖而出。

通常把晶片经过一系列工艺后形成了电路结构的一面称作晶片的正面。原先的封装技是在衬底之上，晶片的正面一直是朝上的，而覆晶封装技术将晶片的正面反过来，在晶片和衬底之间及电路的外围使用凸块(看作竹棒)连接，也就是说，由晶片、衬底、凸块形成了一个空间，而电路结构就在这个空间里面。这样封装出来的芯片具有体积小、性能高、连线短优点。

覆晶封装技术特性为缩短LED制程于高温烘烤的时间，可减低物料热应力:加上芯片所产生的热经由金凸块传导至基板上，因此导热效果佳，以及去除芯片上电极遮挡出光面积，提高出光量;且制程简化，易于管控。

覆晶封装结构LED属于倒装焊结构发光二极管，如图1-19所示。

图1-19覆晶封装结构 LED7板上芯片封装(COBLED:Chip On Board LED)

半导体照明灯具要进入通用照明领域，生产成本是第一大制约因素。要降低半导体照明灯具的成本，必须首先考虑如何降低LED的封装成本。传统的LED灯具做法:LED光源分立器件→MCPCB光源模组→LED灯具,主要是基于没有适用的核心光源组件而采取的做法不但耗工费时，而且成本较高。实际上，我们可以将“LED光源分立器件→MCPCB光源模组”合二为一，直接将LED芯片和MCPCB一起做成COB光源模块，用“COB光源模块→ LED灯具”的路线，不但可以省工省时，而且可以节省器件封装的成本。

板上芯片封装(COB)，在基底表面用导热环氧树脂(一般用掺银颗粒的环氧树脂)覆盖芯片安放点，然后将芯片直接安放在基底表面，热处理至芯片牢固地固定在基底为止，

随后再用丝焊的方法在芯片和基底之间直接建立电气连接。采用COB封装后的LED灯具

如图1-20所示。

传统的LED分立光源器件难以适应照明领域对性能、成本、应用配合和使用习惯的要求， COB光源模块将成为今后LED光源照明应用的主要封装形式。

图 1-20 COB LED

 

8.系统封装式(SiPLED)

SiP(System in Package)是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片System on Chip(SOC)基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对 SiP-LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件(如电源、控制电路、光学微结构、传感器等)集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好(可利用已有的电子封装材料和工艺)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。

1.6 LED的应用

LED的应用很广，如通信、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为信息显示等。