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发光二极管（LightEmittingDiode，LED），是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个PN结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成PN结的材料决定的。
发光二极管(LED)是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等制成的，其核心是PN结。因此它具有PN结的单向导电特性，即正向导通、反向截止及击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向偏置电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以仅在靠近PN结面数微米以内产生光。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即
λ≈1240/Eg（1-1）
式中，Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光，则其波长为380（紫光）～780nm（红光）。半导体材料的Eg应为3.26～1.63eV。
白光LED类型及其原理见表1。
表1白光LED类型及其原理
1．单芯片型结构又可分为三种。
InGaN(蓝)/YAG荧光粉
InGaN(蓝)/YAG荧光粉是目前较为成熟的产品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进，可将色均匀性提高10倍。实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好，Φ5的白光LED在工作1.2万h后，光输出下降80%，而这种功率LED在工作1.2万h后，仅下降10%，估计工作5万h后下降30%。这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75-80。
InGaN(蓝)/红荧光粉绿荧光粉
Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2(绿色)和SrS：Eu2(红色)荧光粉，色温可达到3000K～6000K的较好结果，Ra达到82～87，较前述产品有所提高。
InGaN(紫外)/(红绿蓝)荧光粉
ZnSe和OLED白光器件也有进展，但离产业化生产尚远。
2．双芯片
可由蓝光LED黄光LED、蓝光LED黄绿光LED以及蓝绿光LED黄光LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。
3．三芯片(蓝色绿色红色)LED
Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。
采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国TIR公司采LuxeonRGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕(22in)，产品的性能都不错。
4．四芯片(蓝色绿色红色黄色)LED
采用465nm、535nm、590nm和625nmLED芯片可制成Ra大于90的白光LED。Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每个器件光通量达130lm，色温为5500K。
5．单芯片和多芯片的比较
单芯片和多芯片的比较见表2。
表2单芯片和多芯片的比较
LED技术大都是在半导体分离器件封装技术基础上发展与演变而来的。普通二极管封装将普通二极管的管芯密封在封装体内，其作用是保护芯片和完成电气互连。LED封装的作用是要完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能。LED封装既有电参数，又有光参数的设计及技术要求。
LED的PN结能发射多少光，主要取决于LED芯片的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料及包装材料。所以对LED封装，要结合LED芯片的大小、功率大小来选择适当的封装方式，使LED的发光强度最大。
1.插件型封装（引脚式封装）
常规Φ5mm型LED引脚式封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在支架上，管芯的正极通过球形接触点与金线键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和支架的另一管脚相连，之后在其顶部用环氧树脂包封。插件型封装外形与结构，如图2所示。
2002杯/平头：此支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其引脚长比其他支架要短10mm左右。引脚间距为2.28mm。
2003杯/平头：一般用来做Φ5以上的LED灯，外露引脚长正极为29mm、负极为27mm。引脚间距为2.54mm。
2004杯/平头：用来做Φ3左右的LED灯，引脚长及间距同2003支架。
2004LD/DD：用来做蓝、白、纯绿、紫色的LED灯，可焊双线，杯较深。
2006：两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固化程序（IC），焊多条引线。
2009：用来做双手的LED灯，杯内可固两颗晶片，三个引脚控制极性。
2009-8/3009：用来做三色的LED灯，杯内可固三颗晶片，四个引脚。
2.COB封装
COB是板上芯片直装（ChipOnBoard）的英文缩写，其工艺是先在基底表面用导热环氧树脂(掺银颗粒的环氧树脂)覆盖硅片安放点，再通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，最后通过引线（金线）键合实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。
COB封装技术主要用来解决小功率芯片制造大功率LED灯的问题，可以分散芯片的散热，提高光效，同时改善LED灯的眩光效应，减少人眼对LED灯的眩光效应的不适感。COB封装外形与结构，如图3所示。在COB基板材料上，从早期的铝基板到铜基板，再到当前部分企业所采用的陶瓷基板，COB光源的可靠性也逐步提高。低热阻COB封装目前分为铝基板COB，铜基板COB和陶瓷基板COB。
铝基板COB。铝基板的成本低，封装出来的COB光源性价比高。其光效可达到130lm/W，应用于LED筒灯、COB轨道灯等COB灯具中，因技术及其工艺的发展，铝基板COB光源功率可以达到5～10W。
铜基板COB。芯片直接固定在铜上面（导热系数在380W/m.K），导热效果好，可以封装20～500W的COB（防止局部过热），光效可达130lm/W，广泛应用于户外照明、隧道照明。
陶瓷基板COB。陶瓷目前最适合做LED封装基板的材料，以其优良的导热性能、绝缘性能及热形变小等优点。目前可封装10～50WCOB光源，由于基板价格较贵，一般用于高端照明或高可靠性的照明领域。
3.SMD封装
SMD封装是一种新型的表面贴装式半导体发光器件，具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点。电气连接采取2、4或6引脚贴片的方式，是目前室内照明中常用的封装形式。SMD封装外形与结构如图4所示。
4.食人鱼型封装
食人鱼型封装是因LED的形状很像亚马孙河中的食人鱼Piranha而得名，是4引脚的直插封装形式。食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，具有传热和散热快的特点。食人鱼型封装与结构，如图5所示。目前已处于停产状态，使用量已不大。
5.大功率LED封装
大功率LED是指拥有大额定工作电流的LED，功率可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几百毫安到几安不等。在这主要以仿流明（lumileds）封装为例，大功率封装与结构如图6所示。
图6大功率封装与结构
1.LED的伏安特性
LED的伏安特性曲线，如图7所示。
图7LED的伏安特性曲线
OA段：正向死区。UA为开启LED发光的电压。比如红色（黄色）LED的开启电压一般为0.2~0.25V。
AB段：工作区。在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，LED的正向电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。
OC段：反向死区。LED加反向电压是不发光的（不工作），但有反向电流。这个反向电流很小，一般在几微安之内。
CD段：反向击穿区。LED的反向电压一般不要超过10V，最大不得超过15V，否则就会出现反向击穿，导致LED报废。
2.LED的电学指标
正向电压UF：LED正向电流在20mA（350mA）时的正向电压。
正向电流IF：对于小功率LED正向电流为20mA，中功率或大功率芯片要依据芯片的规格来确定正向工作电流。
反向漏电流IR：按LED以前的常规规定，指反向电压在5V时的反向漏电流。
耗散功率PD：即正向电流乘以正向电压。
3.LED的极限参数
最大允许耗散功率Pmax=IFH×UFH：一般按环境温度为25℃时的额定功率。当环境温度升高时，Pmax会下降。
最大允许工作电流IFM：由最大允许耗散功率来确定。最好在使用时不要用到最大工作电流，要根据散热条件来确认，一般只用到最大电流IFM的60%为好。
最大允许正向脉冲电流IFP：一般是由占空比与脉冲重复频率来确定。LED工作于脉冲状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节，例如LED显示屏就是利用此方法调节亮度的。
反向击穿电压UR：一般要求反向电流为指定值的情况下可测试反向电压VR，反向电流一般为5~100uA之间。反向击穿电压通常不能超过20V，在设计电路时，一定要确定加到LED的反向电压不要超过20V。
4.光辐射强度指标
光通量Φ：是指人眼的光感觉来度量光的辐射功率，即辐射光功率能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。表征的符号为Φ，国际通用的光通量单位为流明（lm）。大功率LED通常用此指标；
发光强度I：光源在指定方向上的立体角内所发出的光通量或所得到光源传输的光通量，这二者的商即为发光强度。表征的符号为I，单位为坎德拉(cd)。小功率LED通常采用此指标。
亮度L：等于垂直于给定方向的平面上所得到的发光强度与该正投影面积之商。表征的符号为L，单位为cd/m2，面光源采用此指标，背光、显示屏产品。
照度E：即光源照到某一物体表面上的光通量与该表面积之商。表征的符号为E，单位为勒克斯（lx）。
半强角度：光源中心法线方向向四周张开，中心光强I到周围的I/2之间的夹角，即为半强角度1/2θ.
1.LED焊接的原理
大功率LED焊接主要包括引脚焊接和铜基座底部的焊接。焊接大功率LED引脚是解决的LED导电，大功率LED铜基座底部焊接解决的是LED散热。LED是将电能转换成光能和热能的电子元器件，工作时必须施加正常的电流和电压才能工作，而芯片的正负极是通过金线连接到支架引脚，所以必须将引脚正确焊接到铝基板上。LED焊接示意图，如图8所示。
2.LED焊接的方式及注意事项
大功率LED焊接主要有手工焊接和回流焊接两种。手工焊接适用于所有类型的LED，而回流焊接只适用于硅胶透镜封装的LED，其透镜的耐温极限只有200℃左右。PC透镜封装的LED不可过回流焊，其透镜的耐温极限只有120℃左右。
（1）手工焊接（电烙铁）
手工焊接是通过电烙铁高温熔锡，将引脚同铝基板焊盘焊接到一起，在LED铜基座底部及铝基板之间涂覆导热硅脂。
手工焊接过程中，一定要避免电烙铁头将模顶胶体或支架烫伤，影响LED的正常使用，为了避免带电焊接LED，电烙铁一定要接地。
为了取得良好的导热效果，使用导热率不低于2W/m·K的导热硅脂，导热硅脂要涂覆时要薄而且均匀。
焊接完成后，要对焊接LED进行全检，将虚焊、翘焊、偏焊等焊接不良的LED及时挑出并返修。
（2）回流焊接
回流焊接是通过回流焊机施加高温让锡膏熔化，将LED铜基座和铝基板焊接在一起，实现良好的导热效果的一种焊接方式。
回流焊接时要使用温度稳定且控制准确的回流焊机，对于大功率LED，用8温区和温区的回流焊机均可，5温区温度变化相对较快。
回流焊接时要使用熔点低于180℃的低温无铅锡膏，回流最高温度不要超过210℃，因为温度过高，对芯片PN结有破坏作用，而且可导致LED封装硅胶出现异常。
在回流作业之前，先要根据回流焊机的特点和锡膏的熔点进行回流温度曲线设定。
3．倒模胶体LED的使用注意事项
倒模胶体LED没有PC透镜固定保护，而固化后的硅胶胶体本身较软，一旦受到外力作用，胶体就容易产生移动或损伤，容易将LED的金线拉断，造成开路死灯。倒模LED应用的原则是一定要避免有外力作用在硅胶胶体上，要求如下：
自动贴片，一定要避免吸嘴撞击硅胶胶体。
手动贴片，将LED从包装盒取出时，不能让手或其他物体碰到胶体，可用防静电镊子夹住引脚取出；另外，建议依据胶体尺寸设计截面中空夹具，以实现在下压倒模LED时，只是压住支架的外圈胶体，而不会压到倒模胶体。
在存放和周转的过程中，一定要避免包装盒受到挤压，比如，要轻拿轻放，不能让重物放在LED的包装盒上。
4．LED焊接的其他注意事项
焊接完成后，若铝基板或焊点表面的助焊剂过多，在清除处理时，要求如下：
用无尘防静电碎布蘸湿无水乙醇，对铝基板上的脏污小心擦洗。
不可用丙酮、天那水等强腐蚀性溶剂进行清洗。
当LED的倒模胶体粘有异物时，可用无尘防静电碎布蘸湿无水乙醇后，用手心擦洗；作业人员需戴橡胶手套，避免无水乙醇对皮肤的影响。
产品储存及期限，适用所有LED产品，要求如下：
产品拆包开封后，建议72h内使用完成，(环境条件温度<30℃，湿度<60%)。
室温密封存储：20℃～30℃，40%～60%RH，产品有效期为半年。
防潮密封存储：20℃～30℃，25%～60%RH，产品有效期为一年。
5．LED应用线路设计注意事项
设计线路应根据LED特性合理选择排列方式，如图9所示。TOPLED元件，如应用于软性PCB，由于软性灯条在作业或使用过程中无法避免弯折、卷曲、拉伸之情形，采用横向排列方式时，因LED内部线路走向与软性PCB延展方向一致，其过程产生的应力释放将直接作用至LED，增大死灯几率，故LED应用在软性PCB产品的线路设计中应考虑此因素带来的影响，应选择竖向排列的方式。TOPLED元件焊盘散热设计，如图10所示。
图9LED在PCB设计上的排列方式
图10TOPLED元件焊盘散热设计
TOPLED元件，如应用于硬性PCB，也应优先选择竖向排列方式。由于应用产品的实际设计中需要考虑美观、发光曲线等需要，故某些应用场合也会采用到横向排列方式,如图11所示。在生产组装、成品安装过程必须对硬性PCB翘曲程度作一定管控。如图12所示。LED作类似上述横向排列应用情形，在硬性PCB的分板、组装、成品安装等过程中，PCB以水平为基准，其翘曲程度不得超过±10°角。
图11横向排列方式示意图
6．LED灯具常用测试仪器仪表一览表
LED灯具常用测试仪器、仪表一览表见表3。
表3LED常用测试仪器、仪表一览表
LED芯片简介
LED芯片称为LED发光芯片，是LED灯的核心组件，即PN结。其功能是将电能转化为光，芯片的主要材料为单晶硅。LED芯片是半导体发光器件LED的核心部件，它主要由砷(AS)、铝(AL)、镓(Ga)、铟(IN)、磷(P)、氮(N)、锶(Ｓi)这几种元素中的若干种组成。
1．芯片按发光亮度分类
一般亮度：R(红色GaAsP655nm)、HR(高红GaP697nm)、G(绿色GaP565nm)、Y(黄色GaAsP/GaP585nm)、E(桔色GaAsP/GaP635nm)等。
高亮度：VG(较亮绿色GaP565nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、SR(较亮红色GaA/AS660nm)。
超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。
2．芯片按组成元素分类
二元芯片(磷﹑镓)：H﹑G等。
三元芯片(磷﹑镓﹑砷)：SR(较亮红色GaA/AS660nm)、HR(超亮红色GaAlAs660nm)、UR(最亮红色GaAlAs660nm)等。
四元芯片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)：SRF(较亮红色AlGalnP)、HRF(超亮红色AlGalnP)、URF(最亮红色AlGalnP630nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黄色AlGalnP595nm)、UY(最亮黄色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黄色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔色AlGalnP620nm)、UG(最亮绿色AIGalnP574nm)LED等。
3．按照制作工艺分类
MB芯片：（MetalBonding）(金属粘着)芯片,该芯片属于UEC的专利产品。
特点：
1）采用高散热系数的材料---Si作为衬底,散热容易。
2）通过金属层来接合(waferbonding)磊芯层和衬底,同时反射光子,避免衬底的吸收
3）导电的Si衬底取代GaAs衬底,具备良好的热传导能力(导热系数相差3-4倍),更适应于高驱动电流领域。
4）底部金属反射层,有利于光度的提升及散热。
5）尺寸可加大,应用于Highpower领域。
GB芯片：（GlueBonding）(粘着结合)芯片，该芯片属于UEC的专利产品，
1）透明的蓝宝石衬底取代吸光的GaAs衬底,其出光功率是传统AS(Absorbablestructure)芯片的2倍以上,蓝宝石衬底类似TS芯片的GaP衬底。
2）芯片四面发光,具有出色的花样图。
3）亮度方面,其整体亮度已超过TS芯片的水平(8.6mil)。
4）双电极结构,其耐高电流方面要稍差于TS单电极芯片。
TS芯片：（transparentstructure）(透明衬底)芯片，该芯片属于HP的专利产品。
1）芯片工艺制作复杂,远高于ASLED。
2）信赖性卓越。
3）透明的GaP衬底，不吸收光，亮度高。
4）应用广泛。
AS芯片：（Absorbablestructure）(吸收衬底)芯片,这里特指UEC的AS芯片。
1）四元芯片,采用MOVPE工艺制备,亮度相对于常规芯片要亮。
2）信赖性优良。
3）应用广泛。
4.LED芯片构成材料及制造方法（表4）
表4LED芯片构成材料及制造方法
5．生产芯片技术
生产芯片技术，如表5所示。
表5生产芯片技术
衬底材料对比，如表6所示。
表6衬底材料对比
目前，全球LED产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。美国科锐（Cree）、PhilipsLumileds，日本日亚化工（Nichia）、丰田合成（ToyodaGosei），德国欧司朗（Osram）等垄断高端产品市场。国际和国内MOVCD设备基本是全进口的，主要厂商为美国VEECO公司和德国AIXTRON公司两家。
选自《图解LED应用从入门到精通》刘祖明等编著
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