1、led發(fā)光二極管選型要點(diǎn)

發(fā)光二極管的選型要關(guān)注以下特性：
a、顏色 ;b、封裝尺寸;c、正向電壓;d、功耗;e、成本;f、工作溫度；

2、 led發(fā)光二極管的特點(diǎn)

2.1 led發(fā)光二極管基本結(jié)構(gòu)
     
發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED，組成LED的主要材料包括：管芯、粘合劑、金線、支架和環(huán)氧樹脂。

下圖是貼片發(fā)光二極管的制作流程：




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2.2發(fā)光二極管類型
    
發(fā)光二極管根據(jù)裝配方式分為貼片和插件兩種。

貼片發(fā)光二極管正負(fù)極標(biāo)志如下圖：

插件發(fā)光二極管正負(fù)極標(biāo)志如下圖：

  
根據(jù)發(fā)光類型還可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、變色發(fā)光二極管、閃爍發(fā)光二極管、電壓控制型發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管等。

2.2.1普通單色發(fā)光二極管
    
普通單色發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮。它屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，使用時(shí)需串接合適的限流電阻。
     
普通單色發(fā)光二極管的發(fā)光顏色與發(fā)光的波長(zhǎng)有關(guān)，而發(fā)光的波長(zhǎng)又取決于制造發(fā)光二極管所用的半導(dǎo)體材料。紅色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為650~700nm， 琥珀色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為630~650 nm ，橙色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為610~630 nm左右，黃色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為585 nm左右，綠色發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一般為555~570 nm。
     
常用的國(guó)產(chǎn)普通單色發(fā)光二極管有BT（廠標(biāo)型號(hào)）系列、FG（部標(biāo)型號(hào)）系列和2EF系列。常用的進(jìn)口普通單色發(fā)光二極管有SLR系列和SLC系列等。

2.2.2高亮度發(fā)光二極管
     
高亮度單色發(fā)光二極管和超高亮度單色發(fā)光二極管使用的半導(dǎo)體材料與普通單色發(fā)光二極管不同，所以發(fā)光的強(qiáng)度也不同。 通常，高亮度單色發(fā)光二極管使用砷鋁 化鎵（GaAlAs）等材料，超高亮度單色發(fā)光二極管使用磷銦砷化鎵（GaAsInP）等材料，而普通單色發(fā)光二極管使用磷化鎵（GaP）或磷砷化鎵 （GaAsP）等材料。

2.2.3變色發(fā)光二極管
     
變色發(fā)光二極管是能變換發(fā)光顏色的發(fā)光二極管。變色發(fā)光二極管發(fā)光顏色種類可分為雙色發(fā)光二極管、三色發(fā)光二極管和多色（有紅、藍(lán)、綠、白四種顏色）發(fā)光二極管。
變色發(fā)光二極管按引腳數(shù)量可分為二端變色發(fā)光二極管、三端變色發(fā)光二極管、四端變色發(fā)光二極管和六端變色發(fā)光二極管。
     
常用的雙色發(fā)光二極管有2EF系列和TB系列，常用的三色發(fā)光二極管有2EF302、2EF312、2EF322等型號(hào)。長(zhǎng)用

2.2.4電壓控制型發(fā)光二極管
      
普通發(fā)光二極管屬于電流控制型器件，在使用時(shí)需串接適當(dāng)阻值的限流電阻。電壓控制型發(fā)光二極管（BTV）是將發(fā)光二極管和限流電阻集成制作為一體，使用時(shí)可直接并接在電源兩端。

2.2.5紅外發(fā)光二極管
     
紅外發(fā)光二極管也稱紅外線發(fā)射二極管，它是可以將電能直接轉(zhuǎn)換成紅外光（不可見(jiàn)光）并能輻射出去的發(fā)光器件，主要應(yīng)用于各種光控及遙控發(fā)射電路中。
     
紅外發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)、原理與普通發(fā)光二極管相近，只是使用的半導(dǎo)體材料不同。紅外發(fā)光二極管通常使用砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等材料，采用全透明或淺藍(lán)色、黑色的樹脂封裝。

常用的紅外發(fā)光二極管有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等

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2.3 led發(fā)光二極管特點(diǎn)
    
發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子， 在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放 出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。
發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過(guò)管子的電流。限流電阻R可用下式計(jì)算：
                        R＝（E－UF）／IF
                        式中E為電源電壓，UF為L(zhǎng)ED的正向壓降，IF為L(zhǎng)ED的一般工作電流。
    
發(fā)光二極管與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點(diǎn)是：工作電壓很低（有的僅一點(diǎn)幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性 能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)；通過(guò)調(diào)制通過(guò)的電流強(qiáng)弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。由于有這些特點(diǎn)，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中用作光源，在許多電子設(shè)備中 用作信號(hào)顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發(fā)光管組成7段式半導(dǎo)體數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管可顯示0～9十個(gè)數(shù)目字。發(fā)光二極管圖形符號(hào)如下圖所示：


2.4 發(fā)光二極管主要參數(shù)及其特點(diǎn)

2.4.1發(fā)光二極管正向電壓VF
    
正向電壓指LED通過(guò)的正向電流為規(guī)定值時(shí)，正、負(fù)極之間產(chǎn)生的電壓降，用符號(hào)VF表示。我司常用的貼片發(fā)光二極管 正向電壓為2.0V-3.5V，超過(guò)了正常工作電壓，二極管可能被擊穿。此外，在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)某一值 后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。

2.4.2發(fā)光二極管正向電流IF
 
正向電流指LED在正常工作時(shí)的電流，一般普通發(fā)光二極管的工作電流很小，只有10mA-45mA。在電壓增加時(shí)，電流會(huì)有很大程度的上升，所以一般發(fā)光二極管都串接有保護(hù)電阻，下圖是發(fā)光二極管的伏安特性曲線：
                                          

2.4.3發(fā)光二極管反向電壓VR
     
反向電壓指LED兩端所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。我司常用的發(fā)光二極管最大反向電壓一般為5V

2.4.4發(fā)光二極管最大功耗PD
     
最大功耗是指允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，LED發(fā)熱、損壞。LED耗 電相當(dāng)?shù)?，直流?qū)動(dòng)，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近100%。一般來(lái)說(shuō)LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是 0.02-0.03A；這就是說(shuō)，它消耗的電能不超過(guò)0.1W，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。

2.4.5 發(fā)光二極管顏色與波長(zhǎng)
     
由不同材料制成的管芯可以發(fā)出不同的顏色。即使同一種材料，通過(guò)改變摻入雜質(zhì)的種類或濃度，或者改變材料的組份，也可以得到不同的發(fā)光顏色。下表是不同顏色的發(fā)光二極管所使用的發(fā)光材料。

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2.4.6發(fā)光二極管光強(qiáng)
      
一光源在單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量稱為該光源的光強(qiáng)I。發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（cd）常用毫坎德拉（mcd）, 一單位立體角內(nèi)發(fā)出一流明的光稱為一坎德拉?？驳吕且粋€(gè)光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度。

2.4.7發(fā)光二極管視角
     
在發(fā)光強(qiáng)度分布圖形中，發(fā)光強(qiáng)度等于最大強(qiáng)度一半構(gòu)成的角度稱為半值角。如圖<5>所示。圖中，沿LED法向?yàn)闄C(jī)械軸方向，最大發(fā)光強(qiáng)度方向 為光軸方向，機(jī)械軸與光軸之間的夾角成為偏差角。芯片的厚度、封裝模條的外形尺寸、支架反射杯的深度以及支架在模腔中的插入深度都對(duì)半值角的大小有直接影 響。制造中，可以根據(jù)客戶要求，通過(guò)選取不同的材料及選用不同的封裝尺寸來(lái)得到不同大小的半值角。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分有三類：

a、 高指向性，一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。
b、 標(biāo)準(zhǔn)型，通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。
c、 散射型，這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。
  
        
2.4.8發(fā)光二極管工作溫度
     
工作環(huán)境溫度是影響二極管工作的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)光強(qiáng)電流等參數(shù)都有很大影響,如下圖是工作溫度-30°～+80°的二極管的電流光強(qiáng)與溫度曲線.


2.4.9 發(fā)光二極管使用壽命
     
人稱LED光源為長(zhǎng)壽燈。它為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?，使用壽命可達(dá)6萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命長(zhǎng)10倍以上。

2.4.10 其他
   
除了上述參數(shù)外，發(fā)光二極管還有存儲(chǔ)溫度、純度、色度、通光量、相應(yīng)時(shí)間、氣候條件、溫濕循環(huán)、引線強(qiáng)度、可焊性等參數(shù)影響

3 發(fā)光二極管封裝
    
LED芯片的封裝形式很多，針對(duì)不同使用要求和不同的光電特性要求，有各種不同的封裝形式，歸納起來(lái)有如下幾種常見(jiàn)的形式：

• 軟封裝——芯片直接粘結(jié)在特定的PCB印制板上，通過(guò)焊接線連接成特定的字符或陳列形式，并將LED芯片和焊線用透明樹脂保護(hù)，組裝在特定的外殼中。這種欽封裝常用于數(shù)碼顯示、字符顯示或點(diǎn)陳顯示的產(chǎn)品中。
• 引腳式封裝——常見(jiàn)的有將LED芯片固定在2000系列引線框架上，焊好電極引線后，用環(huán)氧樹脂包封成一定的透明形狀，成為單個(gè)LED器件。這種引腳或封 裝按外型尺寸的不同可以分成φ3、φ5直徑的封裝。這類封裝的特點(diǎn)是控制芯片到出光面的距離，可以獲得各種不同的出光角度：15°、30°、45°、 60°、90°、120°等，也可以獲得側(cè)發(fā)光的要求，比較易于自動(dòng)化生產(chǎn)。
• 貼片封裝——將LED芯片粘結(jié)在微小型的引線框架上，焊好電極引線后，經(jīng)注塑成型，出光面一般用環(huán)氧樹脂包封
• 雙列直插式封裝——用類似IC封裝的銅質(zhì)引線框架固定芯片，并焊接電極引線后用透明環(huán)氧包封，常見(jiàn)的有各種不同底腔的“食人魚”式封裝和超級(jí)食人魚式封裝，這種封裝芯片熱散失較好，熱阻低，LED的輸入功率可達(dá)0.1W~0.5W大于引腳式器件，但成本較高。
• 功率型封裝——功率LED的封裝形式也很多，它的特點(diǎn)是粘結(jié)芯片的底腔較大，且具有鏡面反射能力，導(dǎo)熱系數(shù)要高，并且有足夠低的熱阻，以使芯片中的熱量被快速地引到器件外，使芯片與環(huán)境溫度保持較低的溫差。

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4 led發(fā)光二極管各封裝熱阻對(duì)比
    
大量實(shí)踐表明，LED不能加大輸入功率的基本原因是由于LED在工作過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，使管芯結(jié)溫迅速上升，輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大，溫度的升 高將導(dǎo)致器件性能的變化與衰減，直至失效。減小LED溫升效應(yīng)的主要方法：一是設(shè)法提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率，使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能；另一個(gè)重要 途徑是設(shè)法提高器件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱通過(guò)各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。顯然對(duì)于一個(gè)確定的LED，設(shè)法降低熱阻是降低結(jié)溫的主要途徑。
     
實(shí)踐指出，LED的熱阻將嚴(yán)重影響器件的使用條件與性能。下圖指出了具有不同熱阻值的LED，極大正向電流隨環(huán)境溫度的變化。由此可見(jiàn)，對(duì)于確定的環(huán)境溫 度，熱阻越小，所對(duì)應(yīng)的極大正向電流就越大。這顯然是由于，當(dāng)熱阻較小時(shí)，器件的散熱能力較強(qiáng)，因此為達(dá)到器件的最大結(jié)溫，器件工作在較大的正向電流。反 之，如器件的熱阻較大，器件散熱不易，故在較小的正向電流下，LED即可達(dá)到最大結(jié)溫。

下圖指出了不同熱阻的器件的光通量與正向電流的關(guān)系，由此可見(jiàn)，當(dāng)熱阻較小時(shí)，光通量幾乎與正向電流成正比例增加，當(dāng)熱阻較大時(shí)，由于P-N結(jié)溫的上升， 當(dāng)正向電流加大到某值時(shí)，光通量將趨于飽和，并隨之逐漸下降。相應(yīng)于確定的正向工作電流，熱阻越小，器件對(duì)應(yīng)的光通量就越大，這顯然與較小的熱阻使器件保 持在一個(gè)較低的芯片溫度有關(guān)。下圖熱阻與其他參數(shù)曲線：
                 
    
對(duì)于一個(gè)LED管，設(shè)法降低PN結(jié)與應(yīng)用環(huán)境的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環(huán)氧膠是低熱導(dǎo)材料，因此PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)透明環(huán)氧向 上散熱到環(huán)境中去、大部分熱量通過(guò)襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘結(jié)層、PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然、相關(guān)材料的導(dǎo)熱能力將直接影響器件的熱阻與散熱性能。

下圖為L(zhǎng)ED襯底材料的熱導(dǎo)系數(shù)：

下圖為常用熱沉材料的熱導(dǎo)系數(shù)：

上述兩表指出了若干常用的襯底與熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)值。銀漿與環(huán)氧的數(shù)據(jù)未在表中列出，他們的導(dǎo)熱系數(shù)值分別為20–30 w/m?k與15–25 w/m?k。知道了材料的熱導(dǎo)系數(shù)，即可根據(jù)下式計(jì)算熱阻值：
                                Rθ=h/ρ*s
式中 為物體的熱導(dǎo)系數(shù)，單位為w/m?k（瓦/米*度）。S為物體截面積單位為㎡（平方米）。H為導(dǎo)熱路徑上二個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，單位為m（米）。顯然為減小 LED的總熱阻，應(yīng)設(shè)法減小芯片PN結(jié)到環(huán)境之間的距離，增大散熱通道面積及采用高熱導(dǎo)的材料，由于LED的襯底材料GaAs、藍(lán)寶石以及環(huán)氧、銀漿與粘 結(jié)劑均是一些低熱導(dǎo)的材料，為減小熱阻，近年來(lái)相繼開(kāi)發(fā)了去除GaAs襯底、采用倒裝結(jié)構(gòu)以及改用金屬直接替代膠結(jié)等新技術(shù)。目前這些技術(shù)逐漸成熟，并大 量投入生產(chǎn)。
     
由常用熱沉材料的熱導(dǎo)系數(shù)表知： 純銅與純鋁是二種具有極高熱導(dǎo)的適與制造LED支架與熱沉的材料。材料確定后，散熱通道的截面積與散熱片表面積的大小決定了器件的總熱阻。實(shí)驗(yàn)指出，散熱面積越大，熱阻越低。另外，通過(guò)風(fēng)扇使環(huán)境氣氧產(chǎn)生了強(qiáng)制交換，也是減小阻的有效途徑。