LED照明公司项目分析报告1

LED照明公司项目分析报告

一. 目录

一.目录…………………………………………………………………2

二.序言…………………………………………………………………3～5

三.LED技术分析……………………………………………………….5～18

四.LED市场分析……………………………………………………….19～23

五.LED产品分析……………………………………………………….24～46

六.LED产品生产工艺分析…………………………………………….46～

七.LED工厂建立方案……………………………………………

八.小结

二. 序言

LED,又 称 发 光 二 极 管,是 在 半 导 体 p－ N结 处 施 以 正 向 电 流 时 发 出 可 见 光 、 红 外 光 、 紫 外 光 的 半 导 体 发 光 器 件 。同传统光源相比,LED光源具有以下优点:

1. 体积小,亮度集中;

2. 节能,省电90%以上;

3. 寿命长,光衰小;

4. 单色性好

.

如上图所示,在未来的几十年内,LED(发光二极管)的光效将飞速发展,达到甚至超过目前已有的各类传统光源,其它各项性能指标也正在不断提高,因此在技术上LED光源代替传统光源在技术上是完全可行的.而且随着制造技术的成熟,LED产品的单价正在不断下降.如下表所示:

到2020年LED产品的光效将达到200lm/w,寿命,显色性及单灯输出光通量将比现有产品大幅提高,但是产品价格将只有2002年产品价格水平的1%.

全球照明电力需求占电力总需求18% ,在未来15年, LED照明将减少50%电力需求，减少 200 万吨的二氧化碳排放.美国参议院批准下一代照明法案 (参议院能源法案第1213号)，10年内每年拨款$5000万美元用于推动 LED 照明 .而且明确提出目标: 2007 年取代白炽灯，2012 年取代荧光灯.如下图简介

:

与会美国能源专家预测:到2020年,美国LED照明产品将代替70%的传统照明产品;而日本的同期目标为以LED照明产品完全代替常规格照明产品;中国政府的目标则为15%的替代.

LED照明技术的出现被称为照明史上的第三次技术飞跃, LED具有体积小，使用可进行平面封装，或根据使用环境或状况使用多颗或进行多种组合，并且具有发热量低，发光寿命长（5万小时以上）、不易破，极具耐震与耐冲击性，可在较恶劣的情况下使用等特性。LED发光效率高，省电、无辐射、不含水银等重金属，无污染

及废弃物处理问题等众多优点，被视为 绿色照明光源 的明日之星，LED照明产业的发展将影响到一个国家和地区的能源战略和环保战略，因此，各个国家纷纷进行将LED半导体照明产业作为国家重大发展计划进行支持，台湾地区也投入巨资进行研究和开发。国际性大公司如GE、西门子、飞利浦、惠普等都已积极投入LED的研发生产。

LED照明产品的市场，是被LED业界最被看好的具有强大市场潜力的市场。全球照明光源市场平均每年以5%的成长率稳定爬升,而中国作为全球照明产品的需求国和出口国,2003年中国照明产品的国内销售额约为500亿人民币，出口额则达到了50亿美元.其中LED照明产品所占比重也逐年增加. 在世界照明工业的重大转型和半导体照明新兴产业的崛起之时，能迅速做出反应，抓住历史机遇，有效地整合社会资源和企业资源，扬长避短，高起点，快速度、高水平地投资建设LED照明企业,将是一个明智的选择.

三. LED技术分析

LED照明产业是一个新兴产业,相关技术对许多人并不熟悉,以下将对LED相关技术进行一些较为详细地介绍,不仅使大家对本报告有更好地了解,也因为这些技术同LED应用照明技术息息相关,掌握好这些,并能在相关产品设计中合理应用,将使相关照明产品得到很好地质量保证.

㈠ 照明用LED芯片技术

LED,又 称 发 光 二 极 管,是 在 半 导 体 p－ N结 处 施 以 正 向 电 流 时 发 出 可 见 光 、 红 外 光 、 紫 外 光 的 半 导 体 发 光 器 件 。其核心部分半 导 体 p－ N结,被人们称之为芯片,加工原理是在蓝宝石基片上外 延 成 长长出化合物 半 导 体 发 光 材料晶体,再焊上金丝做导线.目 前 实 用 化 的 化 合 物 半 导 体 发 光 材 料 是 以 Ⅲ － Ⅴ A族 元 素 的 材 料 为 主 要 的 发 光 材 料 。 白光LED具有体积小，使用可进行平面封装，或根据使用环境或状况使用多颗或进行多种组合，并且具有发热量低，发光寿命长（5万小时以上）、不易破，极具耐震与耐冲击性，可在较恶劣的情况下使用等特性。白光LED发光效率高，省电、无辐射、不含水银等重金属，无污染及废弃物处理问题等众多优点，被视为 绿色照明光源 的明日之星，在不久的将来，将取代目前为照明市场的主流白炽灯泡及荧（日）光灯。以下将重点对白光LED的芯片制造技术作些介绍.

白光LED发光原理

白光LED发光的方式主要按使用LED发光二极管的使用数量可以分为单晶型和多晶型两种类型。

第一种是单晶型，即一只单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉产生白光，另一种方式是紫外光LED激发RGB三波长荧粉来产生白光。许多厂商主要从事白光LED的研究，通常都先从蓝光LED开始研发及量产，有了蓝光LED的技术之后再开始研发白光LED，然而目前最常用蓝光LED激发黄色荧光粉来产生白光，但是

用蓝光LED来发白光的方式的发光效率仍然不足，许多厂商开始向另外一个方向就是往紫外光LED来发展，利用紫外光LED加RGB三波长荧光粉来达到白光的效果，其发光效率比蓝光好上许多。而紫外光LED加RGB三波长荧光粉的方法，则关键技术在高效率的荧光体合成法，也就是如何把荧光粉有效的附着在晶粒上的一项技术。

另一种是多晶型 ，即使用两个或两个以上的互补的2色LED发光二极管或把3原色LED发光二极管做混光而形成白光。采用多晶型的产生白光的方式，因为不同的色彩的LED发光二极管的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，因此在使用多晶型LED发光二极管的方式产生白光，比单晶型LED产生白光的方式复杂，也因LED发光二极管的数量多，也使得多晶型LED的成本亦较高；若采用单晶型，则只要用一种单色LED发光二极管元素即可，而且在驱动电路上的设计会较为容易。因此，现在很多厂商均把单晶型LED作为白光LED发展方向。

表3.1.1、白光发展原理

由 于 化 合 物 半 导 体 外 延 成 长 技 术 和 发 光 器 件 制 造 工 艺 技 术 的 急 速 发 展 ， 开 发 了 光 电 转 换 效 率 非 常 高 的 发 光 二 极 管 ， 发 光 范 围 遍 及 红 色 到 蓝 色 的 可 见 光 ， 甚 至 可 发 出 红 外 光 和 紫 外 光 。 特 别 是 采 用 氮 化 物 半 导 体 InGaN的 蓝 色 LED的 实 用 化 ， 将 10cd以 上 的 高 亮 度 的 蓝 色 LED与 钇 铝 石 榴 石 荧 光 粉 (YAG： 添 加 Ce的 钇 、 铝 石 榴 石 )组 合 在 一 起 ， 开 发 出 光 效 达 20 lm/W以 上 的 白 色 LED(目前市场上已有相关产品,其中白色LED光效达到25lm/W,红橙色LED光效达到55lm/W,该产品被称为POWER LED,即大功率LED ,目前已有1W至5W产品面市)。 不 仅 如 此 ， 对 于 发 光 在 短 波 长 区 域 的 紫 外 光 LED， 通 过 与 荧 光 粉 的 适 当 配 合 ， 改 进 器件 的 结 构 ， 也 可 开 发 出 用 于 照 明 的 白 色 LED。更高光效的大功率LED也不断地被研制出来.

㈡ 照明用LED芯片封装技术

LED芯片封装是将LED芯片封装成各种方便客户使用的形式,即为芯片加上插脚和绝缘部分,有时为了保证LED的寿命和光效的稳定,还需为芯片装上散热结构. 市场上有上千种LED，常规的有直径为3毫米和5毫米穿孔（TH）型LED和表面贴装（SMD）LED。SMDLED 常用于仪表板的背光照明。上述这些LED的工作电流都很小，一般只有20毫安，功率只有几十毫瓦，光通量当然就很低了。

20世纪90年代后期，出现了所谓超高光通量（Super Flux）的LED。主要是改进了散热措施，Super Flux LED可以工作于70毫安。另一种更高性能的LED是LumiLeds的Snap LED。此种LED可以在150毫安下工作，而仍维持高效可靠。真正的大功率LED的先锋是LumiLeds于1998年推出的Luxeon系列的产品（见图5c和d）。该LED的主要特征是其芯片尺寸更大。Φ5毫米LED的芯片面积约0.06（毫米）2 ，Super Flux LED的芯片面积只有约0.12（毫米）2 ，而1瓦 Luxeon LED芯片的尺寸达到1（毫米）2 。但简单地依靠增大芯片的面积并不能实现LED芯片的大功率化。其主要原因是随着输入功率的增大，LED的发热增加，使芯片的温度升高，造成LED可靠性下降，光输出效率低。据报道TSAlGaAs和AlInGaP LED在55℃时的光输出比25℃时下降了约30%。另外芯片的温度不能超过125℃。LED芯片的温度Tj 可由下式求出：

Tj = Ta + Qja .P

式中，Ta为环境温度，P为LED的功率（瓦）；Qja 为芯片和环境之间的热阻，其

单位为度/瓦。显然，要想有效地降低芯片的温度，就必须尽可能减少热阻Qja。因此，

如何解决好散热的问题就成为制作大功率LED的关键，我们通过对封装技术的改进，采用大的金属片来增加散热，十分有效地降低了封装的热阻，使其从300度/瓦降到低于15度/瓦。也就是说使热阻降低了20倍，依靠这一技术,我们可以使 1瓦红色LED的光效达55流明/瓦,绿色光效为30流明/瓦，蓝色也有10流明/瓦。现在可以使5瓦白光LED的光通量已超过120流明。而且，散热技术的改进使大功率LED的光维持性能比普通LED还要好，图6的曲线就说明这一点。为了使LED的功率做得更大，还需要进一步改进封装和灯具设计，使Qja减少到10度/瓦以下。

LED工作时PN结的结温对LED的光通量、颜色和输入电压都有一定程度的影响，而结温主要受环境温度和输入电功率的自加热效应影响。

1. 结温对光通量的影响

LED的光通量与温度的函数关系可以表示如下

ФV（T2）=ФV （T1）ekΔT

其中：

Фv（T1）= 结温T1时的光通量

Фv（T2）= 结温T2时的光通量

K = 温度系数

ΔTj = 结温的改变量（T2 - T1）

几种典型的高亮度LED温度系数见表1

对于吸收衬底（AS）和透明衬底（TS）红橙色A1InGaPLED,光通量随温度升高而衰减。

我们知道温度对光通量的影响很大，温度75℃时LED输出光通量只有室温的一半左右，因此在LED组件设计时必须将温度对光通量的影响考虑进去。

2.主波长（颜色）随结温的变化

结温也会影响到LED的主波长（颜色）。主波长随温度的变化关系可以表示如下： λd(T2)=λd(T1)+ ΔTj.0.1(nm/℃)

其中

λd（T1）= 结温T1时主波长

λd（T2）= 结温T2时主波长

有一个很容易记住的关系是结温每升高10℃，主波长增加1nm。因为红色LED汽车信号灯颜色的允许范围非常宽（大约为90nm），在设计时颜色的变化不是很重要，但是，在设计黄色汽车信号灯时，必须考虑到颜色的漂移（根据地区规定的不同，

黄色LED信号灯允许的波长范围在5-10nm）

表3.1.2 高亮度LED材料的温度系数

3. 温度导致LED失效

典型的LED由光学透明的环氧树脂封装。温度升高到环氧树脂玻璃转换温度Tg时，环氧树脂由刚性的、类似玻璃的固体材料转换成有弹性的材料。通常情况，在玻璃转换温度Tg，环氧树脂的热膨胀系数（CTE）会有很大变化，Tg位于热膨胀系数剧烈变化区域的正中间.

为了避免LED突然失效，结温T应该始终保持在封装树脂的Tg以下。HP定义的最大结温T(max)就低于封装树脂的玻璃T,对于Super Flu × LEDs,T(max) = 125℃.如果温度超过了T(max),封装树脂的CTE将会发生很大变化,一个大的热膨胀系数(CTE)使得封装树脂在温度变化的过程中,膨胀和收缩加剧,这将导致金线(或铝线)键合点位移增大,金线(或铝线)过早疲劳和损坏.造成LED开路和突然失效.

传统的照明器件不存在散热的问题，白炽灯、荧光灯器件在使用过程中灯丝达到非常高的温度，发出的光包含红外线，可以通过辐射的方法散发热量。如白炽灯泡85%—90%的热量是通过辐射放出的。

但是LED发光机理不同，是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不包含红外部分，所以其热量不能靠辐射散出。所以说LED是‘冷’光源。但是，目前LED的发光效率仅能达到10%—20%，也就是说，还有80%—90%的能量转换成了热量。为了保证器件的寿命，一般要求结温度在110℃以下，所以散热对LED意义重大。而LED一般靠环氧树脂封装，环氧树脂的导热能力非常差，热量只能靠芯片下面的引脚散出。传统管芯（20mA）功率小，需要散热也小，因而散热问题并不严重。

目前制作的大功率白光LED其芯片尺寸大多在1mm*1mm以上，单个器件的耗散功率在1瓦以上，如果简单地把封装尺寸也按比例放大，芯片的热量不能散出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可能导致倒装焊的焊锡融化，使芯片失效，而且，当温度上升时，LED色度变差。这是因为随着温度上升，蓝光的发光峰值向长波长方向移动，这与InGaN半导体禁带宽度随温度的变化相同，而YAG荧光粉对460mm的光最敏感，随着蓝光波长的红移，YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。

因此，如何改进封装结构以适应芯片面积 不断增大带来的散热问题，就成为大功率LED封装首要考虑的问题；解决热问题的方法主要有两种：

① 善GaN片子的质量，提高内量子效率，提高芯片的发光效率，从根本上减少热

量的产生。

② 进LED的结构，使热量更容易散出来。

在封装方面，主要采用以下方帮助散热：

a 用倒装焊的结构（见下图），利用Si sub — mount来散热，因为Si是热的良导体，其效果要远远好于正面的片子靠sapphire来散热;

b 用极薄的导热胶将GaN 芯片粘在15.5mm的散热片上;

c 使用中将封装好的LED固定在合适的散热片上。

㈢ LED应用照明技术

LED照明产品作为传统照明产品的替代品,有许多制造技术可以从传统照明产品上借鉴,甚至是照搬,比如外观设计,防水防尘处理,安全标准地建立等,但LED照明产品也有许多不同于传统照明的特性,要生产出质量可靠的LED照明产品,就必须牢牢掌握以下LED照明产品应用技术.

1.散热技术

传统的照明器件不存在散热的问题，白炽灯、荧光灯器件在使用过程中灯丝达到非常高的温度，发出的光包含红外线，可以通过辐射的方法散发热量。如白炽灯泡85%—90%的热量是通过辐射放出的。而LED发光机理不同，是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不包含红外部分，所以其热量不能靠辐射散出。但是，目前LED的发光效率仅能达到10%—20%，也就是说，还有80%—90%的能量转换成了热量。为了保证器件的寿命，一般要求结温度在110℃以下，所以散热对LED意义重大。

目前的LED照明产品的光源通常由许多普通小功率LED集中在一起组成,或者由单颗甚至一组大功率的LED组成,而这些光源往往被安装在一个通风条件不是特别好(甚至是密闭)的灯具中,产生的热量不能及时有效地散出,为此常常导致LED PN结的结温升高,从而导致LED的光效降低,色温偏离,降低灯具的使用寿命,还可能造成LED开路及完全失效,严重时,也可能使塑料零件燃烧,引发火灾.因此设计LED照明产品时,首先应考虑的问题应该是:如何将LED光源产生的热量及时导出,使产品安全地工作.

目前最常见的LED照明产品通常由多颗电流为20mA的小功率LED组成,会使光线更集中,这些LED在焊接时,彼此之间的距离通常都很小,而且安装PCB板的空间尺寸有限,此种LED一般靠环氧树脂封装，环氧树脂的导热能力非常差，热量只能靠芯片下面的引脚散出,这样许多颗LED产生的热量都会集中到PCB上,PCB不能将这些热量

及时地散发出去,整个产品的温度越来越高,很快LED的光效便会降低,此时产生的热量再次增多,接着就会出现LED失效的现象,这种情况短时间不会出现,经常是在经过工厂地多种品质检验后合格的产品,到客户使用时就会出现.我们不难发现解决此问题的关键是将此类照明产品中的热量及时排出,常用的解决途径有:

⑴增大LED焊盘的尺寸,这样有效地增大单颗LED的散热面积;

⑵加大灯具内部空间,并在灯具表面上开一些散热孔,使灯具内外的空气能够流通(与此同时一定要注意电气安全问题);

⑶如果可以尽量采用金属外壳,利用导热性能良好地绝缘材料将PCB上的热量及时传导到金属壳上,再通过金属壳迅速散发;

⑷减少LED的数量,加大LED之间的距离.

目前单颗小功率LED产生的热量其实是很有限的,只需在集中使用时设计好散热结构,一般不会产生太大的不良后果,但是单颗大功率LED(每颗功率1至5W)产生的热量是很多的(差不多有80%的能量转化成热能),即使在芯片上封装上了铝基板,也不能将热量充分散发,我们曾作过测试,即使是LXEON公司生产的大功率LED ,在室温25℃时工作,通常其光效只会有其宣称的光效值的一半左右的水平.为此在设计该类产品时,我们往往采用金属材料作为灯具外壳,而且直接将铝基板安装在壳体上,为了加大散热面积,通常我们还会在金属壳体上加上大量的散热筋,以使LED芯片上的热量能及时有效地迅速散发.

如上图所示，在该款产品里，通过采用纯铝基板与加大散热面积的金属外壳进行良好的散热,此款使用了三颗1W大功率LED的产品的,LED铝基板上的温度不超过35℃, 灯具效率可达到75%以上.

1. 电源驱动技术

LED是电流驱动的器件，在亮度达到饱和以前，其亮度与正向电流成正比关系。常规小功率LED一般采用升压式电荷泵变换器和升压方式DC — DC变换器线路即可实现驱动,线路设计没有什么难度,因此目前该类产品的生产厂家很多.但功率的急剧增加使得大功率LED在驱动解决方案上遇到了一些新的问题。首先，大功率LED与传统的LED一样都是电流驱动器件，对电压的波动反映比较敏感。LED在其工作点附近，I — V曲线十分陡峭。电压变化0.1V，电流变化超过50mA，所以大功率LED需要恒电流驱动。其次，驱动电路必须能够输出较大的功率，因此传统小尺寸芯片采取的升压式电荷泵变换器和升压方式DC — DC变换器不再适用。

同时，必须考虑LED驱动的可靠性问题。串并联陈列的驱动，就必须考虑器件间电流电压的平衡，原因是目前大功率LED管芯制作技术还不成熟，器件

的均匀性和可靠性都还有待于提高，即使是点参数非常一致的出厂产品，其衰

减特性的不一致性，都会造成I — V曲线的差异，使得简单串并联器件间电流失衡而损坏器件。另外还须考虑电压浪涌对器件的破坏。

针对这种情况我们设计了一种低成本的方案以开关式稳压IC（如LM2575）为核心组成恒流驱动模块。其转换效率高，并且具有输入输出电压保护，PWM调光等附加功能。输出电流可设定为350mA,700mA,1050 mA,1400 mA,1500 mA等五个档位，输出电压可在直流3 — 45V之间调节,输出功率1W至15W,如图

3.2所示的产品中采用的电源为输出恒定电流350mA,输出恒定电压10.8V,输入电压为交流80V至260V均不会改变输出各项参数性能的专用电源.

2. 光线引导技术

LED的发光部分很小,是一个理想的点光源,发出的光线容易配光,人们可以采用各种不同的方式将其发出的光线充分导出,达到特定的光学效果.常用的技术有反光罩反射,透镜聚光,导光棒或导光管线性引导,导光板平面引导,以下将对这些方案做些简单的介绍.

1反光罩反射

目前除了贴片LED以外,其余封装的LED均带有反光罩,将LED芯片臵于

反光罩的焦点上,使光线平行输出,现有的LED照明产品中,也有许多采用这种方式导光, 许多LED手电筒就是采用这种方式将光线引导出来的.

3.3.2透镜聚光

这种技术是目前LED照明产品中采用最多的, 常用于照明产品的LED一

般是20mA的小功率超高亮LED,其光效约为15流明/瓦,单颗输出光通量约为1流明,自带环氧树脂透镜,封装形式多种多样,能把其发出的光线以人们需要的方式引导出,因此许多小功率LED照明产品只是传统光源的简单替代,将由多颗小功率LED组成的光源放入传统的灯具内, 由LED本身光束角形成各种光照模式.如下图所示MR16 LED灯杯,虽然采用的是传统的MR16反射杯,

但是由于光源众多, 反射杯能起到的反射效果微乎其微,大部分的光线是靠LED本身直接发出的,产品的光束角其实就是LED的光束角.

MR16 LED灯杯

近年来大功率LED照明产品大量出现,由于其结构的特殊性( 芯片封

装在铝基板上),以反光罩配光并不容易实现,采用透镜的方式,不仅可以实现聚光,而且可以利用全反射的原理,将其余的光线反射出来,因此目前采用透镜导光的方式成为大功率LED照明产品的主流.图3.2的产品中就采用了三个光束角为20°的高透光性聚碳酸脂透镜,使整个产品产生的光线以20°的光线向前方导出.其透镜组件的具体结构如下图所示

:

要设计出好的大功率LED照明,,在LED专用透镜上进行一些投资有非常有必要的.