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作者：谭巧、

出版社：电子工业出版社

出版时间：2012-09-01

书籍编号：30467021

ISBN：9787121177927

正文语种：中文

字数：82491

版次：1

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：LED封装与检测技术

作者：谭巧　等

ISBN：9787121177927

版权所有 · 侵权必究

职业教育 继往开来（序）

自我国经济在21世纪快速发展以来，各行各业都取得了前所未有的进步。随着我国工业生产规模的扩大和经济发展水平的提高，教育行业受到了各方面的重视。尤其对高等职业教育来说，近几年在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高职院校以服务为宗旨、以就业为导向，开展工学结合与校企合作，进行了较大范围的专业建设和课程改革，涌现出一批示范专业和精品课程。高职教育在为区域经济建设服务的前提下，逐步加大校内生产性实训比例，引入企业参与教学过程和质量评价。在这种开放式人才培养模式下，教学以育人为目标，以掌握知识和技能为根本，克服了以学科体系进行教学的缺点和不足，为学生的顶岗实习和顺利就业创造了条件。

中国电子教育学会立足于电子行业企事业单位，为行业教育事业的改革和发展，为实施“科教兴国”战略做了许多工作。电子工业出版社作为职业教育教材出版大社，具有优秀的编辑人才队伍和丰富的职业教育教材出版经验，有义务和能力与广大的高职院校密切合作，参与创新职业教育的新方法，出版反映最新教学改革成果的新教材。中国电子教育学会经常与电子工业出版社开展交流与合作，在职业教育新的教学模式下，将共同为培养符合当今社会需要的、合格的职业技能人才而提供优质服务。

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中国电子教育学会

前言

随着我国工业与经济的快速发展，照明技术与应用取得长足的进步，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是 21世纪最有发展前景的绿色照明光源。我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明等领域。截至2011年底，我国共有LED企业5000余家。然而，在LED产业如此迅猛发展的情况下，却出现“LED产业所需的高端研发人才、中端工程人才、初级技能人才都十分短缺”的问题。国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长吴玲说，目前大部分新光源关联企业的管理人才、工程师以及生产线人才都非常紧缺，这在很大程度上阻碍了LED 产业的发展。

目前，有多所高职高专院校开设光电技术等相关专业，但介绍 LED 生产和检测的教材少之又少。福建信息职业技术学院借助于地理环境优势，于 2008 年申报开设了光电技术专业，在中央财政支持下成立了光电器件集成加工中心，并引入生产企业设立“校中厂”进行LED的生产和开展LED的封装测试教学，并在国内首次开展“LED封装工”的职业技能鉴定。我们在开设本专业课程后进行了大量的内容改革与教学实践，并探索编写校本教材，通过几年的内容调整和完善，完成这本与LED生产实践紧密相连的LED生产和检测教材。全书内容按照 LED 封装流程进行编排，并通过一个生产实例贯穿全书，充分将理论知识和实践操作相结合，让学生在具备一定理论的基础上能较好较快地掌握 LED 封装的生产工艺和检测技术。

本书从LED的基础知识出发，系统全面地讲解了LED封装的基本参数、工艺流程、物料、工艺要求和 LED 测试技术，具体包括：LED 基础知识、LED 的封装、固晶环节、焊线环节、配胶灌胶环节、切脚初测环节、分选包装环节、LED参数检测等。全书通过LED生产实例来组织内容，结构清晰，内容实用，并配有大量的生产操作图片，通俗易懂，注重培养学生实际操作工艺及理论联系实际的能力。本课程建议理论课时和实践课时的比例大约为1：2.5，有条件的院校建议在LED生产实训场所采用一体化模式开展教学。

本书为高职高专院校LED课程的教材，也可作为应用型本科、成人教育、自学考试、电视大学、中职学校及LED封装工的考证培训教材，以及LED企业技术人员、检测人员、生产管理人员的参考书。

本书由福建信息职业技术学院谭巧老师担任主编并统稿，福建信息职业技术学院林火养老师、何志敏老师、陈世伟老师，大连职业技术学院许毅，福建水利电力职业技术学院陈海燕参加编写。其中，第 1 章由林火养编写，第 2 章由陈世伟编写，第 3￣5 章、第 7章由谭巧编写，第6章由许毅、陈海燕编写，第8章由何志敏编写。福建三创电子有限公司生产经理陈志敏校对了全书，并提出了许多宝贵修改意见；杨敏玲、罗为民、陈明星、王洪东同学参与了部分资料的整理工作，在此一并表示衷心的感谢。

限于编者水平，书中难免会有疏漏和错误之处，敬请广大读者和同行专家提出宝贵意见，以便使这本教材能日趋完善，编者不胜感谢。

为了方便教师教学，本书配有免费的电子教学课件、习题参考答案及部分工艺操作的教学视频，请有需要的教师登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）免费注册后再进行下载，有问题时请在网站留言或与电子工业出版社联系（E-mail：hxedu＠phei.com.cn）。

编者

第1章 LED基础知识

知识分布网络

LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种将电能转化为光能的固体器件。其核心为PN结，具有单向导电性。常见的Lamp LED（引脚式LED）的基本结构为：一块电致发光的半导体模块（即LED芯片），被银胶（绝缘胶）固定在反射杯中，然后通过金线与支架相连，最终由环氧树脂密封。其外形结构如图1-1所示。

图1-1 Lamp LED结构示意图

LED在电路中的符号如图1-2所示。

图1-2 LED电路符号

1.1 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。

图1-3 光源的分类图

LED的发展主要经历了以下三个阶段：

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（λ_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0.1lm/W，比白炽灯低100倍。

20世纪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（λ_p=555nm），黄光（λ_p=590nm）和橙光（λ_p=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。

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。

1.2 LED的发光原理

LED为什么可以发光呢?本节将从LED芯片的制成材料、LED的发光过程，以及LED的发光颜色等几个方面进行讲解。

1.2.1 LED的发光材料

LED发光二极管的核心发光芯片是由元素周期表中的Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，表1-1列举了LED的发光材料及其相应的应用领域。

表1-1 LED发光材料及相应的应用领域

Ⅲ-Ⅴ族化合物相关元素介绍：

● 镓Ga（Ⅲ族）：银白色金属，最外层有3个电子。其化合物是制作半导体的重要材料。在硅（最外层4个电子）基板中掺杂一点镓，就会使其微结构少了一个电子，相当于多了一个正电荷（空穴），这样就成了P型半导体。

● 砷As（Ⅴ族）：最外层有5个电子。其化合物是制作半导体的重要材料。在硅（最外层4个电子）基板中掺杂一点砷，就会使其微结构多了一个电子，这样就成了N型半导体。

● 铟In（Ⅲ族）：最外层有3个电子。其化合物是制作P型半导体的重要材料。铟可用作低熔点合金、半导体、整流器、热敏电阻等。含24%铟及76%镓的合金，在室温下是液体。

1.2.2 LED的发光过程

LED的发光过程如图1-4所示。

图1-4 LED的发光过程

LED的实质性结构是半导体P-N结，核心部分由P型半导体和N型半导体组成的晶片。在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。其发光过程可以用P-N结的能带结构来做解释。制作半导体发光二极管的半导体材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。在常态下，因为PN结阻挡层的限制，二者不能发生自然复合。而当给P-N结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏了P-N结动态平衡，产生少数载流子的电注入。空穴从P区注入N区，同样电子从N区注入到P区，注入的少数载流子将同该区的多数载流子复合，不断地将多余的能量以光的形式辐射出去，如图1-4所示。

注：图1-4中几个名词解释。

价带：在孤立原子中，电子是从低能级向高能级依次向上填满。在单晶中，电子是从低能级向高能级依次向上填充，被填满的能带称为满带。满带受原子核的束缚较强，满带的最上层能带称为价带，价带顶部能级用E₊表示。

导带：在满带上方，具有一系列空的能带，最下层的空带称为导带，导带底部能级用E_-表示。原子核对位于跃迁到空带上的电子作用微弱，故空带中的电子也称自由电子。

禁带：在价带和导带之间没有能带存在，这部分区域称为禁带。禁带宽度用E_g表示。E_g可以用来区分导体、半导体和绝缘体。

价带、导带、禁带之间的关系如图1-5所示。

图1-5 半导体能级图

1.2.3 LED的发光颜色

LED发光的颜色由半导体的种类决定，不同种类的半导体具有不同的禁带宽度E_g。电子、空穴复合释放的能量由禁带宽度E_g决定，即

要产生可见光（波长在380～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光等各种颜色的LED。

从上式也可知，要改变LED的发光颜色，可以通过掺入其他元素来改变Eg值。如纯GaN材料发出的是近紫外光，掺入InN可以减小E_g值，从而使芯片发蓝光。

1.3 LED的基本参数

1.3.1 LED的电学参数

LED具有和普通二极管类似的伏安特性，如图1-6所示。

图1-6 LED的伏安特性曲线

1.正向电流I_F、最大正向电流I_Fm

LED正向电流I_F是指LED正常发光时的正向电流值；最大正向电流I_Fm是指允许加在LED两端的最大正向直流电流。在实际使用中应根据需要选择I_F在0.6I_Fm以下。

普通小功率LED（0.04～0.08W）LED的正向电流I_F多在20mA。LED的发光强度仅在一定范围内与I_F成正比，当I_F>20mA时，亮度的增强已经无法用肉眼分辨出来。因此LED的工作电流一般选在17～19mA比较合理。

此外，食人鱼LED可达到40mA左右的额定值。

随着技术的不断发展，大功率的LED也不断出现，如1W白光LED 的I_F=350mA，3W 白光LED的I_F=750mA，不同额定功率和不同颜色的LED其I_F也不一样。

2.正向电压V_F

V_F是指通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。一般是在I_F=20mA时测得的。

不同颜色的LED在额定的正向电流条件下，有着各自不同的正向压降值，红、黄、黄绿的电压在1.8～2.4V；白、蓝、翠绿的电压是3.0～3.6V。对于同种颜色的LED，其正向压降和光强也不是完全一致的，要根据厂家提供的为准。

在外界温度升高时，V_F将下降。

3.反向漏电流I_R

I_R是指LED器件处于反向偏置PN节时的漏电流。按照LED的常规规定，习惯指反向电压在5V时的反向漏电流。

4.最大反向电压V_Rm

V_Rm是指LED两端所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管则出现I_R突然增加而出现击穿损坏现象。由于所用半导体化合物材料种类不同，各种LED的最大反向电压V_Rm也不同。

5.允许功耗P_m

P_m是指允许加在LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热增大，易损坏。

1.3.2 LED的光学参数

1.LED的光波长（λ）

LED的光波长决定了LED的发光颜色，是一个很重要的一项指标。此参数在LED生产和设计过程中相当重要，因为颜色不同，相关的参数也有很大的变化。目前，LED的颜色主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、暖白、琥珀色等颜色。

全球第一颗LED采用的材料是砷（As）化鎵（Ga），工作电压为1.424V，其发出的光线为红外光谱。之后，业界发展出以磷（P）化鎵（Ga）作为LED的材料，工作电压为2.261V，发出的光为绿光。业界早期就透过这2种形态LED所需的材料，调配出从红外线到绿色光范围内所有波长的LED产品，发展出常见的红光LED、黄光LED、橙光LED等等，这3大类LED因为使用了鎵、砷、磷3种元素，故被称为3元素LED，而蓝光LED、绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED。业界后来发展出采用混合铝（Al）、钙（Ca）、銦（In）和氮（N）共4种元素的4元素LED，就能够发出所有可见光范围与部分紫外线光谱的光线。

由于随着LED的制造材料不同，产生出来的光子拥有的能量也不同，故业界透过制造材料来控制LED发光的波长，进而产生拥有不同光谱与顏色的各种LED。

2.光通量（F）

光源在单位时间内发射出的光量称为光源的光通量，单位为流明，即lm。

这个量是对光源而言的，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。光源的光通量越大，则发出的光线越多。

光通量是人为量。因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系（图1-7所示的人眼光谱光效率函数描述了人眼对不同波长光的感觉）。对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W=683lm，也就是说，1W的电功率全部转换成波长为555nm的光，为683 流明。这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。对于其他颜色的光，如650nm的红色，1W的光仅相当于73 流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。对于白色光，则和其组成的光谱结构有关。例如，一般白光LED是采用蓝光芯片结合黄光荧光粉的形式，其光谱主要集中在蓝光和黄光附近，所以它的“光功率—光通量”转化，主要看人眼对黄光与蓝光的感觉。

图1-7 人眼的光谱光效率函数

现在将常用白光LED 的“功率—流明”对应关系列举出来，供大家参考：0.06W→3～5lm，0.2W→13～15lm，1W→60～80lm。一个l00W的灯泡可产生l750lm，而一支40W冷白日光灯管则可产生3150lm的光通量。

3.发光强度（I）

发光强度简称光度强，指光源的明亮程度。是说从光源一个立体角（单位为Sr）所放射出来的光通量，即光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度，也表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。单位是坎德拉，即 cd；1000μcd（微坎德拉）=1mcd（毫坎德拉），1000mcd=1cd（也称烛光）。

发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比很小的场合。这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮。因此，描述手电筒的光照都用这个参数。

对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则F=4πI。也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4πI=12.56lm。与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。

现在LED也用这个单位来描述，如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。LED之所以用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为最早的LED都比较暗，如1984 年标准5mm的LED的发光强度只有0.005cd，因此用mcd表示。现在LED的亮度很比较大，但还是沿用原来的说法。

室内用单只LED的光强一般为500ucd～50mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100mcd～1000mcd，甚至在1000mcd以上。

发光强度为1cd的光源可放射出l2.57lm的光通量。

用发光强度来表示“亮度”的缺点是如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。因此，购买LED时不要一味追求高I值，还要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的。另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。

4.LED光照度（E）

光照度是受照平面上接受光通量的密度，可用每一单位面积的光通量来测量。单位：勒克斯，即lx。1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度，即1勒克斯。

桌面、工作面的照度不应少于150lx。起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想，其平均照度应达到l00lx左右。阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lx。

表1-2是各种环境的光照度值。

5.发光亮度（L）

亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：cd/m²，也称尼特。

光通量、光强、照度和亮度的关系图如图1-8所示。

表1-2 各种环境的光照度值

图1-8 光通量，光强，照度和亮度的关系图

6.光效

光效是光源效率的简称，是指光源发出的光通量除以光源的功率，即光源效率（Lm/W）=流明（Lm）/耗电量（W）。它是衡量光源节能的重要指标，其数值越高表示光源的效率越高，也越节能。LED之所以节能是因为其光效较高。

7.光谱

光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。

高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，称为吸收光谱。例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线。这就是钠原子的吸收光谱。值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。

在我们眼里，大部分光源所发出的光通称为白光，实际上肉眼看上去的不同光源所发出的白光会因色温的高低而呈现不同的颜色。光色越偏蓝，色温越高；偏红则色温越低。人的眼睛有时会被自己的感觉所愚弄，感到差异不大，但在我们拍摄照片上，可以看到最直接的效果，如在睛空下拍摄的照片，可能会发蓝发冷；而在灯光下拍摄的照片（不打开闪光灯），会呈现明显暖调的橙红色。

1.3.3 LED的色度学参数

1.色温

以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时，颜色开始由深红—浅红—橙黄—绿—蓝，逐渐改变，当加热到与光源的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源的色温。

因为色温是以黑体辐射接近光

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