1、led發光二極管選型要點

發光二極管的選型要關注以下特性：
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發光二極管的特點

2.1 led發光二極管基本結構
     
發光二極管簡稱為LED，組成LED的主要材料包括：管芯、粘合劑、金線、支架和環氧樹脂。

下圖是貼片發光二極管的制作流程：




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2.2發光二極管類型
    
發光二極管根據裝配方式分為貼片和插件兩種。

貼片發光二極管正負極標志如下圖：

插件發光二極管正負極標志如下圖：

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

2.2.1普通單色發光二極管
    
普通單色發光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發光均勻穩定、響應速度快、壽命長等優點，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅動點亮。它屬于電流控制型半導體器件，使用時需串接合適的限流電阻。
     
普通單色發光二極管的發光顏色與發光的波長有關，而發光的波長又取決于制造發光二極管所用的半導體材料。紅色發光二極管的波長一般為650~700nm， 琥珀色發光二極管的波長一般為630~650 nm ，橙色發光二極管的波長一般為610~630 nm左右，黃色發光二極管的波長一般為585 nm左右，綠色發光二極管的波長一般為555~570 nm。
     
常用的國產普通單色發光二極管有BT（廠標型號）系列、FG（部標型號）系列和2EF系列。常用的進口普通單色發光二極管有SLR系列和SLC系列等。

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

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

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

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

常用的紅外發光二極管有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發光二極管特點
    
發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發光二極管加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子， 在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合，產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴復合時釋放 出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。常用的是發紅光、綠光或黃光的二極管。
發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，使用時必須串聯限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計算：
                        R＝（E－UF）／IF
                        式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的一般工作電流。
    
發光二極管與小白熾燈泡和氖燈相比，發光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很小（有的僅零點幾毫安即可發光）；抗沖擊和抗震性 能好，可靠性高，壽命長；通過調制通過的電流強弱可以方便地調制發光的強弱。由于有這些特點，發光二極管在一些光電控制設備中用作光源，在許多電子設備中 用作信號顯示器。把它的管心做成條狀，用7條條狀的發光管組成7段式半導體數碼管，每個數碼管可顯示0～9十個數目字。發光二極管圖形符號如下圖所示：


2.4 發光二極管主要參數及其特點

2.4.1發光二極管正向電壓VF
    
正向電壓指LED通過的正向電流為規定值時，正、負極之間產生的電壓降，用符號VF表示。我司常用的貼片發光二極管 正向電壓為2.0V-3.5V，超過了正常工作電壓，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，電流極小，不發光。當電壓超過某一值 后，正向電流隨電壓迅速增加，發光。

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

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

2.4.4發光二極管最大功耗PD
     
最大功耗是指允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發熱、損壞。LED耗 電相當低，直流驅動，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉換接近100%。一般來說LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是 0.02-0.03A；這就是說，它消耗的電能不超過0.1W，相同照明效果比傳統光源節能80%以上。

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

下頁內容：led發光二極管光強的工作壽命、光強和視角
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2.4.6發光二極管光強
      
一光源在單位立體角內所發出的光通量稱為該光源的光強I。發光強度的單位是坎德拉（cd）常用毫坎德拉（mcd）, 一單位立體角內發出一流明的光稱為一坎德拉。坎德拉是一個光源在給定方向上的發光強度。

2.4.7發光二極管視角
     
在發光強度分布圖形中，發光強度等于最大強度一半構成的角度稱為半值角。如圖<5>所示。圖中，沿LED法向為機械軸方向，最大發光強度方向 為光軸方向，機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半值角的大小有直接影 響。制造中，可以根據客戶要求，通過選取不同的材料及選用不同的封裝尺寸來得到不同大小的半值角。從發光強度角分布圖來分有三類：

a、 高指向性，一般為尖頭環氧封裝，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，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。
b、 標準型，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發光二極管工作溫度
     
工作環境溫度是影響二極管工作的一個重要參數，對光強電流等參數都有很大影響,如下圖是工作溫度-30°～+80°的二極管的電流光強與溫度曲線.


2.4.9 發光二極管使用壽命
     
人稱LED光源為長壽燈。它為固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，在恰當的電流和電壓下，使用壽命可達6萬到10萬小時，比傳統光源壽命長10倍以上。

2.4.10 其他
   
除了上述參數外，發光二極管還有存儲溫度、純度、色度、通光量、相應時間、氣候條件、溫濕循環、引線強度、可焊性等參數影響

3 發光二極管封裝
    
LED芯片的封裝形式很多，針對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，歸納起來有如下幾種常見的形式：

• 軟封裝——芯片直接粘結在特定的PCB印制板上，通過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，組裝在特定的外殼中。這種欽封裝常用于數碼顯示、字符顯示或點陳顯示的產品中。
• 引腳式封裝——常見的有將LED芯片固定在2000系列引線框架上，焊好電極引線后，用環氧樹脂包封成一定的透明形狀，成為單個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，也可以獲得側發光的要求，比較易于自動化生產。
• 貼片封裝——將LED芯片粘結在微小型的引線框架上，焊好電極引線后，經注塑成型，出光面一般用環氧樹脂包封
• 雙列直插式封裝——用類似IC封裝的銅質引線框架固定芯片，并焊接電極引線后用透明環氧包封，常見的有各種不同底腔的“食人魚”式封裝和超級食人魚式封裝，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，它的特點是粘結芯片的底腔較大，且具有鏡面反射能力，導熱系數要高，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，使芯片與環境溫度保持較低的溫差。

下頁內容： led發光二極管各封裝熱阻對比
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4 led發光二極管各封裝熱阻對比
    
大量實踐表明，LED不能加大輸入功率的基本原因是由于LED在工作過程中會放出大量的熱，使管芯結溫迅速上升，輸入功率越高，發熱效應越大，溫度的升 高將導致器件性能的變化與衰減，直至失效。減小LED溫升效應的主要方法：一是設法提高器件的電光轉換效率，使盡可能多的輸入功率轉變成光能；另一個重要 途徑是設法提高器件的熱散失能力，使結溫產生的熱通過各種途徑散發到周圍環境中去。顯然對于一個確定的LED，設法降低熱阻是降低結溫的主要途徑。
     
實踐指出，LED的熱阻將嚴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，極大正向電流隨環境溫度的變化。由此可見，對于確定的環境溫 度，熱阻越小，所對應的極大正向電流就越大。這顯然是由于，當熱阻較小時，器件的散熱能力較強，因此為達到器件的最大結溫，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即可達到最大結溫。

下圖指出了不同熱阻的器件的光通量與正向電流的關系，由此可見，當熱阻較小時，光通量幾乎與正向電流成正比例增加，當熱阻較大時，由于P-N結溫的上升， 當正向電流加大到某值時，光通量將趨于飽和，并隨之逐漸下降。相應于確定的正向工作電流，熱阻越小，器件對應的光通量就越大，這顯然與較小的熱阻使器件保 持在一個較低的芯片溫度有關。下圖熱阻與其他參數曲線：
                 
    
對于一個LED管，設法降低PN結與應用環境的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環氧膠是低熱導材料，因此PN結處產生的熱量很難通過透明環氧向 上散熱到環境中去、大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環氧粘結層、PCB與熱沉向下發散。顯然、相關材料的導熱能力將直接影響器件的熱阻與散熱性能。

下圖為LED襯底材料的熱導系數：

下圖為常用熱沉材料的熱導系數：

上述兩表指出了若干常用的襯底與熱沉材料的導熱系數值。銀漿與環氧的數據未在表中列出，他們的導熱系數值分別為20–30 w/m?k與15–25 w/m?k。知道了材料的熱導系數，即可根據下式計算熱阻值：
                                Rθ=h/ρ*s
式中 為物體的熱導系數，單位為w/m?k（瓦/米*度）。S為物體截面積單位為㎡（平方米）。H為導熱路徑上二個節點間的距離，單位為m（米）。顯然為減小 LED的總熱阻，應設法減小芯片PN結到環境之間的距離，增大散熱通道面積及采用高熱導的材料，由于LED的襯底材料GaAs、藍寶石以及環氧、銀漿與粘 結劑均是一些低熱導的材料，為減小熱阻，近年來相繼開發了去除GaAs襯底、采用倒裝結構以及改用金屬直接替代膠結等新技術。目前這些技術逐漸成熟，并大 量投入生產。
     
由常用熱沉材料的熱導系數表知： 純銅與純鋁是二種具有極高熱導的適與制造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。實驗指出，散熱面積越大，熱阻越低。另外，通過風扇使環境氣氧產生了強制交換，也是減小阻的有效途徑。