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超过此值可损坏二极管。
(3)最大反向电压VRm:
所允许加的最大反向电压。
超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。
(4)工作环境topm:
发光二极管可正常工作的环境温度范围。
低于或高于此温度范围,发光二极管将不能正常工作,效率大大降低。
2.电参数的意义
(1)光谱分布和峰值波长:
某一个发光二极管所发之光并非单一波长,其波长大体按图2所示。
由图可见,该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大,该波长为峰值波长。
(2)发光强度IV:
发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。
若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时,则发光1坎德拉(符号为cd)。
由于一般LED的发光二强度小,所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。
(3)光谱半宽度Δλ:
它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.
(4)半值角θ1/2和视角:
θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。
半值角的2倍为视角(或称半功率角)。
图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。
中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。
显然,法线方向上的相对发光强度为1,离开法线方向的角度越大,相对发光强度越小。
由此图可以得到半值角或视角值。
(5)正向工作电流If:
它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。
在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·
IFm以下。
(6)正向工作电压VF:
参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。
一般是在IF=20mA时测得的。
发光二极管正向工作电压VF在1.4~3V。
在外界温度升高时,VF将下降。
(7)V-I特性:
发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。
在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。
当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。
由V-I曲线可以得出发光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数。
正向的发光管反向漏电流IR。
(三)LED的分类
1.按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。
另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。
散射型发光二极管和达于做指示灯用。
2.按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。
圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。
国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1;
把φ5mm的记作T-1(3/4);
把φ4.4mm的记作T-1(1/4)。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。
从发光强度角分布图来分有三类:
(1)高指向性。
一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。
半值角为5°
~20°
或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。
(2)标准型。
通常作指示灯用,其半值角为20°
~45°
。
(3)散射型。
这是视角较大的指示灯,半值角为45°
~90°
或更大,散射剂的量较大。
3.按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
4.按发光强度和工作电流分
按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd);
把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。
一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。
除上述分类方法外,还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。
(四)LED的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同,所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。
由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制,使用时,应保证不超过此值。
为安全起见,实际电流IF应在0.6IFm以下;
应让可能出现的反向电压VRRm。
LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中,可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。
红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。
(1)利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图5所示。
图中电阻R限流电阻,其值应保证电源电压最高时应使LED的电流小于最大允许电流IFm。
(2)图6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路。
图(a)中的电阻≈(E-VF)/IF;
图(b)中的R≈(1.4Vi-VF)/IF;
图(c)中的R≈Vi/IF式中,Vi——交流电压有效值。
(3)单LED电平指示电路。
在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端,可用LED表示输出信号是否正常,如图7所示。
R为限流电阻。
只有当输出电压大于LED的阈值电压时,LED才可能发光。
(4)单LED可充作低压稳压管用。
由于LED正向导通后,电流随电压变化非常快,具有普通稳压管稳压特性。
发光二极管的稳定电压在1.4~3V间,应根据需要进行选择VF,如图8所示。
(5)电平表。
目前,在音响设备中大量使用LED电平表。
它是利用多只发光管指示输出信号电平的,即发光的LED数目不同,则表示输出电平的变化。
图9是由5只发光二极管构成的电平表。
当输入信号电平很低时,全不发光。
输入信号电平增大时,首先LED1亮,再增大LED2亮……。
(五)发光二极管的检测
1.普通发光二极管的检测
(1)用万用表检测。
利用具有×
10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。
正常时,二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝。
如果正向电阻值为0或为∞,反向电阻值很小或为0,则易损坏。
这种检测方法,不能实地看到发光管的发光情况,因为×
10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流。
如果有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发光二极管的发光情况。
用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。
余下的“-”笔接被测发光管的正极(P区),余下的“+”笔接被测发光管的负极(N区)。
两块万用表均置×
10Ω挡。
正常情况下,接通后就能正常发光。
若亮度很低,甚至不发光,可将两块万用表均拨至×
1Ω若,若仍很暗,甚至不发光,则说明该发光二极管性能不良或损坏。
应注意,不能一开始测量就将两块万用表置于×
1Ω,以免电流过大,损坏发光二极管。
(2)外接电源测量。
用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表(指针式或数字式皆可)可以较准确测量发光二极管的光、电特性。
为此可按图10所示连接电路即可。
如果测得VF在1.4~3V之间,且发光亮度正常,可以说明发光正常。
如果测得VF=0或VF≈3V,且不发光,说明发光管已坏。
2.红外发光二极管的检测
由于红外发光二极管,它发射1~3μm的红外光,人眼看不到。
通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW,不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。
红外LED的正向压降一般为1.3~2.5V。
正是由于其发射的红外光人眼看不见,所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常,而无法判定其发光情况正常否。
为此,最好准备一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光电池)作接收器。
用万用表测光电池两端电压的变化情况。
来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。
其测量电路如图11所示。
二、LED显示器结构及分类
通过发光二极管芯片的适当连接(包括串联和并联)和适当的光学结构。
可构成发光显示器的发光段或发光点。
由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。
通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器,而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。
(一)LED显示器结构
基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。
可实现0~9的显示。
其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。
(1)反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳,将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上,每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。
在装反射罩前,用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线,在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合,然后固化。
反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。
实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂,较多地用于一位或双位器件。
空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜,为提高器件的可靠性,必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶,这还可以提高光效率。
这种方式一般用于四位以上的数字显示(或符号显示)。
(2)条形七段式数码管属于混合封装形式。
它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片,划成内含一只或数只LED发光条,然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上,用压焊工艺连好内引线,再用环氧树脂包封起来。
(3)单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上(大圆片),利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形,通过划片把合格芯片选出,对位贴在印刷电路板上,用压焊工艺引出引线,再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。
它们适用于小型数字仪表中。
(4)符号管、米字管的制作方式与数码管类似。
(5)矩阵管(发光二极管点阵)也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。
(二)LED显示器分类
(1)按字高分:
笔画显示器字高最小有1mm(单片集成式多位数码管字高一般在2~3mm)。
其他类型笔画
显示器最高可达12.7mm(0.5英寸)甚至达数百mm。
(2)按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。
(3)按结构分,有反射罩式、单条七段式及单片集成式。
(4)从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。
所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极(即P区)是公共的,而阴极互相隔离。
所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极(即N区)是公共的,而阳极是互相隔离的。
如图13所示。
(三)LED显示器的参数
由于LED显示器是以LED为基础的,所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。
但由于LED显示器内含多个发光二极管,所以需有如下特殊参数:
1.发光强度比由于数码管各段在同样的驱动电压时,各段正向电流不相同,所以各段发光强度不同。
所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。
比值可以在1.5~2.3间,最大不能超过2.5。
2.脉冲正向电流若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF,则在脉冲下,正向电流可以远大于IF。
脉冲占空比越小,脉冲正向电流可以越大。
(四)LED显示器的应用指南
1.七段数码显示器
(1)如果数码宇航局为共阳极形式,那么它的驱动级应为集电极开路(OC)结构,如图14(a)所示。
如果数码管为共阴极形式,它的驱动级应为射极输出或源极输出电路,如图14(b)所示。
例如国产TTL集成电路CT1049、CT4049为集电极开路形式七段字形译码驱动电路;
而CMOS集成电路CC4511为源极输出七段锁存、译码驱动电路。
(2)控制数码管驱动级的控制电路(也称驱动电路)有静态式和动态式两类。
①静态驱动:
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器(如BCD码二-十进制译码器)译码驱动。
图15是一位数码管的静态驱动之例。
图集成电路TC5002BP内含有射极输出驱动级,所以采用共阴极数码管。
A、B、C、D端为BCD码(二-十进制的8421码)输入端,BL为数码管熄灭及显示状态控制端,R为外接电阻。
图16为N位数字静态驱动显示电路。
②动态驱动:
动态驱动是将所有数码管使用一个专门的译码驱动器,使各位数码管逐个轮流受控显示,这就是动态驱动。
由于扫描速度极快。
显示效果与静态驱动相同。
图17是一种四位数字动态驱动(脉搏冲驱动)方法的线路。
图中只用了一个译码驱动电路TC5002BP。
TC4508BP内含两个锁存器,每个锁存器可锁存四位二进BCD码,对应于四位十进制数的四组BCD码分别输入到四个锁存器,四个锁存器,四组BCD码由四个锁存器分时轮流输出进入译码器,译码后进入数码管驱动级集成电路TD62505P(输入端I1~I7与输出端Q1~Q7一一对应)。
Q1~Q7分别加到四个数码管的a~g七个阳极上。
数字驱动电路TD62003P是由达林顿构成的阵列电路,Q1~Q4中哪一端接地,由输入端I1~I4的四师长“使能”信号DS1~DS4控制。
由于四个锁存器的轮换输出也是受“使能”信号DS1~DS4控制。
所以四个数码管轮流通电显示。
由于轮流显示频率较高,故显示的数字不呈闪烁现象。
2.米字管、符号管显示器
米字管和符号管的结构原理相机,所以其驱动方式也基本相同,只是译码电路的译码过程与七段译码器不同。
米字管可以显示包括英文字母在内的多种符号。
符号管主要是用来显示+、-或±
号等。
3.LED点阵式显示器
LED点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比,具有焊点少、连线少,所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。
点阵管根据其内部LED尺寸的大小、数量的多少及发光强度、颜色等可分为多种规格。
图18所示是具有代表性的P2057A和P2157A两种φ5高亮度橙红色5×
7点阵组件。
采用双列直插14脚封装,两种显示器的差别是LED极性不同,如图18所示。
该显示器用扫描驱动方式,选择较大峰值电流和窄脉冲作驱动源,每个LED的平均电流不应超过20mA。
LED点阵管可以代替数码管、符号管和米字管。
不仅可以显示数字,也可显示所有西文字母和符号。
如果将多块组合,可以构成大屏幕显示屏,用于汉字、图形、图表等等的显示。
被广泛用于机场、车站、码头、银行及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。
图19是一个LED点阵显示器驱动电路之例。
LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件,具有工作电压低,耗电量小,发光效率高,发光响应时间极短,光色纯,结构牢固,抗冲击,耐振动,性能稳定可靠,重量轻,体积小,成本低等一系列特性,发展突飞猛进,现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。
国产红、绿、橙、黄的LED产量约占世界总量的12%,“十五”期间的产业目标是达到年产300亿只的能力,实现超高亮度AiGslnP的LED外延片和芯片的大生产,年产10亿只以上红、橙、黄超高亮度LED管芯,突破GaN材料的关键技术,实现蓝、绿、白的LED的中批量生产。
据预测,到2005年国际上LED的市场需求量约为2000亿只,销售额达800亿美元。
在LED产业链接中,上游是LED衬底晶片及衬底生产,中游的产业化为LED芯片设计及制造生产,下游归LED封装与测试,研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路,从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带,只有封装好的才能成为终端产品,才能投入实际应用,才能为顾客提供服务,使产业链环环相扣,无缝畅通。
2LED封装的特殊性
LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的,但却有很大的特殊性。
一般情况下,分立器件的管芯被密封在封装体内,封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。
而LED封装则是完成输出电信号,保护管芯正常工作,输出:
可见光的功能,既有电参数,又有光参数的设计及技术要求,无法简单地将分立器件的封装用于LED。
LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯,当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时,就会发出可见光,紫外光或近红外光。
但pn结区发出的光子是非定向的,即向各个方向发射有相同的几率,因此,并不是管芯产生的所有光都可以释放出来,这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料,应用要求提高LED的内、外部量子效率。
常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上,管芯的正极通过球形接触点与金丝,键合为内引线与一条管脚相连,负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连,然后其顶部用环氧树脂包封。
反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光,向期望的方向角内发射。
顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用:
保护管芯等不受外界侵蚀;
采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂),起透镜或漫射透镜功能,控制光的发散角;
管芯折射率与空气折射率相关太大,致使管芯内部的全反射临界角很小,其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失,选用相应折射率的环氧树脂作过渡,提高管芯的光出射效率。
用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性,绝缘性,机械强度,对管芯发出光的折射率和透射率高。
选择不同折射率的封装材料,封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的,发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。
若采用尖形树脂透镜,可使光集中到LED的轴线方向,相应的视角较小;
如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型,其相应视角将增大。
一般情况下,LED的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃,光谱宽度随之增加,影响颜色鲜艳度。
另外,当正向电流流经pn结,发热性损耗使结区产生温升,在室温附近,温度每升高1℃,LED的发光强度会相应地减少1%左右,封装散热;
时保持色纯度与发光强度非常重要,以往多采用减少其驱动电流的办法,降低结温,多数LED的驱动电流限制在20mA左右。
但是,LED的光输出会随电流的增大而增加,目前,很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级,需要改进封装结构,全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术,改善热特性。
例如,采用大面积芯片倒装结构,选用导热性能好的银胶,增大金属支架的表面积,焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。
此外,在应用设计中,PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。
进入21世纪后,LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新,红、橙LED光效已达到100Im/W,绿LED为501m/W,单只LED的光通量也达到数十Im。
LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式,在增加芯片的光输出方面,研发不仅仅限于改变材料内杂质数量,晶格缺陷和位错来提高内部效率,同时,如何改善管芯及封装内部结构,增强LED内部产生光子出射的几率,提高光效,解决散热,取光和热沉优化设计,改进光学性能,加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。
3产品封装结构类型
自上世纪九十年代以来,LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破,透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构,商品化的超高亮度(1cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市,如表1所示,2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。
LED的上、中游产业受到前所未有的重视,进一步推动下游的封装技术及产业发展,采用不同封装结构形式与尺寸,不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式,可生产出多种系列,品种、规格的产品。
LED产品封装结构的类型如表2所示,也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。
单个管芯一般构成点光源,多个管芯组装一般可构成面光源和线光源,作信息、状态指示及显示用,发光显示器也是用多个管芯,通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的,构成发光显示器的发光段和发光点。
表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED,应用设计更灵活,已在LED显示市场中占有一定的份额,有加速发展趋势。
固体照明光源有部分产品上市,成为今后LED的中、长期发展方向。
4引脚式封装
LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。
标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案,典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封内,其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板,再散发到空气中,如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。
包封材料多采用高温固化环氧树脂,其光性能优良,工艺适应性好,产品可靠性高,可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装,不同的透镜形状构成多种外形及尺寸,例如,圆形按直径分为Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等数种,环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。
花色点光源有多种不同的封装结构:
陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能,引脚可弯曲成所需形状,体积小;
金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯,适作电源指示用;
闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装,可自行产生较强视觉冲击的闪烁光;
双色型由两种不同发光颜色的管芯组成,封装在同一环氧树脂透镜中,除双色外还可获得第三种的混合色,在大屏幕显示系统中的应用极为广泛,并可封装组成双色显示器件;
电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装,可直接替代5—24V的各种电压指示灯。
面光源是多个LED管芯粘结在微型PCB板的规定位置上,采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成,PCB板的不同设计确定外引线排列和连接方式,有双列直插与单列直插等结构形式。
点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸,供市场及客户适用。
LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品,由实际需求设计成各种形状与结构。
以数码管为例,有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构,连接方
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