发光二极管选型

1、发光二极管选型要点

发光二极管的选型要关注以下特性：

a、颜色;

b、封装尺寸;

c、正向电压;

d、功耗;

e、成本;

f、工作温度；

2、发光二极管的特点

2.1 基本结构

发光二极管简称为LED，组成LED的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架和环氧树脂。下图是贴片发光二极管的制作流程：

2.2分类

发光二极管根据装配方式分为贴片和插件两种。贴片发光二极管正负极标志如下图：

插件发光二极管正负极标志如下图：

根据发光类型还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管等。

2.2.1普通单色发光二极管

普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650 nm ，橙色发光二极管的波长一般为610~630 nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585 nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570 nm。

常用的国产普通单色发光二极管有BT（厂标型号）系列、FG（部标型号）系列和2EF 系列。常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和SLC系列等。

2.2.2高亮度发光二极管

高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。

2.2.3变色发光二极管

变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。

常用的双色发光二极管有2EF系列和TB系列，常用的三色发光二极管有2EF302、2EF312、2EF322等型号。长用

2.2.4电压控制型发光二极管

普通发光二极管属于电流控制型器件，在使用时需串接适当阻值的限流电阻。电压控

制型发光二极管（BTV）是将发光二极管和限流电阻集成制作为一体，使用时可直接并接在电源两端。

2.2.5红外发光二极管

红外发光二极管也称红外线发射二极管，它是可以将电能直接转换成红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发射电路中。

红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。

常用的红外发光二极管有SIR系列、SIM系列、PLT系列、GL系列、HIR系列和HG系列等

2.3 特点

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：

R＝（E－UF）／IF

式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。

发光二极管与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。发光二极管图形符号如下图所示：

2.4 主要参数及其特点

2.4.1正向电压VF

正向电压指LED通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产生的电压降，用符号VF 表示。我司常用的贴片发光二极管正向电压为2.0V-3.5V，超过了正常工作电压，二极管可能被击穿。此外，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。

2.4.2正向电流IF

正向电流指LED在正常工作时的电流，一般普通发光二极管的工作电流很小，只有10mA-45mA。在电压增加时，电流会有很大程度的上升，所以一般发光二极管都串接有保护电阻，下图是发光二极管的伏安特性曲线：

2.4.3反向电压VR

反向电压指LED两端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。我司常用的发光二极管最大反向电压一般为5V

2.4.4最大功耗PD

最大功耗是指允许加于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、损坏。LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

2.4.5 颜色与波长

由不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。即使同一种材料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，者改变材料的组份，也可以得到不同的发光颜色。下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。

2.4.6光强I

一光源在单位立体角内所发出的光通量称为该光源的光强I。发光强度的单位是坎德拉（cd）常用毫坎德拉（mcd）, 一单位立体角内发出一流明的光称为一坎德拉。坎德拉是一个光源在给定方向上的发光强度。

2.4.7视角

在发光强度分布图形中，发光强度等于最大强度一半构成的角度称为半值角。如图<5>所示。图中，沿LED法向为机械轴方向，最大发光强度方向为光轴方向，机械轴与光轴之间的夹角成为偏差角。芯片的厚度、封装模条的外形尺寸、支架反射杯的深度以及支架在模腔中的插入深度都对半值角的大小有直接影响。制造中，可以根据客户要求，通过选取不同的材料及选用不同的封装尺寸来得到不同大小的半值角。从发光强度角分布图来分有三类：a、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。

b、标准型，通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

c、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。

2.4.8工作温度

工作环境温度是影响二极管工作的一个重要参数，对光强电流等参数都有很大影响,如下图是工作温度-30°～+80°的二极管的电流光强与温度曲线.

2.4.9 使用寿命

人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

2.4.10 其他

除了上述参数外，发光二极管还有存储温度、纯度、色度、通光量、相应时间、气候条件、温湿循环、引线强度、可焊性等参数影响

3 封装

LED芯片的封装形式很多，针对不同使用要求和不同的光电特性要求，有各种不同的封装形式，归纳起来有如下几种常见的形式：

a、软封装——芯片直接粘结在特定的PCB印制板上，通过焊接线连接成特定的字符或陈列形式，并将LED芯片和焊线用透明树脂保护，组装在特定的外壳中。这种钦封装常用于数码显示、字符显示或点陈显示的产品中。

b、引脚式封装——常见的有将LED芯片固定在2000系列引线框架上，焊好电极引线后，用环氧树脂包封成一定的透明形状，成为单个LED器件。这种引脚或封装按外型尺寸的不同可以分成φ3、φ5直径的封装。这类封装的特点是控制芯片到出光面的距离，可以获得各种不同的出光角度：15°、30°、45°、60°、90°、120°等，也可以获得侧发光的要求，比较易于自动化生产。

c、贴片封装——将LED芯片粘结在微小型的引线框架上，焊好电极引线后，经注塑成型，出光面一般用环氧树脂包封

d、双列直插式封装——用类似IC封装的铜质引线框架固定芯片，并焊接电极引线后用透明环氧包封，常见的有各种不同底腔的“食人鱼”式封装和超级食人鱼式封装，这种封装芯片热散失较好，热阻低，LED的输入功率可达0.1W~0.5W大于引脚式器件，但成本较高。

e、功率型封装——功率LED的封装形式也很多，它的特点是粘结芯片的底腔较大，且具有镜面反射能力，导热系数要高，并且有足够低的热阻，以使芯片中的热量被快速地引到器件外，使芯片与环境温度保持较低的温差。

4 各封装热阻对比

大量实践表明，LED不能加大输入功率的基本原因是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，输入功率越高，发热效应越大，温度的升高将导致器件性能的变化与衰减，直至失效。减小LED温升效应的主要方法：一是设法提高器件的电光转换效率，使尽可能多的输入功率转变成光能；另一个重要途径是设法提高器件的热散失能力，使结温产生的热通过各种途径散发到周围环境中去。显然对于一个确定的LED，设法降低热阻是降低结温的主要途径。

实践指出，LED的热阻将严重影响器件的使用条件与性能。下图指出了具有不同热阻值的LED，极大正向电流随环境温度的变化。由此可见，对于确定的环境温度，热阻越小，所对应的极大正向电流就越大。这显然是由于，当热阻较小时，器件的散热能力较强，因此为达到器件的最大结温，器件工作在较大的正向电流。反之，如器件的热阻较大，器件散热不易，故在较小的正向电流下，LED即可达到最大结温。

下图指出了不同热阻的器件的光通量与正向电流的关系，由此可见，当热阻较小时，光通量几乎与正向电流成正比例增加，当热阻较大时，由于P-N结温的上升，当正向电流加大到

某值时，光通量将趋于饱和，并随之逐渐下降。相应于确定的正向工作电流，热阻越小，器件对应的光通量就越大，这显然与较小的热阻使器件保持在一个较低的芯片温度有关。下图热阻与其他参数曲线：

对于一个LED管，设法降低PN结与应用环境的热阻是提高器件散热能力的根本途径。由于环氧胶是低热导材料，因此PN结处产生的热量很难通过透明环氧向上散热到环境中去、大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、PCB与热沉向下发散。显然、相关材料的导热能力将直接影响器件的热阻与散热性能。

下图为LED衬底材料的热导系数：

下图为常用热沉材料的热导系数：

上述两表指出了若干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。银浆与环氧的数据未在表中列出，他们的导热系数值分别为20–30 w/m?k与15–25 w/m?k。知道了材料的热导系数，即可根据下式计算热阻值：

Rθ=h/ρ*s

式中为物体的热导系数，单位为w/m?k（瓦/米*度）。S为物体截面积单位为㎡（平方米）。H为导热路径上二个节点间的距离，单位为m（米）。显然为减小LED的总热阻，应设法减小芯片PN结到环境之间的距离，增大散热通道面积及采用高热导的材料，由于LED的衬底材料GaAs、蓝宝石以及环氧、银浆与粘结剂均是一些低热导的材料，为减小热阻，近年来相继开发了去除GaAs衬底、采用倒装结构以及改用金属直接替代胶结等新技术。目前这些技术逐渐成熟，并大量投入生产。

由常用热沉材料的热导系数表知：纯铜与纯铝是二种具有极高热导的适与制造LED 支架与热沉的材料。材料确定后，散热通道的截面积与散热片表面积的大小决定了器件的总热阻。实验指出，散热面积越大，热阻越低。另外，通过风扇使环境气氧产生了强制交换，也是减小阻的有效途径。