低碳照明普及—LED照明科普宣传

刘佐濂 杨蔚岚

1. 广州大学物理与电子工程学院，510006; 2. 广州市荔湾区芳村实验小学，510370

低碳照明普及—LED照明科普宣传

刘佐濂1杨蔚岚2

1. 广州大学物理与电子工程学院，510006; 2. 广州市荔湾区芳村实验小学，510370

提出照明节能的重要性，介绍了照明的历史，对LED灯发光原理，制造工艺作了详细的描述，对白炽灯、荧光灯、LED灯的效能、使用成本进行了分析对比，对未来几年LED和荧光灯进行了消长的比较，预计LED灯在室内照明应用会得到较快的发展。列举LED灯的照明应用实例，增强人们对LED灯照明的认识，促进LED灯在室内照明的应用推广。

LED灯；节能减排；总成本

随着社会经济的发展，全球环境问题日益突出，尤其哥本哈根大会以后，中国国家做出明确节能减排指标。同时在《“十二五”节能减排综合性工作方案》中要求严格落实节能减排目标责任，进一步形成政府为主导、企业为主体、市场有效驱动、全社会共同参与的推进节能减排工作格局。LED（发光二极管）照明产品作为节能环保的新兴产品，一直深受国家重视，随着LED产品国家标准的出台，部分LED产品今年有望享受到财政补贴，工业照明、商业照明已有较大范围的应用。特别随着“十城万盏”计划的实施LED路灯的应用已十分广泛，但在家用照明方面由于现阶段人们对LED灯的发光原理和节电效果认识水平不够,宣传和示范不够，远远没有达到其应有的影响力。在实施政府采购、建设示范项目、加强产业宣传、开展科普活动、吸引社会关注等方面有待尽快加强，以加快市场形成，推动产业发展。

1、照明的历史

人类的诞生和照明的起源几乎同时，在某种意义上，人类的诞生甚至是由照明进步引起，那就是照明的第一次革命—火的出现。燃烧大部分的能量都以红外线的形式辐射出去，发光效率极低。直到 1879年，爱迪生发明了用炭丝做灯丝的世界上第一盏白炽灯，开始了人类照明史上的第二次革命。由于仍然是由灯丝发热产生可见光照明，白炽灯的发光效率仍然偏低，电能转换成光能的效率不到5%。 照明的第三次革命来自荧光灯，时间从 20世纪40年代开始。荧光灯是冷光源，能量转换效率比白炽灯提高了很多，达到25%，寿命也提高到1000小时。LED 照明发明于 20世纪 60 年代，最初的 GaAsP(磷砷化钾)发光二极管发光效率和亮度较低，只能用作仪表指示灯。随着二十世纪下半叶技术的快速进步特别是新材料的不断出现，LED 的发光效率和能量转换效率都在快速提高。到2000年前后，效率指标已经达到并超过了荧光灯，被视为人类照明的第四次革命。

2、LED灯的发光原理

心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一边是引出电源负极，另一边引出电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。LED晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N 结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。图1为LED发光原理和封装结构图。

图1 LED发光原理和封装结构图

3、LED灯的制造工艺

LED发光二极管是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的

LED的生产可以分成一下三个工艺流程：LED外延片的生长、LED芯片的制备、LED芯片的封装。外延生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和SiC（碳化硅）、Si、GaAs（砷化镓）等）上，气态物质InGaAlP(磷化铝镓铟)有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。生长LED有机层的外延片工艺方法有气相外延片(VPE）、液相外延片（LPE）、金属有机化学气相淀积（MOCVD）、分子束外延片（MBE）。

目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。其过程首先是将GaAs衬底放入昂贵的有机化学气相沉积炉(又称外延炉)，再通入III、II族金属元素的烷基化合物(甲基或乙基化物)蒸气与非金属(V或VI族元素)的氢化物(或烷基物)气体，在高温下，发生热解反应，生成III-V或II-VI族化合物沉积在衬底上，生长出一层厚度仅几微米(1毫米=1000微米)的化合物半导体外延层。长有外延层的GaAs片也就是常称的外延片。金属有机化学气相淀积法（MOCVD）是目前生产超高亮度InCaN(氮化镓铟)蓝、绿色LED和InCaAIP红、黄色LED的主要方法，它既能精确控制生长厚度，又能精密控制外延片层的组成。可用此法生长超高亮度LED结构中所需要的量子阱阶层和DBR反射结构的20个左右的周期层，也适用于大量生产，是目前生产超高亮度LED的主要方法。

LED芯片的制备主要有以下工艺流程：外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO 沉积→窗口图形光刻→SiO 腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。在展完外延片后，下一步就开始对LED外延片做电极（P极，N极），接着就开始用激光机切割LED外延片（以前切割LED外延片主要用钻石刀），制造成芯片后，在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，主要对电压、波长、亮度进行测试，能符合正常出货标准参数的晶圆片再继续做下一步的操作，如果这九点测试不符合相关要求的晶圆片，就放在一边另外处理。晶圆切割成芯片后，100%的目检（VI/VC），操作者要使用放大30倍数的显微镜下进行目测。接着使用全自动分类机根据不同的电压，波长，亮度的预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。最后对LED芯片进行检查（VC）和贴标签。芯片区域要在蓝膜的中心，蓝膜上最多有5000粒芯片，但必须保证每张蓝膜上芯片的数量不得少于1000粒，芯片类型、批号、数量和光电测量统计数据记录在标签上，附在蜡光纸的背面。蓝膜上的芯片将做最后的目检测试与第一次目检标准相同，确保芯片排列整齐和质量合格。这样就制成LED芯片（目前市场上统称方片）。在LED芯片制作过程中，把一些有缺陷的或者电极有磨损的芯片，分捡出来，这些就是后面的散晶，此时在蓝膜上有一些不符合正常出货要求的晶片，也就自然成了边片或毛片等。

LED封装形式可以说是五花八门，主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸，散热对策和出光效果。按封装形式分类有Lamp-LED、led TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。LED封装工艺流程主要有以下步骤：（1）芯片检验：看材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整.（2）扩片：由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm)，不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，把LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。（3）点胶：在led支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。（4）备胶：和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在led背面电极上，然后把背部带银胶的led安装在led支架上。（5）手工刺片：将扩张后LED芯片(备胶或未备胶)安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。（6）自动装架：自动装架其实是结合了沾胶(点胶)和安装芯片两大步骤，先在led支架上点上银胶(绝缘胶)，然后用真空吸嘴将led芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。（7)烧结：烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃，烧结时间2小时。(8)压焊：压焊的目的将电极引到led芯片上，完成产品内外引线的连接工作。压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝(铝丝)拱丝形状，焊点形状，拉力。①点胶封装：LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。手动点胶封装对操作水平要求很高(特别是白光LED)，主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。②灌胶封装：Lamp-led的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在led成型模腔内注入液态环氧，然后插入压焊好的led支架，放入烘箱让环氧固化后，将led从模腔中脱出即成型。③模压封装：将压焊好的led支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个led成型槽中并固化。④固化与后固化：固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟。m、后固化：后固化是为了让环氧充分固化，同时对led进行热老化。后固化对于提高环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重要。一般条件为120℃，4小时。⑤切筋和划片：由于led在生产中是连在一起的(不是单个)，Lamp封装led采用切筋切断led支架的连筋。SMD-led则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。⑥测试：测试led的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。⑦包装：将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装。图2为封装后的LED灯，图3为安装好的LED灯具。

图2 封装后的LED灯 图3 LED灯具

4、与白炽灯及荧光灯相比的优缺点

LED灯和白炽灯及荧光灯相比，LED照明发光效率高、寿命长、电压低、安全性高、牢固和耐震动冲击等特点，同时体积小、重量轻，响应时间更短，色彩丰富可调，并且非常环保没有污染，表1为几种照明方式的效能对比。

同样亮度的白炽灯、荧光灯和LED灯使用 10000小时，LED灯总成本比荧光灯高，但已经比白炽灯要低。LED 灯总成本较高的原因来自于目前光源成本较高，随着对LED的大规模投入和产品价格的不断下降，LED光源成本下降是大势所趋，到两者价格差距不大，就是LED灯进入普通照明之时，表2为三种灯的使用成本对比。

随着发光效率和生产效率的快速提高,同样亮度的 LED 灯未来几年内总成本将快速下降，预计到 2012 年左右，LED灯将在成本上可望和荧光灯一竞高低。表3 为未来几年 LED灯和荧光灯的对比消长。

表3 近年来LED灯和荧光灯的对比消长（单位：元）

5、结论与展望

图4 使用LED照明的“水立方”和“鸟巢”

图5 LED路灯

表1 几种照明方式的效能对比

表2 白炽灯、荧光灯、LED灯使用10000小时成本对比

我国半导体照明应用渐渐走在了世界的前列，随着国家和地方政府的政策鼓励，许多地方在室外照明如：路灯、景观照明等；室内照明如：体育馆、地铁、地下车库、博物馆；特殊场合照明：如低温照明、矿灯照明、汽车灯等方面应用广泛，图4为采用LED灯照明的“水立方”和“鸟巢”，图5为LED路灯。 从目前国内外的技术发展来看，LED进入千家万户室内照明是一个必然的过程。合理有效的政府组织，加上我国相关科研能力和企业基础，我们完全有信心实现这个目标。家居照明如果普遍采用LED照明工具，节能减排的效果必定十分明显。

[1]关于加强国家科普能力建设的若干意见, 2007.1.26

[2]国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)2006.2

[3]刘新福，蒋石梅，战英民.宋敏茹高校作为科普教育基地如何承担科普重任[J]天津:河北工业大学成人教育学院学报[J],2000.9:12～15

[4]权福军.青少年科学素养问题与对策[J].南宁.广西青年干部学院学报,2001. 6:78～90

[5]2010年中国照明光源行业研究报告.中国报告咨询网,2011.3

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.015

刘佐濂（1970.12－），男，广州大学副教授，主要从事光电检测研究，节能环保产品应用推广宣传。