低碳照明普及—LED照明科普宣傳

劉佐濂 楊蔚嵐

1. 廣州大學物理與電子工程學院，510006; 2. 廣州市荔灣區芳村實驗小學，510370

低碳照明普及—LED照明科普宣傳

劉佐濂1楊蔚嵐2

1. 廣州大學物理與電子工程學院，510006; 2. 廣州市荔灣區芳村實驗小學，510370

提出照明節能的重要性，介紹了照明的歷史，對LED燈發光原理，制造工藝作了詳細的描述，對白熾燈、熒光燈、LED燈的效能、使用成本進行了分析對比，對未來幾年LED和熒光燈進行了消長的比較，預計LED燈在室內照明應用會得到較快的發展。列舉LED燈的照明應用實例，增強人們對LED燈照明的認識，促進LED燈在室內照明的應用推廣。

LED燈；節能減排；總成本

隨著社會經濟的發展，全球環境問題日益突出，尤其哥本哈根大會以后，中國國家做出明確節能減排指標。同時在《“十二五”節能減排綜合性工作方案》中要求嚴格落實節能減排目標責任，進一步形成政府為主導、企業為主體、市場有效驅動、全社會共同參與的推進節能減排工作格局。LED（發光二極管）照明產品作為節能環保的新興產品，一直深受國家重視，隨著LED產品國家標準的出臺，部分LED產品今年有望享受到財政補貼，工業照明、商業照明已有較大范圍的應用。特別隨著“十城萬盞”計劃的實施LED路燈的應用已十分廣泛，但在家用照明方面由于現階段人們對LED燈的發光原理和節電效果認識水平不夠,宣傳和示范不夠，遠遠沒有達到其應有的影響力。在實施政府采購、建設示范項目、加強產業宣傳、開展科普活動、吸引社會關注等方面有待盡快加強，以加快市場形成，推動產業發展。

1、照明的歷史

人類的誕生和照明的起源幾乎同時，在某種意義上，人類的誕生甚至是由照明進步引起，那就是照明的第一次革命—火的出現。燃燒大部分的能量都以紅外線的形式輻射出去，發光效率極低。直到 1879年，愛迪生發明了用炭絲做燈絲的世界上第一盞白熾燈，開始了人類照明史上的第二次革命。由于仍然是由燈絲發熱產生可見光照明，白熾燈的發光效率仍然偏低，電能轉換成光能的效率不到5%。 照明的第三次革命來自熒光燈，時間從 20世紀40年代開始。熒光燈是冷光源，能量轉換效率比白熾燈提高了很多，達到25%，壽命也提高到1000小時。LED 照明發明于 20世紀 60 年代，最初的 GaAsP(磷砷化鉀)發光二極管發光效率和亮度較低，只能用作儀表指示燈。隨著二十世紀下半葉技術的快速進步特別是新材料的不斷出現，LED 的發光效率和能量轉換效率都在快速提高。到2000年前后，效率指標已經達到并超過了熒光燈，被視為人類照明的第四次革命。

2、LED燈的發光原理

心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一邊是引出電源負極，另一邊引出電源的正極，整個晶片被環氧樹脂封裝起來。LED晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N 結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向 P 區，在 P 區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。圖1為LED發光原理和封裝結構圖。

圖1 LED發光原理和封裝結構圖

3、LED燈的制造工藝

LED發光二極管是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的

LED的生產可以分成一下三個工藝流程：LED外延片的生長、LED芯片的制備、LED芯片的封裝。外延生長的基本原理是：在一塊加熱至適當溫度的襯底基片（主要有藍寶石和SiC（碳化硅）、Si、GaAs（砷化鎵）等）上，氣態物質InGaAlP(磷化鋁鎵銦)有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。生長LED有機層的外延片工藝方法有氣相外延片(VPE）、液相外延片（LPE）、金屬有機化學氣相淀積（MOCVD）、分子束外延片（MBE）。

目前LED外延片生長技術主要采用有機金屬化學氣相沉積方法。其過程首先是將GaAs襯底放入昂貴的有機化學氣相沉積爐(又稱外延爐)，再通入III、II族金屬元素的烷基化合物(甲基或乙基化物)蒸氣與非金屬(V或VI族元素)的氫化物(或烷基物)氣體，在高溫下，發生熱解反應，生成III-V或II-VI族化合物沉積在襯底上，生長出一層厚度僅幾微米(1毫米=1000微米)的化合物半導體外延層。長有外延層的GaAs片也就是常稱的外延片。金屬有機化學氣相淀積法（MOCVD）是目前生產超高亮度InCaN(氮化鎵銦)藍、綠色LED和InCaAIP紅、黃色LED的主要方法，它既能精確控制生長厚度，又能精密控制外延片層的組成?？捎么朔ㄉL超高亮度LED結構中所需要的量子阱階層和DBR反射結構的20個左右的周期層，也適用于大量生產，是目前生產超高亮度LED的主要方法。

LED芯片的制備主要有以下工藝流程：外延片→清洗→鍍透明電極層→透明電極圖形光刻→腐蝕→去膠→平臺圖形光刻→干法刻蝕→去膠→退火→SiO 沉積→窗口圖形光刻→SiO 腐蝕→去膠→N極圖形光刻→預清洗→鍍膜→剝離→退火→P極圖形光刻→鍍膜→剝離→研磨→切割→芯片→成品測試。在展完外延片后，下一步就開始對LED外延片做電極（P極，N極），接著就開始用激光機切割LED外延片（以前切割LED外延片主要用鉆石刀），制造成芯片后，在晶圓上的不同位置抽取九個點做參數測試，主要對電壓、波長、亮度進行測試，能符合正常出貨標準參數的晶圓片再繼續做下一步的操作，如果這九點測試不符合相關要求的晶圓片，就放在一邊另外處理。晶圓切割成芯片后，100%的目檢（VI/VC），操作者要使用放大30倍數的顯微鏡下進行目測。接著使用全自動分類機根據不同的電壓，波長，亮度的預測參數對芯片進行全自動化挑選、測試和分類。最后對LED芯片進行檢查（VC）和貼標簽。芯片區域要在藍膜的中心，藍膜上最多有5000粒芯片，但必須保證每張藍膜上芯片的數量不得少于1000粒，芯片類型、批號、數量和光電測量統計數據記錄在標簽上，附在蠟光紙的背面。藍膜上的芯片將做最后的目檢測試與第一次目檢標準相同，確保芯片排列整齊和質量合格。這樣就制成LED芯片（目前市場上統稱方片）。在LED芯片制作過程中，把一些有缺陷的或者電極有磨損的芯片，分撿出來，這些就是后面的散晶，此時在藍膜上有一些不符合正常出貨要求的晶片，也就自然成了邊片或毛片等。

LED封裝形式可以說是五花八門，主要根據不同的應用場合采用相應的外形尺寸，散熱對策和出光效果。按封裝形式分類有Lamp-LED、led TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。LED封裝工藝流程主要有以下步驟：（1）芯片檢驗：看材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求電極圖案是否完整.（2）擴片：由于LED芯片在劃片后依然排列緊密間距很小(約0.1mm)，不利于后工序的操作。我們采用擴片機對黏結芯片的膜進行擴張，把LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。（3）點膠：在led支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。（4）備膠：和點膠相反，備膠是用備膠機先把銀膠涂在led背面電極上，然后把背部帶銀膠的led安裝在led支架上。（5）手工刺片：將擴張后LED芯片(備膠或未備膠)安置在刺片臺的夾具上，LED支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將LED芯片一個一個刺到相應的位置上。（6）自動裝架：自動裝架其實是結合了沾膠(點膠)和安裝芯片兩大步驟，先在led支架上點上銀膠(絕緣膠)，然后用真空吸嘴將led芯片吸起移動位置，再安置在相應的支架位置上。（7)燒結：燒結的目的是使銀膠固化，燒結要求對溫度進行監控，防止批次性不良。銀膠燒結的溫度一般控制在150℃，燒結時間2小時。(8)壓焊：壓焊的目的將電極引到led芯片上，完成產品內外引線的連接工作。壓焊是LED封裝技術中的關鍵環節，工藝上主要需要監控的是壓焊金絲(鋁絲)拱絲形狀，焊點形狀，拉力。①點膠封裝：LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種。手動點膠封裝對操作水平要求很高(特別是白光LED)，主要難點是對點膠量的控制，因為環氧在使用過程中會變稠。白光LED的點膠還存在熒光粉沉淀導致出光色差的問題。②灌膠封裝：Lamp-led的封裝采用灌封的形式。灌封的過程是先在led成型模腔內注入液態環氧，然后插入壓焊好的led支架，放入烘箱讓環氧固化后，將led從模腔中脫出即成型。③模壓封裝：將壓焊好的led支架放入模具中，將上下兩副模具用液壓機合模并抽真空，將固態環氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中，環氧順著膠道進入各個led成型槽中并固化。④固化與后固化：固化是指封裝環氧的固化，一般環氧固化條件在135℃，1小時。模壓封裝一般在150℃，4分鐘。m、后固化：后固化是為了讓環氧充分固化，同時對led進行熱老化。后固化對于提高環氧與支架(PCB)的粘接強度非常重要。一般條件為120℃，4小時。⑤切筋和劃片：由于led在生產中是連在一起的(不是單個)，Lamp封裝led采用切筋切斷led支架的連筋。SMD-led則是在一片PCB板上，需要劃片機來完成分離工作。⑥測試：測試led的光電參數、檢驗外形尺寸，同時根據客戶要求對LED產品進行分選。⑦包裝：將成品進行計數包裝。超高亮LED需要防靜電包裝。圖2為封裝后的LED燈，圖3為安裝好的LED燈具。

圖2 封裝后的LED燈 圖3 LED燈具

4、與白熾燈及熒光燈相比的優缺點

LED燈和白熾燈及熒光燈相比，LED照明發光效率高、壽命長、電壓低、安全性高、牢固和耐震動沖擊等特點，同時體積小、重量輕，響應時間更短，色彩豐富可調，并且非常環保沒有污染，表1為幾種照明方式的效能對比。

同樣亮度的白熾燈、熒光燈和LED燈使用 10000小時，LED燈總成本比熒光燈高，但已經比白熾燈要低。LED 燈總成本較高的原因來自于目前光源成本較高，隨著對LED的大規模投入和產品價格的不斷下降，LED光源成本下降是大勢所趨，到兩者價格差距不大，就是LED燈進入普通照明之時，表2為三種燈的使用成本對比。

隨著發光效率和生產效率的快速提高,同樣亮度的 LED 燈未來幾年內總成本將快速下降，預計到 2012 年左右，LED燈將在成本上可望和熒光燈一競高低。表3 為未來幾年 LED燈和熒光燈的對比消長。

表3 近年來LED燈和熒光燈的對比消長（單位：元）

5、結論與展望

圖4 使用LED照明的“水立方”和“鳥巢”

圖5 LED路燈

表1 幾種照明方式的效能對比

表2 白熾燈、熒光燈、LED燈使用10000小時成本對比

我國半導體照明應用漸漸走在了世界的前列，隨著國家和地方政府的政策鼓勵，許多地方在室外照明如：路燈、景觀照明等；室內照明如：體育館、地鐵、地下車庫、博物館；特殊場合照明：如低溫照明、礦燈照明、汽車燈等方面應用廣泛，圖4為采用LED燈照明的“水立方”和“鳥巢”，圖5為LED路燈。 從目前國內外的技術發展來看，LED進入千家萬戶室內照明是一個必然的過程。合理有效的政府組織，加上我國相關科研能力和企業基礎，我們完全有信心實現這個目標。家居照明如果普遍采用LED照明工具，節能減排的效果必定十分明顯。

[1]關于加強國家科普能力建設的若干意見, 2007.1.26

[2]國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)2006.2

[3]劉新福，蔣石梅，戰英民.宋敏茹高校作為科普教育基地如何承擔科普重任[J]天津:河北工業大學成人教育學院學報[J],2000.9:12～15

[4]權福軍.青少年科學素養問題與對策[J].南寧.廣西青年干部學院學報,2001. 6:78～90

[5]2010年中國照明光源行業研究報告.中國報告咨詢網,2011.3

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.015

劉佐濂（1970.12－），男，廣州大學副教授，主要從事光電檢測研究，節能環保產品應用推廣宣傳。