劉佐濂 楊蔚嵐

1. 廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，510006; 2. 廣州市荔灣區(qū)芳村實(shí)驗(yàn)小學(xué)，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(xué)物理與電子工程學(xué)院，510006; 2. 廣州市荔灣區(qū)芳村實(shí)驗(yàn)小學(xué)，510370

提出照明節(jié)能的重要性，介紹了照明的歷史，對(duì)LED燈發(fā)光原理，制造工藝作了詳細(xì)的描述，對(duì)白熾燈、熒光燈、LED燈的效能、使用成本進(jìn)行了分析對(duì)比，對(duì)未來(lái)幾年LED和熒光燈進(jìn)行了消長(zhǎng)的比較，預(yù)計(jì)LED燈在室內(nèi)照明應(yīng)用會(huì)得到較快的發(fā)展。列舉LED燈的照明應(yīng)用實(shí)例，增強(qiáng)人們對(duì)LED燈照明的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)LED燈在室內(nèi)照明的應(yīng)用推廣。

LED燈；節(jié)能減排；總成本

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球環(huán)境問(wèn)題日益突出，尤其哥本哈根大會(huì)以后，中國(guó)國(guó)家做出明確節(jié)能減排指標(biāo)。同時(shí)在《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中要求嚴(yán)格落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)責(zé)任，進(jìn)一步形成政府為主導(dǎo)、企業(yè)為主體、市場(chǎng)有效驅(qū)動(dòng)、全社會(huì)共同參與的推進(jìn)節(jié)能減排工作格局。LED（發(fā)光二極管）照明產(chǎn)品作為節(jié)能環(huán)保的新興產(chǎn)品，一直深受?chē)?guó)家重視，隨著LED產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，部分LED產(chǎn)品今年有望享受到財(cái)政補(bǔ)貼，工業(yè)照明、商業(yè)照明已有較大范圍的應(yīng)用。特別隨著“十城萬(wàn)盞”計(jì)劃的實(shí)施LED路燈的應(yīng)用已十分廣泛，但在家用照明方面由于現(xiàn)階段人們對(duì)LED燈的發(fā)光原理和節(jié)電效果認(rèn)識(shí)水平不夠,宣傳和示范不夠，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到其應(yīng)有的影響力。在實(shí)施政府采購(gòu)、建設(shè)示范項(xiàng)目、加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)宣傳、開(kāi)展科普活動(dòng)、吸引社會(huì)關(guān)注等方面有待盡快加強(qiáng)，以加快市場(chǎng)形成，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1、照明的歷史

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

2、LED燈的發(fā)光原理

心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一邊是引出電源負(fù)極，另一邊引出電源的正極，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。LED晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N 結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。圖1為L(zhǎng)ED發(fā)光原理和封裝結(jié)構(gòu)圖。

圖1 LED發(fā)光原理和封裝結(jié)構(gòu)圖

3、LED燈的制造工藝

LED發(fā)光二極管是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的

LED的生產(chǎn)可以分成一下三個(gè)工藝流程：LED外延片的生長(zhǎng)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝。外延生長(zhǎng)的基本原理是：在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片（主要有藍(lán)寶石和SiC（碳化硅）、Si、GaAs（砷化鎵）等）上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP(磷化鋁鎵銦)有控制的輸送到襯底表面，生長(zhǎng)出特定單晶薄膜。生長(zhǎng)LED有機(jī)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(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）、分子束外延片（MBE）。

目前LED外延片生長(zhǎng)技術(shù)主要采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法。其過(guò)程首先是將GaAs襯底放入昂貴的有機(jī)化學(xué)氣相沉積爐(又稱(chēng)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(fā)生熱解反應(yīng)，生成III-V或II-VI族化合物沉積在襯底上，生長(zhǎng)出一層厚度僅幾微米(1毫米=1000微米)的化合物半導(dǎo)體外延層。長(zhǎng)有外延層的GaAs片也就是常稱(chēng)的外延片。金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積法（MOCVD）是目前生產(chǎn)超高亮度InCaN(氮化鎵銦)藍(lán)、綠色LED和InCaAIP紅、黃色LED的主要方法，它既能精確控制生長(zhǎng)厚度，又能精密控制外延片層的組成。可用此法生長(zhǎng)超高亮度LED結(jié)構(gòu)中所需要的量子阱階層和DBR反射結(jié)構(gòu)的20個(gè)左右的周期層，也適用于大量生產(chǎn)，是目前生產(chǎn)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(tái)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(yù)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(cè)試。在展完外延片后，下一步就開(kāi)始對(duì)LED外延片做電極（P極，N極），接著就開(kāi)始用激光機(jī)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(gè)點(diǎn)做參數(shù)測(cè)試，主要對(duì)電壓、波長(zhǎng)、亮度進(jìn)行測(cè)試，能符合正常出貨標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的晶圓片再繼續(xù)做下一步的操作，如果這九點(diǎn)測(cè)試不符合相關(guān)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(shù)的顯微鏡下進(jìn)行目測(cè)。接著使用全自動(dòng)分類(lèi)機(jī)根據(jù)不同的電壓，波長(zhǎng)，亮度的預(yù)測(cè)參數(shù)對(duì)芯片進(jìn)行全自動(dòng)化挑選、測(cè)試和分類(lèi)。最后對(duì)LED芯片進(jìn)行檢查（VC）和貼標(biāo)簽。芯片區(qū)域要在藍(lán)膜的中心，藍(lán)膜上最多有5000粒芯片，但必須保證每張藍(lán)膜上芯片的數(shù)量不得少于1000粒，芯片類(lèi)型、批號(hào)、數(shù)量和光電測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄在標(biāo)簽上，附在蠟光紙的背面。藍(lán)膜上的芯片將做最后的目檢測(cè)試與第一次目檢標(biāo)準(zhǔn)相同，確保芯片排列整齊和質(zhì)量合格。這樣就制成LED芯片（目前市場(chǎng)上統(tǒng)稱(chēng)方片）。在LED芯片制作過(guò)程中，把一些有缺陷的或者電極有磨損的芯片，分撿出來(lái)，這些就是后面的散晶，此時(shí)在藍(lán)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(shuō)是五花八門(mén)，主要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用相應(yīng)的外形尺寸，散熱對(duì)策和出光效果。按封裝形式分類(lèi)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(yàn)：看材料表面是否有機(jī)械損傷及麻點(diǎn)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(kuò)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(kuò)片機(jī)對(duì)黏結(jié)芯片的膜進(jìn)行擴(kuò)張，把LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。（3）點(diǎn)膠：在led支架的相應(yīng)位置點(diǎn)上銀膠或絕緣膠。（4）備膠：和點(diǎn)膠相反，備膠是用備膠機(jī)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(kuò)張后LED芯片(備膠或未備膠)安置在刺片臺(tái)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(gè)一個(gè)刺到相應(yīng)的位置上。（6）自動(dòng)裝架：自動(dòng)裝架其實(shí)是結(jié)合了沾膠(點(diǎn)膠)和安裝芯片兩大步驟，先在led支架上點(diǎn)上銀膠(絕緣膠)，然后用真空吸嘴將led芯片吸起移動(dòng)位置，再安置在相應(yīng)的支架位置上。（7)燒結(jié)：燒結(jié)的目的是使銀膠固化，燒結(jié)要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，防止批次性不良。銀膠燒結(jié)的溫度一般控制在150℃，燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)。(8)壓焊：壓焊的目的將電極引到led芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線(xiàn)的連接工作。壓焊是LED封裝技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝上主要需要監(jiān)控的是壓焊金絲(鋁絲)拱絲形狀，焊點(diǎn)形狀，拉力。①點(diǎn)膠封裝：LED的封裝主要有點(diǎn)膠、灌封、模壓三種。手動(dòng)點(diǎn)膠封裝對(duì)操作水平要求很高(特別是白光LED)，主要難點(diǎn)是對(duì)點(diǎn)膠量的控制，因?yàn)榄h(huán)氧在使用過(guò)程中會(huì)變稠。白光LED的點(diǎn)膠還存在熒光粉沉淀導(dǎo)致出光色差的問(wèn)題。②灌膠封裝：Lamp-led的封裝采用灌封的形式。灌封的過(guò)程是先在led成型模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧，然后插入壓焊好的led支架，放入烘箱讓環(huán)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(jī)合模并抽真空，將固態(tài)環(huán)氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中，環(huán)氧順著膠道進(jìn)入各個(gè)led成型槽中并固化。④固化與后固化：固化是指封裝環(huán)氧的固化，一般環(huán)氧固化條件在135℃，1小時(shí)。模壓封裝一般在150℃，4分鐘。m、后固化：后固化是為了讓環(huán)氧充分固化，同時(shí)對(duì)led進(jìn)行熱老化。后固化對(duì)于提高環(huán)氧與支架(PCB)的粘接強(qiáng)度非常重要。一般條件為120℃，4小時(shí)。⑤切筋和劃片：由于led在生產(chǎn)中是連在一起的(不是單個(gè))，Lamp封裝led采用切筋切斷l(xiāng)ed支架的連筋。SMD-led則是在一片PCB板上，需要?jiǎng)澠瑱C(jī)來(lái)完成分離工作。⑥測(cè)試：測(cè)試led的光電參數(shù)、檢驗(yàn)外形尺寸，同時(shí)根據(jù)客戶(hù)要求對(duì)LED產(chǎn)品進(jìn)行分選。⑦包裝：將成品進(jìn)行計(jì)數(shù)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(yōu)缺點(diǎn)

LED燈和白熾燈及熒光燈相比，LED照明發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、電壓低、安全性高、牢固和耐震動(dòng)沖擊等特點(diǎn)，同時(shí)體積小、重量輕，響應(yīng)時(shí)間更短，色彩豐富可調(diào)，并且非常環(huán)保沒(méi)有污染，表1為幾種照明方式的效能對(duì)比。

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

隨著發(fā)光效率和生產(chǎn)效率的快速提高,同樣亮度的 LED 燈未來(lái)幾年內(nèi)總成本將快速下降，預(yù)計(jì)到 2012 年左右，LED燈將在成本上可望和熒光燈一競(jìng)高低。表3 為未來(lái)幾年 LED燈和熒光燈的對(duì)比消長(zhǎng)。

表3 近年來(lái)LED燈和熒光燈的對(duì)比消長(zhǎng)（單位：元）

5、結(jié)論與展望

圖4 使用LED照明的“水立方”和“鳥(niǎo)巢”

圖5 LED路燈

表1 幾種照明方式的效能對(duì)比

表2 白熾燈、熒光燈、LED燈使用10000小時(shí)成本對(duì)比

我國(guó)半導(dǎo)體照明應(yīng)用漸漸走在了世界的前列，隨著國(guó)家和地方政府的政策鼓勵(lì)，許多地方在室外照明如：路燈、景觀(guān)照明等；室內(nèi)照明如：體育館、地鐵、地下車(chē)庫(kù)、博物館；特殊場(chǎng)合照明：如低溫照明、礦燈照明、汽車(chē)燈等方面應(yīng)用廣泛，圖4為采用LED燈照明的“水立方”和“鳥(niǎo)巢”，圖5為L(zhǎng)ED路燈。 從目前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，LED進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)室內(nèi)照明是一個(gè)必然的過(guò)程。合理有效的政府組織，加上我國(guó)相關(guān)科研能力和企業(yè)基礎(chǔ)，我們完全有信心實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。家居照明如果普遍采用LED照明工具，節(jié)能減排的效果必定十分明顯。

[1]關(guān)于加強(qiáng)國(guó)家科普能力建設(shè)的若干意見(jiàn), 2007.1.26

[2]國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)2006.2

[3]劉新福，蔣石梅，戰(zhàn)英民.宋敏茹高校作為科普教育基地如何承擔(dān)科普重任[J]天津:河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)[J],2000.9:12～15

[4]權(quán)福軍.青少年科學(xué)素養(yǎng)問(wèn)題與對(duì)策[J].南寧.廣西青年干部學(xué)院學(xué)報(bào),2001. 6:78～90

[5]2010年中國(guó)照明光源行業(yè)研究報(bào)告.中國(guó)報(bào)告咨詢(xún)網(wǎng),2011.3

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.015

劉佐濂（1970.12－），男，廣州大學(xué)副教授，主要從事光電檢測(cè)研究，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品應(yīng)用推廣宣傳。