LED灯珠性能特点及选择应用

杜 彬，史建卫，王玲，万超

(1. 中国电器科学研究院有限公司，广东 广州510300；2. 深圳市艾贝特电子科技有限公司，广东 深圳518103)

LED 是由Ⅲ-Ⅳ族化合物等半导体制成，其核心是PN 结，它具有一般P-N 结的I-N 特性，即正向导通反向截止，击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性，在正流子一部分与多数载流子复合而发光，由红色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝色及橙色光等组成，见图1。

1 LED 相关性能参数

LED 具备PN 结型器件的电学特性（包括I-V 特性、C-V 特性等）、光学特性（光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性等）和热学特性。

图1 LED RGB 三色

1.1 I-V 特性

I-V 特性表征LED 芯片PN 结制备性能主要参数，具有非线性、整流性质，单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。当V＞VF的正向工作区，IF随VF指数上升；当V =-VR= -5 V 时，GaP IF为0，GaN IF为10 μA；当V＜-VR反向击穿区，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED 的反向击穿电压VR也不同。

图2 LED I-V 特性曲线

1.2 C-V 特性

小功率LED 芯片尺寸主要有228.6 μm×228.6 μm、254.0 μm ×254.0 μm、279.4 μm ×279.4 μm 及304.8 μm×304.8 μm 四种规格，故PN结面积大小不一，使其结电容（零偏压）为势垒电容Cb与扩散电容Cd之和，即PN 结的结电容Cj=Cb+Cd≈n+pf 左右，C-V 特性呈二次函数关系，图3 为1 MHz 交流信号用C-V 特性测试仪测得。

1.3 极限功耗Pm

图3 LED C-V 特性曲线

LED 正常工作于正偏置状态，正向电流流过，电场做功一部分转化为光能，还有相当一部分转化成热能，引起PN 结发热使结温上升。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj> Ta时，内部热量借助管座向外传热，耗散功率可表示为P=UF×IF=KT(Tj- Ta)。当结温上升到达其最大允许值Pm时，LED 的耗散功率就不允许再增加了，这时的功率就是极限功耗。实际上结温受发热与散热两个因素的影响，耗散功率的增加使结温上升，而环境温度的降低有利于散热使结温降低。因此，Pm在不同环境温度情况下有不同值。20～25 ℃环境温度范围内，Pm是一常数；当环境温度超过25 ℃时，随温度的上升，Pm明显下降，直至85 ℃环境温度达到最大允许结温。

1.4 极限工作电流IFm

极限工作电流是由极限功耗而引起的参数。当LED 处于正偏置时，其正向电压的变化很小，引起耗散功率增加的原因是正向电流的增加。因此，对耗散功率的限制就可以转化为对正向电流的限制。根据电路关系可知正向电流的限制值IFm有与Pm类似的随环境温度变化而变化的规律。

1.5 响应时间

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。现有几种显示：LCD 约1×10-3～1×10-5s，CRT、PDP、LED 都达到1×10-6～1×10-7s（μs 级）。

响应时间从使用角度看是LED 点亮与熄灭所延迟的时间，即图4 中tr、tf，图中t0值很小，可忽略。响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。点亮时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 熄灭时间tf是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。不同材料制得的LED 响应时间各不相同，如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间均<1×10-9s，GaP 为1×10-7s。因此它们可用在10～100 MHz 高频系统。

图4 LED 响应时间

1.6 光通量F

光通量F 是表征LED 总的输出光并被人眼感知的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F 为LED 向各方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED 光通量随之增大。可见光LED 的光通量单位为流明（lm）。

LED 向外辐射的功率，即光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。目前单色LED 的光通量最大约1 lm，白光LED 的F ≈1.5～1.8 lm（小芯片），对于1 mm×1 mm 的功率级芯片制成白光LED，其F=18 lm。

1.7 发光法向光强及其角分布

发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能，是指单色光源（波长555 nm）在给定方向（该方向上辐射强度为1/683 W/sr）上的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向上的光强度。该量的符号为I，单位为坎德拉（cd），其他单位有烛光，支光。LED 发光强度小，所以发光强度常用mcd 作单位，1 cd=1 000 mcd。

LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ 角度时，光强也随之变化。图5 为发光强度的角分布I-θ，描述LED 发光在空间各个方向上光强分布。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向，当发光强度值降为一半时，其方向与发光轴向的夹角，称为半值角或半功率角，半值角的2 倍为视角。半值角是考核封装效果的指标之一，主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）。为获得高指向性的角分布，一般要求：LED 管芯位置离模粒头远些；使用圆锥状即子弹头模粒头；封装的环氧树脂中勿加散射剂。常见几种封装，椭圆型水平/垂直方向上的半值角有90°/50°、105°/55°；正圆型半值角有15°（高指向型）、30°（标准型） 和50°（散射型）；表贴型半值角为120°。

图5 发光方向及其角分布I-θ

1.8 发光亮度（灰度）L

亮度是LED 发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度Bo=Io/A，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，用L 表示，单位为cd/m2。

若光源表面是理想漫反射面，亮度B0与方向无关为常数。从地面看太阳表面亮度约为14×108cd/m2，晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为7 000 cd/m2，室外LED 显示屏须达到4 000 cd/m2以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果，普通室内LED 最大亮度在700～2 000 cd/m2。

LED 亮度与外加电流密度有关，如图6 所示，一般J0（电流密度）增加B0（亮度）也近似增大。另外，亮度还与环境温度有关，环境温度升高，ηc（复合效率）下降，B0减小。当环境温度不变，电流增大足以引起PN 结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。

图6 LED 亮度与外加电流密度关系

1.9 照度E

照度是光通量与被照面之比值，单位为勒克斯（lx），1 lx 之照度为1 lm 之光通量均匀分布在面积为1 平方米之区域。夏季阳光强烈的中午地面照度约5 000 lx，冬天晴天时地面照度约为2 000 lx，晴朗的月夜地面照度约0.2 lx。

有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度，例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。生活中的照度，一般黑夜0.001～0.02 lx，月夜0.02～0.3 lx，阴天室内5～50 lx，阴天室外50～500 lx，晴天室内100～1 000 lx，夏季中午太阳光下约为1×109 lx，阅读书刊时所需50～60 lx，家用摄像机标准为1 400 lx。

多照明下，平均照度Eav=(光源光通量)×(CU)×(MF)÷照射区域面积=（准xNxCUxMK）÷A，其中Eav为平均照度，准为光通量，CU为利用系数，一般室内取0.4，室外取0.3，MK为维护系数，一般取0.7～0.8，N 为灯具数量，A 为面积，单位为m2。

一般主动发光体采用发光强度单位烛光CD，如白炽灯、LED 等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明lm，如LCD 投影机等；而照度单位勒克司lx，一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。比如：如果说一部LCD 投影机的亮度（光通量）为1 600 lx，其投影到全反射屏幕的尺寸为1 m2（60英寸），则其照度为1 600 lx，假设其出光口距光源1 cm，出光口面积为1cm2，则出光口的发光强度为1 600CD，而真正的LCD 投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜损耗、光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50%的效率就很好了。

1.10 发光效率和视觉灵敏度

LED 效率有内部效率（PN 结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率），前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性。

1.10.1 发光效率

LED 光电最重要特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即发光效率。量子效率η=发射的光子数/PN 结载流子数=(e/hcI)∫λPλdλ。若输入能量为W=UI，则发光能量效率ηP=P/W；若光子能量hc=ev，则η≈ηP，则总光通F =(F/P)P=KηPW，式中K=F/P。

1.10.2 视觉灵敏度

使用照明与光度学中的一些参量。人的视觉灵敏度在λ=555 nm 处有一个最大值680 lm/W。若视觉灵敏度记为Kλ，则发光能量P 与可见光通量F 之间关系为P=∫Pλdλ，F=∫KλPλdλ。

1.10.3 流明效率

LED 的光通量F/外加耗电功率W=KηP。它是评价具有外封装LED 特性，LED 的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。表1 为几种常见LED 流明效率（可见光发光效率）。

品质优良的LED 要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED 向外发光仅是内部发光的一部分，总发光效率应为：η=ηiηcηe，式中ηi向为P、N 结区少子注入效率，ηc为在势垒区少子与多子复合效率，ηe为外部出光（光取出效率）效率。见表1。

表1 常见LED 流明效率

由于LED 材料折射率很高ηi≈3.6，当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为(n1-1)2/(n1+1)2 =0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。为了进一步提高外部出光效率，ηe可采取以下措施：

（1）用折射率较高的透明材料（环氧树脂n =1.55 并不理想）覆盖在芯片表面；

（2）把芯片晶体表面加工成半球形；

（3）用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。

有人曾经用n= 2.4～2.6 的低熔点玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且热塑性大的材料作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs 的LED 效率提高4～6 倍。

1.11 显色性

原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。光源对物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做“显色指数”（Ra）。显色性是指事物的真实颜色（其自身色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra 值的确定，是将DIN6169 标准中定义的8 种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。Ra 值为100 的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。

1.12 色温

色温单位开尔文（K），指当光源所发出的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体”的温度就称为该光源的色温，且温度越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。例如，白炽灯的光色是暖白色，其色温表示为2 700 K，而日光色荧光灯的色温表示方法则是6 000 K。

1.13 发光峰值波长及其光谱分布

LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、峰值波长、谱线宽度等相关色度学参数亦随之而定。

1.13.1 主波长

有的LED 发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长，甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED 色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED 发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。如GaP 材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED 长期工作，结温升高而主波长偏向长波。一般情况下发光波长随温度变化为0.2～0.3 nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。

1.13.2 峰值波长

无论什么材料制成的LED，都有一相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。

1.13.3 谱线宽度

在LED 谱线的峰值两侧±Δλ 处，存在两个光强等于峰值一半的点，此两点分别对应λp- Δλ，λp+Δλ 之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即LED 单色性的参数，LED 半宽小于40 nm。

LED 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及PN 结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。图7 绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED 光谱响应曲线，其中LED 光谱分布曲线中，1 为蓝光In-GaN/GaN LED，发光谱峰λp=460～465 nm；2 为绿光GaP:N LED，发光谱峰λp=550 nm；3 为红光GaP:Zn-O LED，发光谱峰λp=680～700 nm；4 为红外GaAs 光敏光电管，发光谱峰λp=910 nm；5 为Si光电二极管，通常作光电接收用，6 为标准钨丝灯。

图7 LED 光谱分布曲线

1.14.4 热学特性

LED 的光学参数与PN 结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF<10 mA 或者10～20 mA时，长时间连续点亮LED 温升不明显。若环境温度较高，LED 的主波长或λp就会向长波长漂移，Bo也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED 的可靠性、稳定性影响很大，应专门设计散射通风装置。

LED 的主波长随温度关系可表示为λp(T')=λ0(T0)+ΔTg×0.1 nm/℃，每当结温升高10 ℃，则波长向长波漂移1 nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度设计，尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED 长期工作。

除此之外，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20 mA 左右。

1.15.1 寿命

LED 发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象为老化，如图8 所示。器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为Bt=Bo×e-t/τ，其中Bt为t 时间后的亮度，Bo为初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2Bo所经历的时间t 称为二极管的寿命。测定t 要花很长的时间，通常以推算求得寿命。测量方法为给LED 通以一定恒流源，点燃1×103～1×104h 后，先后测得Bo、Bt= 1 000～10 000，代入计算式求出τ；再把Bt=1/2Bo代入，可求出寿命t。

图8 LED 发光亮度与时间变化关系

长期以来认为LED 寿命为1×106 h，这是指单个LED 在IF=20 mA 下。随着功率型LED 开发应用，国外学者认为以LED 的光衰减百分比数值作为寿命依据。如LED 的光衰减为原来35%，寿命>6 000 h。国内行业通常用光衰至70%所需的时间来定义LED 光源的寿命，即L70。大功率LED 发热量更大，光衰会让亮度不断降低，所以要求远离发热源并要求表面温度控制在60 ℃以内，一旦降到原来亮度的50%以下就不可用。LED 随着电流的增加和温度的升高，它的使用寿命会成某个曲线下降，特别是反向漏电流会随温度升高，漏电会明显增加，导致LED 寿命衰减很快。

2 LED 光源特点

以照明为例，LED 照明灯在能耗、可靠性及寿命均优于传统灯，详见表2。作为第三代半导体照明光源，LED 光源有很多优点。

（1）光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到80%～90%。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%～20%。

（2）光线质量高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。

表2 LED 灯与传统灯性能对比

（3）能耗小：小功率LED 一般在0.05 W 左右，以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/10。

（4）响应时间短：白炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级；

（5）寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10 万h。一个半导体灯正常情况下可以使用50年，即使长命百岁的人，一生最多也就用2 只灯。

（6）适用性强：每个单元LED 小片是3～5 mm的正方形，可制备成各种形状的器件，且适合于易变的环境。

（7）可靠耐用：没有钨丝、玻壳等易损部件，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。

（8）安全：单位工作电压大致在3 V 左右，工作电流在20 mA 左右。

（9）绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯一样含有汞成分。

LED 光源的缺点：

（1）单向性：LED 光源具有单向性，只能照亮一个方向，相比传统点光源投射出照亮一个空间不容易，暂时更适合用作道路灯或手电。

（2）单个功率低：市面上的单体LED 功率一般在5 W 以下，还没有出现更大功率的LED，这是目前LED 难以成为照明首选的最大瓶颈。

（3）价格高：价格是LED 难以成为照明的主要因素，目前单体黄色LED 大约0.6 元/ 个，绿色与蓝色单体LED 在1.8 元/ 个左右，白色LED 的价格达到了2.2～5.5 元/ 个；如果将几十个单体LED 组合，其成本将大大增加。

（4）显色指数低：在LED 照射下显示的颜色没有白炽灯真实。

（5） 需严格控制温度：LED 是一种半导体材料，具有PN 结，由于高亮二极管的功率相对比较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，结温过高会直接影响LED 的寿命，并且会增大LED 光衰，情况严重的会将LED 烧坏。

3 LED 分类及选用

3.1 LED 的分类

3.1.1 按发光颜色分

主要包括红色、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。现在还没有直接可以发白光的商用化芯片，一般采用蓝光芯片激发荧光粉产生白光的方式实现。

3.1.2 按封装方式及出光面特征分

按照封装方式，LED 封装主要有直插封装、表面贴装、扁平封装（食人鱼）及模塑灌封（大功率）几类。直插封装又包括方型、圆形、矩形、椭圆形，圆形封装按直径又包括准2 mm、准3 mm、准4.4 mm、准5 mm、准8 mm、准10 mm、准12 mm 及准20 mm，国外通常把准3 mm 的发光二极管记作T-1，把 准4.4 mm 的记作T-1（1/4），把 准5 mm 的记作T-1（3/4）。表面贴装又包括Hi-Power、Top View、Side View 等。

3.1.3 按发光二极管支架及透镜材料分

支架材料包括全环氧封装（LCP/PPA）、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。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；陶瓷底座环氧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。透镜材料主要包括硅胶、PMMA、PC 及玻璃透镜四大类。

3.1.4 按发光管透镜胶色分

根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂，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。散射型发光二极管可做指示灯用。

3.2 LED 灯珠的选择

LED 芯片发光必须由外界通入电流，因此一般会把尺寸很小的芯片黏贴在特定的支架上（或称导线架）并以金属线或焊锡等材料连接芯片正负两极，后用高分子材料包覆，即为封装制程，后成为常见的颗颗LED 灯珠。在实际应用时，还会视所需把数颗LED 灯珠组装成模组，再与其它功能模组组合成终端产品。

好的产品，对于LED 灯珠的选择非常重要，可从以下几个方面去考虑。

3.2.1 LED 芯片尺寸考虑的指标

大功率LED 的芯片尺寸主要有609.6 μm，965.2 μm，1143.0 μm 和1397.0 μm 等 四 种 规格，350 mA 灯珠多使用965.2 μm 尺寸的芯片，700 mA 灯珠多使用1143.0 μm 或1397.0 μm 尺寸的芯片。一般来说芯片尺寸越大，电性效果越好，稳定性高，亮度可以做得越高，能应用的场合越高端，相应的价格越贵。1143.0 μm 方片1 W能做到110～120 lm，还可做到3 W（160～180 lm）；965.2 μm 方片1 W 可做 到90～100 lm，但以80～90 lm 为主，室内照明多选择965.2 μm，但高端应用多选择1143.0 μm ；609.6 μm 方片1 W 能做到70～80 lm，但实际上60 lm 比较合适，亮度太高，容易死灯，烧坏。若使用小芯片封装LED灯珠，但规格标识为较大的额定电流，以达到提高额定功率，这种情况会造成LED 灯珠的光衰比较严重。

3.2.2 LED 灯珠的散热结构分析

LED 支架热沉不同，主要是指芯片到铝基板的散热通道，有铜、铁、陶瓷、塑料、玻璃等材质，需要认真研究LED 灯珠的导热结构。LED 灯珠的传热是一个热传导的过程，先经过芯片传导到热沉，再由热沉传导到铝基板，陶瓷基板热沉的热阻可做到6 ℃/W，有的甚至更低；而塑料材质的热沉导热能力相对比较差，如常用的3528 封装的灯珠，散热问题是比较难处理的；又如很多插件的LED 灯珠使用的是铁材质的管脚，导热能力就更差，光衰非常严重。目前很难用仪器直接测量LED 结温，基本上是测量铝基板的温度，再用热阻推算出LED 结温，所以LED 灯珠的热阻值非常重要。

典型的传统LED 安置在能承受0.1 W 输入功率的包封内，其90%的热量是由负极的引脚支架散发至PCB，再散发到空气中。常规准5 mm 型LED 封装是将边长0.25 mm 的正方形管芯粘结或烧结在引线支架上，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。

3.2.3 LED 灯珠的一次光学透镜材质分析

目前透镜材料有硅胶、PMMC、PC 及玻璃等材质，硅胶透镜可以进行SMT 加工，可适合大批量生产，抗老化能力也比另外两种材质强，但LED 灯珠的成本相对另外两种材质会高10%左右。PMMC、PC 透镜不可进行SMT 加工，会造成透镜脱落现象。值得注意的是，PMMC、PC 等硬材质透镜的LED 灯珠，不可以让灯珠在成品灯具里受力，不可以把LED 灯珠的透镜作为定位用，所以不能因为结构定位问题去选择PMMC 或PC 材质透镜的LED 灯珠。

3.2.4 防护等级（IP）

防护等级是指防止尘埃等固体异物触及或沉积在灯具带电部件上引起危险，也为了防止雨水进入灯具内造成危险的保护级别。I、P 分别代表防尘、防水，IP 后面的数字代表防护的级别高低，分别是0-6、0-8，如IP65 表示尘密、防喷水。

3.2.5 LED 灯珠光电参数的选择

LED 灯珠的光电参数主要包括光效、光通量、发光强度、波长、显色指数、色温、色坐标、电压等。光效是一个很重要的参数，等于光通量除以功率，若在电流恒定的情况下（如350 mA），电压与光效就有绝对关系，选一颗100～110 lm（假设为105 lm）的LED 灯珠，供应商分BIN 的电压范围有3.0～3.2 V、3.2～3.4 V、3.4～3.6 V 电压的LED 灯珠，可得出3.0 V 电压的LED 灯珠光效为105/3×0.35=100 lm/W，而3.6 V 电压的LED 灯珠光效为105/3.6×0.35=83 lm/W，两者光效相差17 lm/W，从灯珠的光效来讲，低电压的灯珠可以达到提高整灯光效的目的。有些封装厂家，采用降低显色指数或偏移色坐标的办法来实现提高光通量的目的，实际应用过程中，常发现相同色温的LED 灯珠，肉眼看到的颜色不一致，特别是6 000 K 色温的LED，有的看起来偏绿色，此时检查LED 色品图，其色温坐标位置基本上偏离6 000 K 色温黑体轨迹较远，对于这类高光通量的灯珠，就需要评估是否能够满足客户的需求。显色指数也是相关标准的重要指标，若只追求高的光通量，显色指数是达不到标准的。

3.2.6 对LED 封装供应商进行验厂

因为LED 对ESD、MSD 有较高的要求，所以除了常规ISO 流程验厂之外，还要特别注意LED封装车间的环境状况，一般情况生产车间的湿度是50%～70%，LED 芯片抗静电大约为2 000 V，封装LED 灯珠的车间一定要做好防静电处理。

3.2.7 与LED 封装厂家技术人员交流技术问题

必须与LED 封装厂家的技术负责人进行技术交流，技术人员的能力水平，直接影响其产品的可靠性，LED 封装厂家的技术人员一定要懂得如何选择支架、芯片、硅胶等材料；生产过程中如何控制荧光粉、胶水等用量及比例；LED 灯珠的热阻是如何得出的；此类问题都需要有一个符合逻辑的解答和相关的测试数据。

3.2.8 LED 灯珠老化测试

通过此项测试，可以对比评估不同品牌LED灯珠的寿命，LED 灯珠的寿命都很长，如何才能在短时间（如两个月以内）测试其光衰呢？一般封装厂家也会做光衰测试，但其测试条件（如散热条件，测试环境等）各不相同，无法在不同品牌之间对比光衰优劣，很难作为选择LED 灯珠的依据，这就需要成品厂家自身安排测试。一种简单实用的测试方法就是把LED 灯珠焊接在铝基板上，再把铝基板贴在一个散热器上，用恒流源点亮，定期测试其光通量，计算出光衰。

测试必须注意以下问题：

（1）恒流源供电，测试电流必须一样，避免LED 驱动电流不一致的干扰。

（2）散热器结构、质量、材质必须是一样的，体积不宜过大或过小，如350 mA 电流的LED 灯珠，使用20 g 到30 g 的铝材进行散热较为合适，若散热器太大，会延长老化时间，若太小的散热器会使灯珠芯片的温度过高（如结温超过125 ℃），会造成芯片不可复原的损伤，达不到测试的目的。

(3)使用的电流要比灯珠供应商推荐的电流大1.5 倍，如推荐350 mA 电流的灯珠，要使用500 mA 电流进行老化测试，目的是缩短测试时间。

(4)控制测试的环境温度、湿度，注意测试的架上不能有流动的空气。

(5)铝基板、导热硅脂等要一致。

测试灯珠的初始光通量，接下来每一个周测试一次光通量，注意色坐标、显色指数等指标的变化是否在规定值以内，若发现光电参数中某些值发生变化，则要检查其是否能满足标准规定的要求。LED 灯具厂家积累这些测试数据，作为选择LED 灯珠的重要依据。

3.2.9 成品老化测试

由于LED 灯珠在不同的条件下（如LED 芯片抗电流还是抗温度冲击的耐受能力有所不同），光衰情况会有不一样，故成品光衰测试非常有必要，测试的目的是验证LED 灯珠在实际使用时的光衰情况，此测试是一个长期（通常大于6 000 h）的过程，为了方便记录，可以通过记录照度的方式来记录光衰情况。同时规定周期（如1 个月），测试其光电参数的变化情况。

3.2.10 芯片的品牌及选用

目前，可供LED 封装厂家选择的芯片主要有三类，如CREE 等欧美日品牌，晶元等台湾品牌，三安等大陆品牌。使用不同芯片封装的LED 灯珠成本也不同，而不同品牌的芯片是无法用肉眼来分别的，LED 封装厂家有可能出现使用小品牌芯片冒充知名品牌芯片的情况，对于LED 灯具厂家，需要与封装厂家建立良好的合作关系，考察其使用芯片的流程，保证购买到的是合同规定的芯片封装的LED 灯珠。

LED 灯珠的成本很大程度影响到了成品灯具的价格。目前市面上低价位的灯珠一般选择609.6 μm 的方片、大圆片、毛片及散晶。大圆片芯片灯珠使用较多，相对方片来说便宜很多，此类好一些的芯片也能做到90～100 lm，但由于不像方片经过严格挑选，死灯、烧坏、光衰大及色差一致性不高的问题就比较多。毛片性能更差，具备了大圆片的不良外，其最大的不良就是什么颜色都有，不只是单纯的色差大，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。散晶是在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，即散晶。芯片类型选择优先顺序为正规方片、大圆片、毛片和散晶。

3.2.11 关于LED 专利的问题

对于成品灯出口的企业，必须了解销售市场的LED 专利问题，目前CREE、BRIDGELUX 等芯片厂家对某些大陆LED 封装厂家有专利授权，若要规避专利问题，就需要LED 封装厂家提供专利授权书，专利授权书包括：芯片专利和荧光粉专利。目前很多LED 灯珠供应商在口头上承诺专利没有问题，但在实际遇到专利案件时，专利问题还得要LED 灯具厂家处理。

3.3 大功率LED 灯珠的选择

大功率LED 市场前景被业界看好，但就目前来讲，产品缺少标准，质量层次不齐，选用LED 灯珠依然要冷静、科学地分析，选用性价比最好的LED 光源，其选择需要考虑晶片质量及大小、胶体、发光角度、波长、亮度、寿命、漏电电流以及抗静电能力（大于700 V 才能用于LED 灯饰）等。

每一种产品都会有不同的设计，不同的设计适用于不同的用途，LED 灯饰的可靠性设计方面包括电气安全、防火安全、适用环境安全、机械安全、健康安全、安全使用时间等因素。从电气安全角度看，应符合相关的国际、国家标准。由于LED是新产品，我国国家标准滞后，但提供产品合格的测试。具有国际安全认证（如GS、CE、UL 等）及国家产品质量合格证的LED 灯饰价格要高，因为这些产品在安全设计上是可靠的。消费者注意的是要认真鉴别证书的真伪，现有国际安全认证及国家产品合格证的厂家并不多。从健康角度看，采用无毒材料设计的产品价格要高，特别是室内LED灯饰。目前采用无毒材料设计的厂家并不多，辨别的方法可以直接用鼻子去分别，有臭味的要比无臭味的价格便宜。而类似铅、汞、镉等有毒成分则需专业人员分析。从适用环境安全角度看，有可靠的防尘防潮设计、材料防火、防紫外线、防低温开裂的LED 产品的价格要高。

3.4 LED 应用考虑因素

如作为仪器的指示灯，可能只有单个LED，只要正常点亮就行。但是作为照明、显示屏或背光源时，往往需要很多的LED 组合起来。这时要根据使用情况选用LED 多个器件组合在一起时，一般应考虑以下问题：

（1）作为显示屏使用的LED，因为视距较远，这时LED 的视角度要大，而且每个LED 的视角度要基本一致（相差在±3°以内），否则肉眼会看出亮度不一致。

（2）作为背光源使用的LED，在同样的距离时，要求光斑均匀，光斑大小要一样，并且LED 的角度要大，这样亮度才会均匀。

（3）在组合使用多个LED 光源时，必须考虑LED 在20 mA 工作电流下的正向压降是否相同。如果相同，可以使用并联驱动；如果不同，则使用串联驱动。

（4）在组合使用多个LED 光源时，还要考虑发光强度的均匀性。如果波长在500～600 nm 之间，发光强度相差几十毫坎[德拉]，肉眼可能会感觉亮度不均。

（5）在组合使用多个LED 光源时，也要注意每个LED 光源的波长。一般在500 ～600 nm 之间只要相差3 nm，肉眼就会观察出颜色不同，而其他波段可能在3 ～5 nm 就会察觉出颜色不同。

针对白光LED 光源组合使用时，必须注意色温均匀性和高显色指数的选用。但对于LED 产品，由于各个厂家的标准不一样，使用测试仪器所得出的结果也不一定都准确，因此此类参数仅供参考，不能作为一个标准。

3.4.1 色温均匀性

白光的色温范围为2 500～13 000 K。若色温相差太多的LED 组合在一起使用，那么视觉效果一定不好。一般情况下，当色温在10 000 K 以上时，每个LED 的色温相差可在1 000 K，人眼区分不出色温的不同。低色温（低于6 000 K 时）LED之间的色温相差不能大于500 K，这样的组合视觉效果好。

3.4.2 高显色指数

对用于商场、舞厅、剧场或显示颜色的白光LED 光源，一定要选用高显色指数。一般照明使用的显色指数都必须在80 以上，在上述场合使用的显色指数应当更高，最好大于90，否则在商场看到的物体颜色和太阳光下看到的物体颜色相差太大。

3.5 全彩显示屏专用LED 灯珠的选择

全彩LED 显示屏的关键部件是LED 灯珠。首先，其是全彩屏整机中使用数量最多的关键器件，每平方米会使用几千至几万只；其次，其决定整屏光学显示性能的主体，直接影响观众对显示屏的评价；最后，其在显示屏整体成本中所占比例最大，从30%至70%不等。LED 灯珠的选择已经决定了整个显示屏50%以上的质量。如果未能选择好的LED 灯珠，显示屏的其他部件再好也无法弥补显示屏质量的缺陷。

全彩LED 显示屏专用LED 灯珠的选择除上述11 项基本要素外，其品质和参数还需从以下5大要素考虑：

（1）失效率。全彩显示屏是由上万甚至几十万组红、绿、蓝三种LED 组成的像素点组成，任一颜色LED 灯珠的失效均会影响显示屏整体视觉效果。按行业经验，一般来说在LED 显示屏开始装配至老化72 h 出货前的失效率应不高于万分之三（指LED 灯珠本身原因引起的失效）。

（2）抗静电能力。LED 灯珠是半导体器件，对静电敏感，极易引致静电失效，故抗静电能力对显示屏的寿命至关重要。一般来说，LED 灯珠的人体静电模式测试失效电压不应低于2 000 V。

（3）衰减特性。红、绿、蓝LED 灯珠均具有随工作时间的增加而亮度衰减的特性。LED 芯片优劣、辅助物料好坏及封装工艺水平高低决定了LED 灯珠的衰减速度。一般来说，用于户外显示屏的LED灯珠，1 000 h、20 mA 常温点亮试验后，红色LED 的衰减应小于3%，蓝、绿色LED 的衰减应小于5%。红、绿、蓝衰减的一致性对全彩LED 显示屏日后的白平衡影响很大，进而影响显示屏的显示保真度。

（4）亮度。LED 灯珠亮度是显示屏亮度的重要决定因素。亮度越高，使用电流的余量越大，对节省耗电、保持LED 灯珠稳定有好处。LED 灯珠有不同角度值，在芯片亮度已定的情况下，角度越小，LED 发光越亮，但显示屏视角则越小。一般应选择100°的LED 以保证显示屏足够的视角。针对不同点间距和不同视距的显示屏，应在亮度、角度和价格上找到一个平衡点。

（5）一致性。全彩显示屏是由无数个红、绿、蓝LED 组成的像素拼合而成，每种颜色LED 灯珠亮度、波长的一致性决定了整个显示屏的亮度一致性、白平衡一致性、色度一致性。一般来说，显示屏厂家要求供应商提供5 nm 以内的波长范围及1∶1.3 亮度范围的LED 灯珠，这些指标可由器件供应商通过分光分色机进行分级达到。电压的一致性一般不做要求。

由于LED 发光是有角度的，故全彩LED 显示屏同样具有角度方向性，红、绿、蓝三种颜色LED 灯珠的角度一致性将严重影响不同角度白平衡的一致性，直接影响显示屏视频颜色的保真度，这就需要在封装透镜设计、原物料选择上严格进行科学设计，这取决于封装供应商的技术水平。LED 灯珠的角度一致性特性可用LED 角度综合测试仪测出，对于中、高档显示屏尤为重要。

4 结 论

LED 是一种能发光的半导体电子元件，用途也由初时作为指示灯、显示板等用途，逐步广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明方面。作为一种新型节能产品，其技术也在不断发展，芯片和封装不再沿袭传统的设计理念与制造生产模式，比如在增加芯片的光输出方面，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，而且通过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，改进光学性能等方面已经开始了研究。这种不断改进的技术为LED 产品的选择增加了一定的难度，使用者必须深入了解LED 产品性能和特点，才可进行合理选择应用。

LED 支架的作用及种类：

1）支架的作用：用来导电和支撑

2）支架的组成：支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。

3）支架的种类：聚光型（带杯支架）和大角度散光型的Lamp（平头支架）

支架结构方面，直插支架常用规格用途有，02做短脚的，03 做大角度红黄光的，04LD 做蓝白绿光的，也有A5、A6 白光的，A7、A8 大杯底的，06做平头的，09 做双色三色的等；贴片支架常用规格 有TOP VIEW 3528、5050、3020 和3014，SIDE VIEW 335、008、020 和 010 ，HIGH POWER TO220、LUXEON、1-7W 等，由于各自规格没有统一化，所以还有很多特殊的规格。详见下表。

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