LED（發光二極管）的核心材質是半導體材料，其發光特性取決于不同半導體化合物的組合。以下是LED材質及其特性的詳細解析：
一、LED核心材質組成
1. 半導體芯片（發光核心）
- 材質類型：
- 砷化鎵（GaAs）：用于紅光和紅外光LED。
- 磷化鎵（GaP）：用于綠光和黃光LED。
- 氮化鎵（GaN）：用于藍光、白光和紫外光LED（需搭配熒光粉）。
- 銦鎵氮（InGaN）：調節藍光波長，用于高亮度LED。
- 特性：
- 直接帶隙半導體：電子躍遷時直接釋放光子，發光效率高。
- 摻雜工藝：通過摻雜（如Al、In、P）改變發光顏色和效率。
2. 封裝材料（保護與光學控制）
- 環氧樹脂：
- 特性：透光率高（約90%）、成本低，但耐高溫差（易黃化）。
- 應用：低功率LED（如指示燈）。
- 硅膠：
- 特性：耐高溫（-50°C~200°C）、抗紫外線、透光率≈95%，壽命更長。
- 應用：高亮度LED（如顯示屏、車燈）。
- 陶瓷基板：
- 特性：導熱性好（≥24 W/m·K），用于大功率LED散熱。
3. 熒光材料（白光LED關鍵）
- 材質：稀土元素（如YAG:Ce³⁺、氮化物熒光粉）。
- 作用：藍光LED激發熒光粉，混合成白光。
- 特性：決定色溫（2700K~6500K）和顯色指數（CRI＞80）。
4. 支架與電極
- 支架材質：
- 銅合金：導電和導熱性好，用于高功率LED。
- 陶瓷（Al₂O₃）：絕緣耐高溫，用于COB封裝。
- 電極：金線或銅線鍵合，確保電流穩定傳輸。
二、LED材質特性對比
| 材質類型 | 優點 | 缺點 | 典型應用 |
|---------------------|---------------------------|---------------------------|---------------------------|
| GaN（氮化鎵） | 高亮度、耐高溫 | 成本高、工藝復雜 | 藍光/白光LED、激光器 |
| GaAs（砷化鎵） | 紅外發光效率高 | 含砷元素（需環保處理） | 紅外傳感器、光通信 |
| 硅膠封裝 | 耐老化、抗紫外線 | 成本是環氧樹脂的2~3倍 | 戶外顯示屏、汽車大燈 |
| 陶瓷基板 | 散熱優異、壽命長 | 重量大、加工難度高 | 高功率LED模組、照明 |
三、材質對LED性能的影響
1. 發光效率：
- 半導體材料純度越高，電子-光子轉換效率越高（如GaN芯片效率＞30%）。
- 熒光粉激發效率影響白光LED的流明值（可達200 lm/W）。
2. 散熱能力：
- 硅膠封裝+陶瓷基板的組合可降低結溫（＜85°C），延長壽命至5萬小時以上。
3. 色彩一致性：
- 熒光粉均勻涂布工藝決定色差（ΔE＜3為合格）。
4. 環境適應性：
- 硅膠封裝抗UV、防潮，適合戶外LED屏（防護等級IP65）。
四、特殊場景材質選擇
1. 戶外顯示屏：
- 必選材質：硅膠封裝+銅支架+防水涂層，耐溫差（-40°C~85°C）。
2. Micro LED：
- 材質突破：氮化鎵微米級芯片+玻璃基板，實現超高分辨率。
3. 柔性屏：
- 材質創新：PI（聚酰亞胺）基板+可彎曲封裝膠，曲率半徑＜10mm。
五、環保與安全問題
- 含砷材料：需符合RoHS標準，廢棄LED需專業回收。
- 藍光危害：高色溫LED（＞6500K）需添加擴散膜，降低藍光峰值。
總結
LED的材質選擇直接決定其亮度、壽命、色彩和適用場景：
- 核心芯片：半導體化合物（GaN、GaAs等）定義發光顏色和效率；
- 封裝材料：硅膠＞環氧樹脂，兼顧透光與耐久性；
- 散熱設計：陶瓷基板+銅合金支架為高功率LED必備；
- 未來趨勢：氮化鎵（GaN）和新型熒光粉將持續突破性能極限。
