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如何经由LED封装设计改善流明衰减

更新时间: 2019-01-05
阅读量:1572

根据Nadarajah Narendran和Keith Toomey的说法,在构装设计方面的改进,预期将可为以LED为基础的照明灯具延长至十万小时的寿命.

自电力照明被引介之后,在一世纪的期间,仅有两种型态的光源技术──白炽灯和电力放电──曾经共存过.标准的住宅照明灯泡是属于白炽光源的家族,而用于办公室直线式的荧光灯,及在街道上看到之钠灯,则是电力放电式家族的例子.而此刻,第三种型式的光源科技──发光二极管(Light Emitting Diode;LED),正在崭露头角并具有很好的前途.作为第一个固态照明的科技,LED有提供显著的能源节约和长寿命的潜力.这些因素已将一般照明社群吸引到这一个新的科技了.

LED做为有效率的光源
对大多数的人们,LED这个名词仅与经常在电子设备上所看到的小型指示灯相关,例如:收音机和遥控器.虽然LED是在1960年代后期开发出来的,而研究人员和开发者,却花费了近三十年制造用此一科技的白光.然而在此期间,有颜色的LED之强度显著地增加许多,允许它们被用在很多样的应用上.在 1990年代的后半期间,LED开始在交通号帜上取代了白炽灯.在此一应用方面,与其对应的白炽灯比较,LED已显示可节省超过80%以上所用的能源.如此大的能源节约可被实现,是因为传统的彩色的号帜,在白炽灯上须用光学的滤器.这些滤器吸收,并浪费了显著的由光源所产生的一部分的辐射能源.另一方面来 说,LED以一个狭窄波段来发光,因而可以有效率地产生彩色的光.

当LED在交通号帜上取代白炽灯时,它们不只是以能源效率来展露;事实上,一些制造商宣称他们的LED可维持十万小时.

当白光LED技术逐步进化时,产业界专家预期LED将可能使照明工业产生突破性的变革,包括:在照明的领域.听到这个后,一些早期的采用者很快地就创造了一种光源,使用5mm 白光LED数组包装在一个灯壳内.这些「LED灯泡」模仿标准的白炽灯泡,而且他们的制造者宣称,他们是较白炽灯更有能源效率的,而且像他们的彩色对手一样可持续十万小时.这导致许多人相信,白光LED是准备好去取代白炽灯了.

白光LED的寿命
然而,现实却无法实践初期的宣示.在2000年代初期,研究人员的发表显示,这些5mm 白光LED的光线输出下降地非常迅速.在仅约6000小时内,光线的输出下滑到其初始值的一半以下(Narendran et al. 2000 and 2001a).仅管有这项信息,以及许许多多的文章已显示,5mm的白光LED非常快地衰减,很多制造商仍继续宣称他们将可持续十万小时.另一篇最近的刊物显示,甚至于不同的彩色5mm LED,随着时间变化而不会以同样的方式衰减(Narendran et al. 2001b).这些LED是在一温度控制的房间中测试的,而他们是被装设在如<图一>所示的印刷电路板上.不同色彩之LED的光线输出之劣化,是显示在<图二>.红色LED的光线输出,是以较白光LED慢甚多的速率衰减,而绿光和蓝光 LED则以中等的速率衰减.LED是封装在一个与外界隔离的灯具中,在其中周遭的温度是较在温度控制的研究为高一些,而将遭受到更高的衰减速率.所以,所宣称的LED灯具,以包装的数组5 mmLED,白色或彩色的,其有十万小时寿命是骗人的.这些LED的确是可维持十万小时,但是他们的输出可能不够用于灯具的原定之应用了.五千小时之可用的寿命,对于5mm LED灯具来说可能是更为贴切的.

较新的LED封装
标准的5 mm LED封装原是被设计用在指示灯的应用,但是在操作时,他们的设计不允许自LED芯片,有足够之热传导以维持冷却.当芯片的温度升高时,这个装置会更快速地劣化.另一个问题是5mm 的白光LED,会使树脂黄化而减低了光线的输出,并且增加光线输出的劣化速率.然而乐观是有理由的;较新的高功率LED封装已被设计用在照明的应用了.这些高功率LED,每一装置产生十到二十倍更多的光通量,而与5 mm的封装相比更为有效.

此外,一份近期之刊物已显示,新高功率白光LED封装之流明的劣化,与5 mm封装相较已降低相当地多了(Narendran et al. 2001b).一些制造商经由适当地吸收热量,并将LED封装在不会随时间劣化的材料,似乎已解决了劣化的问题.即使是传统的光源,例如:白炽灯、卤素 灯、荧光灯和金属卤化物灯,均展现出在他们的操作寿命期间之光线输出衰减.<图三>显示不同的白色光源,其光线输出随时间变化的比较.高功率的LED有非常低的光线输出劣化,根据<图三>的初步数据,在装置的架构的进步,光线的吸收和散热已使得高功率LED能有所进展,它提供了改善的发光功效,并提高了照 度的维持度.

这些进步已使徥白光LED科技更有用于一般照明的应用的可能性了.假若LED工业能够维持这些进步的趋势,在未来的五至十年间,固态照明将可有明显的市场突破.

未来在照明的LED
以LED菜单现之改善,固态照明正吸引了更多由照明界来的注意力.一般照明的市场是很巨大的,但是突破那个市场将需要更高价的LED产品.制造商将必须继续致力于更长寿命的白光LED,并有着更高的功效、更高的照明通量和改善的颜色性质.照明研究中心(Lighting Research Center)现正在确认一些参数,其可以被改善以提供为人们可接受之有质量的照明.

使用LED的照明,对于建筑学上可能会有重要的冲击.试着想象一位建筑师,他可以自由地设计建筑,将全部的照明系统建于墙壁、天花板、甚致在地板里面.当照明用的LED可达到很长寿命时,换一个灯泡的杂务将被归类为一个博物馆中的展示项目了(注:很久才换一次).

新的照明产品变成建筑的一部分,对于这个产业将会需要一全新的方向,而这种改变可能不是容易的.现在由天花板上吊挂的灯具,或在墙壁上的均将会消失,虽然设计师可找到更有审美观取悦的方式来运用LED的科技,而不仅只是将LED隐藏在墙壁里面.制造商以及设计师和建筑师,将需要改变以跟上快速进化的 LED. (关于作者:Nadarajah Narendran 和 Keith Toomey 是在纽约Troy市的Rensselaer Polytechnic Institute之照明研究中心工作.)

LED显示器件发展简史和应用趋势概述
新型LED显示器件有功耗低、亮度高、寿命长、尺寸小等优点,本文从LED显示器件的发展简史开始,探讨了表面贴装LED、汽车应用中的LED和照明用LED的发展趋势,对于从事显示器件开发的中国工程师有一定参考价值.

全球第一款商用化发光二极管(LED)是在1965年用锗材料作成的,其单价为45美元.随后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用化LED.这些早期的红色LED每瓦大约能提供0.1流明(lumens)的输出光通量,比一般的60至100瓦白炽灯的15流明要低上100倍.

1968年,LED的研发取得了突破性进展,利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦,并且能够发出红光、橙光和黄色光.到1971,业界又推出了具有相同效率的GaP绿色裸片LED.

1972年开始有少量LED显示屏用于钟表和计算器.全球首款采用LED的手表最初还是在昂贵的珠宝商店出售的,其售价竟然高达2,100美元.几乎与此同时,惠普与德州仪器也推出了带7段红色LED显示屏的计算器.

到20世纪70年代,由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用,LED的价格直线下跌.事实上,LED是那个时代主打的数字与文字显示技术.然而在许多商用设备中,LED显示屏也逐渐受到了来自其它显示技术的激烈竞争,如液晶、等离子体和真空荧光管显示器.
这种竞争性激励LED制造商进一步拓展他们的产品类型,并积极寻求LED具有明显竞争优势的应用领域.此后LED开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯栅和条线图数组.数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长,从2位数字到3位甚至4位,从7段数字到能够显示复杂的文字与图案组合的14或16段数组.到1980年制造商开始提供智慧化的点阵LED显示屏.

80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED,它能以每瓦10流明的发光效率发出红光.这一技术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位安装停止灯(CHMSL)设备.1990年,业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术,这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍.

今天,最亮的材料应是透明基底AlInGaP.在1991年至2001年期间,材料技术、裸片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近20倍.

对高强度蓝光LED的不断研发产生了好几代亮度越来越高的器件.在1990年左右推出的基于碳化硅(SiC)裸片材料的LED效率大约是0.04流明/瓦,发出的光强度很少有超过15毫堪(millicandel)的.90年代中期的技术突破实现了第一个基于GaN的实用LED.现在还有许多公司在用不同的基底如蓝宝石和SiC生产GaN LED,这些LED能够发出绿光、蓝光或紫罗兰等颜色.高亮蓝色LED的发明使真彩广告显示屏的实现成为可能,这样的显示屏能够显示真彩、全运动的视频图像.

蓝光LED的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能量的蓝光部分地转换成其它颜色.将蓝光与转换磷的黄光整合在一起就能得到白光,而整合适当数量的蓝光与红橙磷(reddish orange phospher)则可以产生略带桃色或紫色的色彩.现在仅用LED光源就能完全覆盖CIE色度曲线中的所有饱和颜色,并且各种颜色LED与磷的有机整合几乎能够毫无限制地产生任何颜色.

在可靠性方面,LED的半衰期(即光输出量减少到最初值一半的时间)大概是1万到10万小时.相反,小型指示型白炽灯的半衰期(此处的半衰期指的是有一半数量的灯失效的时间)典型值是10万到数千小时不等,具体时间取决于灯的额定工作电流.

表面贴装LED
为了利用自动化组装技术降低制造成本,从20世纪80年代开始业界逐渐推广使用表面贴装器件(SMT),90年代这一技术得到了进一步强化.最初的SMT LED作为低功率器件被主要用于指示设备和手机键盘的照明,后来又开发出大功率的SMT器件用于汽车面板照明、刹车灯,并扩展用于专业和一般的照明设备.

蓝光LED的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能量的蓝光部分地转换成其它颜色.将蓝光与转换磷的黄光整合在一起就能得到白光,而整合适当数量的蓝光与红橙磷(reddish orange phospher)则可以产生略带桃色或紫色的色彩.现在仅用LED光源就能完全覆盖CIE色度曲线中的所有饱和颜色,并且各种颜色LED与磷的有机整合几乎能够毫无限制地产生任何颜色.

在可靠性方面,LED的半衰期(即光输出量减少到最初值一半的时间)大概是1万到10万小时.相反,小型指示型白炽灯的半衰期(此处的半衰期指的是有一半数量的灯失效的时间)典型值是10万到数千小时不等,具体时间取决于灯的额定工作电流.

表面贴装LED
为了利用自动化组装技术降低制造成本,从20世纪80年代开始业界逐渐推广使用表面贴装器件(SMT),90年代这一技术得到了进一步强化.最初的SMT LED作为低功率器件被主要用于指示设备和手机键盘的照明,后来又开发出大功率的SMT器件用于汽车面板照明、刹车灯,并扩展用于专业和一般的照明设备.

在汽车内外,照明设备中用得最多的还是白炽灯,但设计师与汽车制造商正在逐渐采纳LED,开始时LED可能只用于豪华型汽车,但慢慢会过渡到大多数汽车上.LED的最大卖点之一是具有很长的平均无故障工作时间(MTBF),LED照明器件的使用寿命一般都要超过汽车本身的寿命.

有很多种LED产品,其封装和器件适合仪表板、空调、收音机和电子开关等汽车内部照明设备使用.例如那些SMT器件就非常适合汽车仪表板使用.多用途的3mm和5mm注塑灯仍是汽车内部照明设备和外部照明设备的候选产品,目前这些器件已被广泛应用于中央高位安装停止灯(CHMSL)设备中.

对内部和外部照明设备来说,LED汽车灯装置与白炽灯装置的热设计有很大不同.这是因为白炽灯会产生相当大的热量,而白炽灯泡能承受这样的高温环境.LED灯数组所产生的热量一般要比白炽灯少,但LED灯的最大内部温度必须保持在推荐的上限范围以内才能保持LED的可靠工作,如果超出LED灯的最高结温,就可能由于环氧材料的膨胀而导致导线粘结剂或被抬高的LED裸片发生突发性故障.在湿度比较高的热循环或加强型热循环环境中,这些故障会显得尤其突出.

LED灯的最大内部结温受限于环氧封装材料的热膨胀特性.与汽车白炽信号灯设计相比,由于存在最大结温的限制,LED汽车信号灯设计必须认真考虑热设计问题.

用于照明的LED
传统LED灯中使用的芯片是0.25×0.25mm大小,而照明用的LED一般都要在1.0× 1.0mm以上.专注于结构化裸片成型的设计工作-台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计能够改善LED的发光效率,从而使芯片发出更多的光.

封装设计方面的革新包括将高传导率的金属块用作基底、倒装芯片设计和裸盘浇铸式引线框等,这些方法都能设计出可高功率、低热阻的器件,而且这些器件能比以前的器件照度更大.
目前一个典型的高光通量LED器件能够产生几流明到数十流明的光通量.更新的设计可以在一个器件中集成更多的LED,或者在单个组装件中安装多个器件,从而使输出的流明数相当于小型白炽灯.例如,一个高功率的12芯片单色LED器件能够输出200流明的光能量,所消耗的功率在10到15瓦之间.

LED已经被广泛应用于各种照明设备中,如电池供电的闪光灯、微型声控灯、安全照明灯、室内室外道路和楼梯照明灯以及建筑物与标记连续照明灯.

本文小结
随着时代的发展,我们将开发更多新的芯片级结构,以获得更好的光能提取以及幅性能.磷材料的开发与磷掺杂工艺的改进有望继续提高磷转换式彩色发光二极管的发光效率.在引线框、PCB和注模技术等基底设计方面的更深入研发有望进一步降低封装和材料的成本,从而降低LED器件每个流明的总体成本.