2022年怎样通过LED封装设计改善流明寿命.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 自电力照明被引介之后,在一世纪地期间个人资料整理仅限学习使用 ,仅有两种型态地光源技术 白炽灯和电力放电曾经共存过 .标准地住宅照明灯泡是属于白炽光源地家族 ,而用于办公室直线式地荧光灯 ,及在街道上看到之钠灯 ,就是电力放电式家族地例子 .而此刻 ,第三种型式地光源科技 发光二极管 Light Emitting Diode；LED, 正在崭露头角并具有很好地前途.作为第一个固态照明地科技 ,LED 有供应显著地能源节约和长寿命地潜力 .这些因素已将一般照明社群吸引到这一个 新 地 科 技 了 . LED 做 为 有 效 率 地 光 源对大多数

2、地人们 ,LED 这个名词仅与常常在电子设备上所看到地小型指示灯相关 ,例如 :收音机和遥控器 .虽然 LED 是在 1960岁月后期开发出来地 ,而讨论人员和开发者 ,却花费了近三十年制造用此一科技地白光 .然而在此期间 ,有颜色地 LED 之强度显著地增加很多 ,答应它们被用在很多样地应用上 .在 1990岁月地后半期间 ,LED 开头在交通号帜上取代了白炽灯 .在此一应用方面 ,与其对应地白炽灯比较 ,LED 已显示可节约超过 80%以上所用地能源 .如此大地能源节约可被实现 ,是由于传统地彩色地号帜 ,在白炽灯上须用光学地滤器 .这些滤器吸取 ,并浪费了显著地由光源所产生地一部分地辐射

3、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 地 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 地 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地变革 ,包括 : 在照明地领域 .听到这个后 , 一些早期地接受者很快地就制造了一种光源 , 使用 5mm 白光 LED 数组包装在一个灯壳内 .这些 LED 灯泡仿照标准地白炽灯泡 , 而且他们地制造者宣称 ,他们是较白炽灯更有能源效率地 ,

4、而且像他们地彩色对手一样可连续十万小时 .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 地 寿 命然而 ,现实却无法实践初期地宣示 .在 2000 岁月初期 , 讨论人员地发表显示 ,这些 5mm 白光LED 地光线输出下降地特别快速.在仅约 6000 小时内 ,光线地输出下滑到其初始值地一半以下Narendran et al. 2000 and 2001a. 仅管有这项信息 , 以及许很多多地文章已显示,5mm 地白光 LED 特别快地衰减 , 很多制造商仍连续宣称他们将可连续十万小时 .另一篇最近地刊物显示 ,甚至于不同地彩色

5、 5mm LED, 随着时间变化而不会以同样地方式衰减Narendran et al. 2001b. 这些 LED 是在一温度掌握地房间中测试地 ,而他们是被装设在如 所示地印刷电路板上 . 不同颜色之 LED 地光线输出之劣化 ,是显示在 .红色 LED 地光线输出 , 是以较白光 LED 慢甚多地速率衰减 , 而绿光和蓝光 LED 就以中等地速率衰减 .LED 是封装在一个与外界隔离地灯具中 ,在其中周遭地温度是较在温度掌握地研究为高一些 , 而将遭受到更高地衰减速率 . 所以 , 所宣称地 LED 灯具 , 以包装地数组 5 mmLED, 白色或彩色地 , 其有十万小时寿命是骗人地 .

6、这些 LED 地确是可维护十万小时 , 但是他们地输出可能不够用于灯具地原定之应用了 .五千小时之可用地寿命 , 对于 5mm LED灯 具 来 说 可 能 是 更 为 贴 切 地 . 1 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图二:20mA下,5mm个人资料整理仅限学习使用减情况封装LED衰较 新 地 LED 封 装标准地 5 mm LED 封装原是被设计用在指示灯地应用 ,但是在操作时 ,他们地设计不答应自LED 芯片 , 有足够之热传导以维护冷却 .当芯片地温度上升时 ,这个装置会更快速地劣化 . 另一个问

7、题是 5mm 地白光 LED, 会使树脂黄化而减低了光线地输出 ,并且增加光线输出地劣化速率 .然而乐观是有理由地；较新地高功率 LED 封装已被设计用在照明地应用了 .这些高功率 LED, 每一装置产生十到二十倍更多地光通量 ,而与 5 mm 地封装相比更为有效 . 此外 ,一份近期之刊物已显示 , 新高功率白光 LED 封装之流明地劣化 , 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取热量 , 并将 LED封装在不会随时间劣化地材料 ,好像已解决了劣化地问题 .即使是传统地光源 ,例如 : 白炽灯、卤素 灯、荧光灯和金属卤化

8、物灯 ,均呈现出在他们地操作寿命期间之光线输出衰减 . 显示不同地白色光源 ,其光线输出随时间变化地比较 . 高功率地 LED 有特别低地光线输出劣化 , 依据 地初步数据 , 在装置地架构地进步 , 光线地吸取和散热已使得高功率LED 能 有 所 进 展 , 它 提 供 了 改 善 地 发 光 功 效 , 并 提 高 了 照 度 地 维 持 度 . 2 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图三:白光光源个人资料整理仅限学习使用地比较在不同环境下这些进步已使徥白光LED 科技更有用于一般照明地应用地可能性了.

9、假如 LED 工业能够维持 这 些 进 步 地 趋 势 , 在 未 来 地 五 至 十 年 间 , 固 态 照 明 将 可 有 明 显 地 市 场 突 破 . 未来在照明地LED 以 LED 菜单现之改善 ,固态照明正吸引了更多由照明界来地留意力.一般照明地市场是很巨大地 ,但是突破那个市场将需要更高价地 LED 产品 .制造商将必需连续致力于更长寿命地白光 LED, 并有着更高地功效、更高地照明通量和改善地颜色性质 .照明讨论中心 Lighting Research Center 现正在确认一些参数 , 其可以被改善以供应为人们可接受之有质量地照明 . 使用 LED 地照明 ,对于建筑学上可

10、能会有重要地冲击 . 试着想象一位建筑师 , 他可以自由地设计建筑 ,将全部地照明系统建于墙壁、天花板、甚致在地板里面 .当照明用地 LED 可达到很长寿命时 ,换一个灯泡地杂务将被归类为一个博物馆中地呈现工程了 注: 很久才换一次 . 新地照明产品变成建筑地一部分 ,对于这个产业将会需要一全新地方向 ,而这种转变可能不是简单地 .现在由天花板上吊挂地灯具 , 或在墙壁上地均将会消逝 ,虽然设计师可找到更有审美观取悦地方式来运用 LED 地科技 ,而不仅只是将 LED 隐匿在墙壁里面 .制造商以及设计师和建筑师 , 将需要转变以跟上快速进化地 LED. 关于作者 :Nadarajah Nare

11、ndran 和Keith Toomey 是在纽约 Troy 市地 Rensselaer Polytechnic Institute 之照明讨论中心工 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 显示器件地发展简史开头 ,探讨了表面贴装发LED 、汽车应用中地LED 和照明用LED 地进展趋势 ,对于从事显示器件开地中国工程师有一定参考价值. 3 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使

12、用全球第一款商用化发光二极管 LED 是在 1965 年用锗材料作成地 ,其单价为 45 美元 .随后不久 Monsanto 和惠普公司也推出了用 GaAsP 材料制作地商用化 LED. 这些早期地红色LED 每瓦大约能供应 0.1 流明 lumens 地输出光通量 , 比一般地 60 至 100 瓦白炽灯地 15流 明 要 低 上 100 倍 . 1968 年,LED 地研发取得了突破性进展 , 利用氮掺杂工艺使 GaAsP 器件地效率达到了 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地 GaP 绿色 裸 片 LED. 1972 年开头有少量

13、 LED 显示屏用于钟表和运算器 .全球首款接受 LED 地手表最初仍是在昂贵地珠宝商店出售地 ,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 地 计 算 器 . 到20 世纪 70 岁月 ,由于 LED 器件在家庭与办公设备中地大量应用 ,LED 地价格直线下跌 . 事实上 ,LED 是那个时代主打地数字与文字显示技术 . 然而在很多商用设备中 ,LED 显示屏也逐渐 受 到 了 来 自 其 它 显 示 技 术 地 激 烈 竞 争 , 如 液 晶 、 等 离 子 体 和 真 空 荧 光 管 显 示 器 . 这种竞争性鼓励

14、 LED 制造商进一步拓展他们地产品类型 ,并积极寻求 LED 具有明显竞争优势地应用领域 . 此后 LED 开头应用于文字点阵显示器、背景图案用地灯栅和条线图数组 . 数字显示屏地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地文字与图案组合地 14 或16 段数组 .到1980 年制造商开头供应聪明化地点阵 LED 显示屏 . 80 岁月早期地重大技术突破是开发出了 AlGaAs LED, 它能以每瓦 10 流明地发光效率发出红光 .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心高位安装停止灯CHMSL 设备 .1990 年,业界又开发

15、出了能够供应相当于最好地红色器件性能地 AlInGaP技 术 , 这 比 当 时 标 准 地 GaAsP 器 件 性 能 要 高 出 10 倍 . 今日 ,最亮地材料应是透亮基底AlInGaP .在1991 年至 2001 年期间 ,材料技术、裸片尺寸和外 形 方 面 地 进 一 步 发 展 使 商 用 化 LED 地 光 通 量 提 高 了 将 近 20 倍 . 对高强度蓝光 LED 地不断研发产生了好几代亮度越来越高地器件 . 在1990 年左右推出地基于碳化硅 SiC 裸片材料地 LED 效率大约是 0.04 流明 / 瓦,发出地光强度很少有超过 15 毫堪millicandel 地.9

16、0 岁月中期地技术突破实现了第一个基于 GaN 地有用 LED. 现在仍有很多公司在用不同地基底如蓝宝石和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 地创造使真彩广告显示屏地实现成为可能频,这样地显示屏能. 够显示真彩、全运动地视图像蓝光 LED 地显现使人们仍能利用倒行转换地磷光材料将较高能量地蓝光部分地转换成其它颜色 .将蓝光与转换磷地黄光整合在一起就能得到白光, 而整合适当数量地蓝光与红橙磷reddish orange phospher 就可以产生略带桃色或紫色地颜色 .现在仅用 LED 光源就能完全掩盖 CIE 色度曲线中地全部饱和

17、颜色 ,并且各种颜色 LED 与磷地有机整合几乎能够毫 无 限 制 地 产 生 任 何 颜 色 . 在牢靠性方面 ,LED 地半衰期 即光输出量削减到最初值一半地时间 大致是 1 万到 10 万小时.相反 ,小型指示型白炽灯地半衰期 此处地半衰期指地是有一半数量地灯失效地时间 典4 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用型 值 是 10 万 到 数 千 小 时 不 等 , 具 体 时 间 取 决 于 灯 地 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,

18、 从20 世纪 80 岁月开头业界逐步推广使用表面贴装器件 SMT,90 岁月这一技术得到了进一步强化 . 最初地 SMT LED 作为低功率器件被主要用于指示设备和手机键盘地照明 ,后来又开发出大功率地 SMT 器件用于汽车面板照明、刹车 灯 , 并 扩 展 用 于 专 业 和 一 般 地 照 明 设 备 . SMT 是蜂窝 /PCS 电话机地主要技术要求 ,现在看来这一市场仍具有极大地进展潜力 .2001年全球手机地制造量大约有 3.8 亿部 , 据猜测今年地制造量将上升到 4.3 亿部 ,到2005 年将达到5.2 亿部 .一部手机平均要使用 10 个表贴型 LED, 也即意味着仅手机市

19、场对 LED 地需求就达 到 了 40 亿 个 . 手机功能地不断升级也进一步刺激了对更高性能LED 地需求 .准确说 ,手机设计人员需要多种多样地LED, 包括更高亮度地单色LED 器件、真彩LCD 显示屏 特殊是第 2.5 代和第 3 代手机地 LCD 背景光源用地白色LED 以及实现产品差异化所需地蓝色和紫罗兰色等特殊色LED. 同时 ,由于手机地复杂度越来越高 , 体积也越来越小 ,有更多地用户对 LED 提出了更薄更 小 外 形 包 装 地 要 求 . 特殊是越来越多地人期望高性能 LED 能供应 “ 芯片 LED ” 地表贴封装 , 即工业标准地1.6 0.8mm 外 形 尺 寸

20、. 话机制造商要求对 LED 地颜色与强度进行分类 ,以确保背景光源设备能与用户需求取得高度一样 .这样做能使 LED 特别适合用于背景光源设备 ,即 LCD 、按键、前面板、符号与键盘背 景 照 明 等 , 因 为 这 些 设 备 上 颜 色 与 光 强 度 地 和 谐 统 一 非 常 重 要 . 汽 车 应 用 中 地 LED 在汽车内外 ,照明设备中用得最多地仍是白炽灯 ,但设计师与汽车制造商正在逐步接受 LED,开头时 LED 可能只用于豪华型汽车 ,但渐渐会过渡到大多数汽车上 .LED 地最大卖点之一是具有很长地平均无故障工作时间 MTBF,LED 照明器件地使用寿命一般都要超过汽车

21、本身 地 寿 命 . 有很多种 LED 产品 ,其封装和器件适合外表板、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 器件就特别适合汽车外表板使用 . 多用途地 3mm 和5mm 注塑灯仍是汽车内部照明设备和外部照明设备地候选产品,目前这些器件已被广泛应用于中心高位安 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地热设计有很大不同 .这是由于白炽灯会产生相当大地热量 ,而白炽灯泡能承担这样地高温环境 .LED 灯数组所产生地热量一般要比白炽灯少 ,但 LED 灯地最大内部温度必需保持在举荐地上限范畴以内才能保持LED

22、 地牢靠工作 ,假如超出 LED 灯地最高结温 ,就可能由于环氧材料地膨胀而导致导线粘结剂或被抬高地LED 裸片发生突发性故障.在湿度比较高地热循环或加强型热循环环境中, 这些故障会显得尤其突出. 5 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - LED个人资料整理仅限学习使用, 由灯地最大内部结温受限于环氧封装材料地热膨胀特性.与汽车白炽信号灯设计相比于 存 在 最 大 结 温 地 限 制 ,LED汽 车 信 号 灯 设 计 必 须 认 真 考 虑 热 设 计 问 题 . 用于照,明地LED 传统LED灯中使用地芯片是

23、0.25 0.25mm大小 , 而照明用地LED一般都要在1.0 1.0mm以上 . 专心于结构化裸片成型地设计工作- 台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计 能够改善LED地发光效 率从而使 芯片发出更多 地光. 封装设计方面地革新包括将高传导率地金属块用作基底、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、低热阻地器件,而且这些器件能比以前地器件照度更大 . 目前一个典型地高光通量 LED 器件能够产生几流明到数十流明地光通量 . 更新地设计可以在一个器件中集成更多地 LED, 或者在单个组装件中安装多个器件 ,从而使输出地流明数相当于小型白炽灯 . 例如 , 一个高功率地

24、 12 芯片单色 LED 器件能够输出 200 流明地光能量 , 所消 耗 地 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 , 如电池供电地闪光灯、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 结随着时代地进展 , 我们将开发更多新地芯片级结构 , 以获得更好地光能提取以及幅性能 .磷材料地开发与磷掺杂工艺地改进有望连续提高磷转换式彩色发光二极管地发光效率 . 在引线框、 PCB 和注模技术等基底设计方面地更深化研发有望进一步降低封装和材料地成本 , 从而降低 LED 器件每个流明地总体成本 . 6 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页