高亮度LED發(fā)光二極管之封裝光通原理技術(shù)探析
現(xiàn)在是光的時代,也即將是LED發(fā)光二極管的時代,我們都需要生活在一個明亮的環(huán)境下,毫無疑問的,這個世界需要高亮度發(fā)光二極管(High Brightness Light-Emitting Diode;HB LED),不僅是高亮度的白光LED(HB WLED),也包括高亮度的各色LED,且從現(xiàn)在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED(Ultra High Brightness LED,簡稱:UHD LED)。
用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光,不僅電路設(shè)計更簡潔容易,且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光,不僅更環(huán)保而且顯示更逼真亮麗。用led照明取代白光燈、鹵素?zé)舻日彰?,不僅更光亮省電,使用也更長效,且點亮反應(yīng)更快,用於煞車燈時能減少後車追撞率。
所以,LED從過去只能用在電子裝置的狀態(tài)指示燈,進(jìn)步到成為液晶顯示的背光,再擴(kuò)展到電子照明及公眾顯示,如車用燈、交通號誌燈、看板訊息跑馬燈、大型影視牆,甚至是投影機(jī)內(nèi)的照明等,其應(yīng)用仍在持續(xù)延伸。
更重要的是,LED的亮度效率就如同摩爾定律(Moore''s Law)一樣,每24個月提升一倍,過去認(rèn)為白光LED只能用來取代過於耗電的白熾燈、鹵素?zé)?,即發(fā)光效率在10∼30lm/W內(nèi)的層次,然而在白光LED突破60lm/W甚至達(dá)100lm/W後,就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。
雖然LED持續(xù)增強(qiáng)亮度及發(fā)光效率,但除了最核心的螢光質(zhì)、混光等專利技術(shù)外,對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰(zhàn),且是雙重難題的挑戰(zhàn),一方面封裝必須讓LED有最大的取光率、最高的光通量,使光折損降至最低,同時還要注重光的發(fā)散角度、光均性、與導(dǎo)光板的搭配性。
另一方面,封裝必須讓LED有最佳的散熱性,特別是HB(高亮度)幾乎意味著HP(High Power,高功率、高用電),進(jìn)出LED的電流值持續(xù)在增大,倘若不能良善散熱,則不僅會使LED的亮度減弱,還會縮短LED的使用壽命。
所以,持續(xù)追求高亮度的LED,其使用的封裝技術(shù)若沒有對應(yīng)的強(qiáng)化提升,那麼高亮度表現(xiàn)也會因此打折,因此本文將針對HB LED的封裝技術(shù)進(jìn)行更多討論,包括光通方面的討論,也包括熱導(dǎo)方面的討論。
附註:大陸方面稱為「發(fā)光二極管」。
附註:一般而言,HB LED多指8lm/W(每瓦8流明)以上的發(fā)光效率。
附註:一般而言,HP LED多指用電1W(瓦)以上,功耗瓦數(shù)以順向?qū)妷撼艘皂樝驅(qū)娏鳎╒f×If,f=forward)求得。
雖然本文主要在談?wù)揕ED封裝對光通量的強(qiáng)化,但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分,畢竟裸晶結(jié)構(gòu)的改善也能使光通量大幅提升。
首先是強(qiáng)化光轉(zhuǎn)效率,這也是最根源之道,現(xiàn)有LED的每瓦用電中,僅有15%∼20%被轉(zhuǎn)化成光能,其餘都被轉(zhuǎn)化成熱能並消散掉(廢熱),而提升此一轉(zhuǎn)換效率的重點就在p-n接面(p-n junction)上,p-n接面是LED主要的發(fā)光發(fā)熱位置,透過p-n接面的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變可提升轉(zhuǎn)化效率。
量子井(Quantum Well;QW)的結(jié)構(gòu)圖。
關(guān)於此,目前多是在p-n接面上開鑿量子井(Quantum Well;QW),以此來提升用電轉(zhuǎn)換成光能的比例,更進(jìn)一步的也將朝更多的開鑿數(shù)來努力,即是多量子井(Multiple Quantum Well;MQW)技術(shù)。
裸晶層:「換料改構(gòu)、光透光折」拉高「出光效率」
如果光轉(zhuǎn)效率難再要求,進(jìn)一步的就必須從出光效率的層面下手,此層面的作法相當(dāng)多,依據(jù)不同的化合材料也有不同,目前HB LED較常使用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN,前者用來產(chǎn)生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光,後者GaN用來產(chǎn)生綠、翠綠、藍(lán)光,以及用InGaN產(chǎn)生近紫外線、藍(lán)綠、藍(lán)光。
至於作法有哪些?這包括改變實體幾何結(jié)構(gòu)(橫向轉(zhuǎn)成垂直)、換用基板(substrate,也稱:襯底)的材料、加入新的材料層、改變材料層的接合方式、不同的材料表面處理等。不過,無論如何變化,大體都不脫兩個要則:一、降低遮蔽、增加光透率。二、強(qiáng)化光折射、反射的利用率。
舉例來說,過去AlGaInP的LED,其基板所用的材料為GaAs,然黑色表面的GaAs使p-n接面散發(fā)出的光有一半被遮擋吸收,造成光能的浪費,因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學(xué)工業(yè)(Nichia)在GaN的LED中,將p型電極(p type)部分做成網(wǎng)紋狀(Mesh Pattern),以此來增加p極的透明度,減少光阻礙同時提升光透量。
至於增加折反射上,在AlGaInP的結(jié)構(gòu)中增加一層DBR(Distributed Bragg Reflector)反射層,將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍(lán)寶石(Sapphire,Al2O3,三氧化二鋁)來增加反射,同時將基板表面設(shè)計成凹凸紋狀,藉此增加光反射後的散射角度,進(jìn)而使取光率提升?;蛉绲聡鴼W司朗(OSRAM)使用SiC材料的基板,並將基板設(shè)計成斜面,也有助於增加反射,或加入銀質(zhì)、鋁質(zhì)的金屬鏡射層。
亮度提升的LED已經(jīng)跨足到公眾場合的號誌應(yīng)用,此為國內(nèi)工地外圍的交通方向指示燈,即是用HB LED所組構(gòu)成。
附註:AlGaInP(磷化鋁鎵銦)也稱為「四元發(fā)光材料」,即是以Al、Ga、In、P四種元素化合而成。
附註:在一般的圖形結(jié)構(gòu)解說時,p-n接面也稱為「發(fā)光層,emitting layer或active layer、active region」。
附註:除了減少光遮、增加反射外,有時換用不同技術(shù)的用意是在於規(guī)避其他業(yè)者已申請的專利。
各種AlGaInPLED的發(fā)光效能強(qiáng)化法,由左至右為技術(shù)先進(jìn)度的差別,最左為最基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的LED幾何結(jié)構(gòu),接著開始加入DBR(Distributed Bragg Reflector)反射層,再來是有DBR後再加入電流侷限(Current Blocking)技術(shù),而最右為晶元光電的OMA(Omni-directional Mirror Adherence)全方位鏡面接合技術(shù),該技術(shù)也將基板材質(zhì)從GaAs換成Si。
對GaN、InGaN化合材料的LED而言,也有其自有的一套製程結(jié)構(gòu)光通強(qiáng)化法,以德國OSRAM來說,1999年還在使用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),2002年就進(jìn)展到ATON結(jié)構(gòu),2003年換成更佳的NOTA結(jié)構(gòu),2005年則是ThinGaN結(jié)構(gòu)。
封裝層:抗老化黃光、透光率保衛(wèi)戰(zhàn)
從裸晶層面努力增加光亮後,接著就正式從封裝層面接手,務(wù)使光通維持最高、光衰減至最少。
要有高的流明保持率(Transmittance,透光率、穿透率,以百分比單位表示),第一步是封裝材質(zhì),過去LED最常用的是環(huán)氧樹脂(epoxy),不過環(huán)氧樹脂老化後會逐漸變黃(因「苯環(huán)」成份),進(jìn)而影響光亮顏色,尤其波長愈低時老化愈快,特別是部分WLED使用近紫外線(Near ultraviolet)發(fā)光,與其他可見光相比其波長又更低,老化更快。
新的提案是用矽樹脂(silicone)換替環(huán)氧樹脂,例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改採矽封膠。
矽膠除了對低波長有較佳的抗受性、較不易老化外,矽膠阻隔近紫外線使其不外洩也是對人體健康的一種保護(hù),此外矽膠的光透率、折射率、耐熱性都很理想,GEToshiba的InvisiSi1具有高達(dá)1.5∼1.53的折射率,波長範(fàn)疇在350nm∼800nm間的光透率達(dá)95%,且波長低至300nm時仍有75%∼80%的光透,或者與折射率進(jìn)行取捨,將折射率降至1.41,如此即便是300nm波長也能維持95%的光透性。同樣的,Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長以上時光透率達(dá)99%,且硬化處理後折射率亦有1.51,另外耐熱上也都能達(dá)180℃∼200℃的水準(zhǔn),關(guān)於熱的問題我們在此暫不討論。
隨著使用時間的增長,LED的光通量也會逐漸降低,圖中是兩個LED的壽命光通量曲線比較,下方藍(lán)色線為一般5mm的WLED指示燈,上方紅色線則是高功率LED照明燈。
附註:另一個加速環(huán)氧樹脂老化變黃的因素來自溫度,高溫會加速老化。
封裝層:透鏡的透射、反射杯的反射、折射
前述的封裝主要在於保護(hù)LED裸晶,並在保護(hù)之餘盡可能讓光熱忠實向外傳遞,接下來還是在封裝層面,不過不再是內(nèi)覆的Resin部分,而是外蓋的Lens部分。
在用膠封裝完後,依據(jù)LED的不同用途會有各種不同的接續(xù)作法,例如做成一個一個的獨立封裝元件,過去最典型的單顆LED指示燈即是如此,另一種則是將多個LED併成一個整體性元件,如七段顯示器、點陣型顯示器等。此外焊接腳位方面也有兩種區(qū)分,即穿孔技術(shù)(Through-Hole Technology;THT)及表面黏著技術(shù)(Surface-Mount Technology;SMT)。
在此暫且不談?wù)撊杭缘钠叨物@示器、點陣型顯示器,而就逐一獨立、分離、離散性的封裝來說,也要因應(yīng)不同的應(yīng)用而有不同的封裝外觀,若是與過往LED相同是做為穿孔性焊接的狀態(tài)指示燈則只要採行燈泡(Lamp)型態(tài)的封裝(今日也多俗稱成「炮彈型」),即便確定是此型也還有透鏡型態(tài)(Lens Type)的區(qū)別,如典型Lamp、卵橢圓Oval、超卵橢圓Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏著型,也有頂視Top View、邊視Side View、圓頂Dome等。
為何要有各種不同的透鏡外型?其實也有各自的應(yīng)用需求,就一般而言,Lamp用來做指示燈號、Oval用於戶外標(biāo)示或號誌、Top View用來做直落式的背光、Flat與Side View配合導(dǎo)光板(Guide Plate:LGP)做側(cè)邊入光式的背光、Dome做為小型照明燈泡、小型閃光燈等。
外型不同、應(yīng)用不同,發(fā)光的可視角度(View Angle)也就不同,此部分也就再次考驗封裝設(shè)計,運用不同的設(shè)計方式,可以獲得不同的發(fā)光角度、光強(qiáng)度、光通量,此方面常見的作法有四:中軸透鏡Axial lens、平直透鏡Flat lens、反射杯Reflective cup、島塊反射杯Reflective cup by island。
一般的Lamp用的即是中軸透鏡法,Dome及Oval/Super Oval等也類似,但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在軸向的小角度內(nèi)。而Flat則是用平直透鏡法,好處是光視角比中軸透鏡法更大,但缺點是光通量降低、光強(qiáng)度減弱。至於Top View、Side View等則多用反射杯或島塊反射杯,此作法是在封裝內(nèi)加入反射鏡,對部分發(fā)散角度的光束進(jìn)行反射、折射等收斂動作,使角度與光強(qiáng)度能取得平衡。
就技術(shù)難易來說,只用上透鏡的Axial lens、Flat lens確實較為簡易,只要考慮透射與光束發(fā)散性,相對的有Reflective cup就不同了,原有的透射、發(fā)散一樣要考慮,還要追加考慮反射、折射以及光束收斂,確實更加複雜。還有,我們還沒討論材質(zhì),透鏡部分除了可持續(xù)用原有的覆膠材質(zhì)外也可以改用其他材質(zhì),因為透鏡已較為講究光透而較不講究裸晶防護(hù),如此還可採行塑膠(Plastic)、壓克力(Acrylic)、玻璃(Glass)、聚碳酸酯(Polycarbonate)等,且如之前所述,光透性與波長有關(guān),不同波長光透度不同,再加上有不同的材質(zhì)可選擇,甚至要為透鏡上色,好增加光色的對比度,或視應(yīng)用場合的裝飾效果(玩具、耶誕樹),還有前面的透鏡、反射杯等幾何設(shè)計等,以上種種構(gòu)成了LED光通上的第四道課題。
附註:今日有的LED也在Lamp型封裝內(nèi)使用反射杯技術(shù)。
最后:HB LED被人強(qiáng)調(diào)為「綠色照明」,言下之意「環(huán)保」是其很大的訴求點,所以不僅要無鉛(Pb Free)封裝,還要合乎今日歐洲RoHS(Restriction of Hazardous SubstancesDirective,限用危害物質(zhì)指令)的法令規(guī)範(fàn),無論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價鉻(hexavalent chromium)、多溴聯(lián)苯(PolyBrominated Biphenyls;PBB)、多溴聯(lián)苯醚(PolyBrominated Diphenyl Ether;PBDE)等環(huán)境有害物,此外WEEE(Waste Electrical and ElectronicEquipment directive,廢棄電子電機(jī)設(shè)備指令)等其他相關(guān)法規(guī)也必須遵守。
當(dāng)然!前面我們也已經(jīng)約略提到封裝物必須能封阻與抗受低波長、紫外光,還要有一定的硬度來抗受機(jī)械外力,以及耐熱性,此外絕緣、抗靜電、抗?jié)褚捕急仨氉⒁狻?br />
更重要的是,無論您要不要高亮度,都必須盡可能將光亮導(dǎo)出,因為,若不能忠實導(dǎo)出光能,光能在封裝層內(nèi)被吸收,就會轉(zhuǎn)化成熱能,為封裝上的散熱問題又添一項顧慮因素,事實上LED的熱若不能順利排解與降低,成為熱負(fù)荷,反過來一樣要傷害LED本體,包括亮度也會受到影響,因此,達(dá)到最佳、最理想的光通,是封裝設(shè)計必然要重視的一課!
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