怎樣通過LED封裝設(shè)計改善流明壽命.doc

自電力照明被引介之后,在一世紀的期間,僅有兩種型態(tài)的光源技術(shù)白熾燈和電力放電曾經(jīng)共存過.標準的住宅照明燈泡是屬于白熾光源的家族,而用于辦公室直線式的熒光燈,及在街道上看到之鈉燈,則是電力放電式家族的例子.而此刻,第三種型式的光源科技發(fā)光二極管(Light Emitting Diode;LED),正在嶄露頭角并具有很好的前途.作為第一個固態(tài)照明的科技,LED有提供顯著的能源節(jié)約和長壽命的潛力.這些因素已將一般照明社群吸引到這一個新的科技了.LED做為有效率的光源對大多數(shù)的人們,LED這個名詞僅與經(jīng)常在電子設(shè)備上所看到的小型指示燈相關(guān),例如:收音機和遙控器.雖然LED是在1960年代后期開發(fā)出來的,而研究人員和開發(fā)者,卻花費了近三十年制造用此一科技的白光.然而在此期間,有顏色的LED之強度顯著地增加許多,允許它們被用在很多樣的應(yīng)用上.在 1990年代的后半期間,LED開始在交通號幟上取代了白熾燈.在此一應(yīng)用方面,與其對應(yīng)的白熾燈比較,LED已顯示可節(jié)省超過80%以上所用的能源.如此大的能源節(jié)約可被實現(xiàn),是因為傳統(tǒng)的彩色的號幟,在白熾燈上須用光學的濾器.這些濾器吸收,并浪費了顯著的由光源所產(chǎn)生的一部分的輻射能源.另一方面來 說,LED以一個狹窄波段來發(fā)光,因而可以有效率地產(chǎn)生彩色的光.當LED在交通號幟上取代白熾燈時,它們不只是以能源效率來展露;事實上,一些制造商宣稱他們的LED可維持十萬小時.當白光LED技術(shù)逐步進化時,產(chǎn)業(yè)界專家預(yù)期LED將可能使照明工業(yè)產(chǎn)生突破性的變革,包括:在照明的領(lǐng)域.聽到這個后,一些早期的采用者很快地就創(chuàng)造了一種光源,使用5mm 白光LED數(shù)組包裝在一個燈殼內(nèi).這些LED燈泡模仿標準的白熾燈泡,而且他們的制造者宣稱,他們是較白熾燈更有能源效率的,而且像他們的彩色對手一樣可持續(xù)十萬小時.這導(dǎo)致許多人相信,白光LED是準備好去取代白熾燈了.白光LED的壽命然而,現(xiàn)實卻無法實踐初期的宣示.在2000年代初期,研究人員的發(fā)表顯示,這些5mm 白光LED的光線輸出下降地非常迅速.在僅約6000小時內(nèi),光線的輸出下滑到其初始值的一半以下(Narendran et al. 2000 and 2001a).僅管有這項信息,以及許許多多的文章已顯示,5mm的白光LED非常快地衰減,很多制造商仍繼續(xù)宣稱他們將可持續(xù)十萬小時.另一篇最近的刊物顯示,甚至于不同的彩色5mm LED,隨著時間變化而不會以同樣的方式衰減(Narendran et al. 2001b).這些LED是在一溫度控制的房間中測試的,而他們是被裝設(shè)在如所示的印刷電路板上.不同色彩之LED的光線輸出之劣化,是顯示在.紅色LED的光線輸出,是以較白光LED慢甚多的速率衰減,而綠光和藍光 LED則以中等的速率衰減.LED是封裝在一個與外界隔離的燈具中,在其中周遭的溫度是較在溫度控制的研究為高一些,而將遭受到更高的衰減速率.所以,所宣稱的LED燈具,以包裝的數(shù)組5 mmLED,白色或彩色的,其有十萬小時壽命是騙人的.這些LED的確是可維持十萬小時,但是他們的輸出可能不夠用于燈具的原定之應(yīng)用了.五千小時之可用的壽命,對于5mm LED燈具來說可能是更為貼切的.圖二:20mA下,5mm封裝LED衰減情況較新的LED封裝標準的5 mm LED封裝原是被設(shè)計用在指示燈的應(yīng)用,但是在操作時,他們的設(shè)計不允許自LED芯片,有足夠之熱傳導(dǎo)以維持冷卻.當芯片的溫度升高時,這個裝置會更快速地劣化.另一個問題是5mm 的白光LED,會使樹脂黃化而減低了光線的輸出,并且增加光線輸出的劣化速率.然而樂觀是有理由的;較新的高功率LED封裝已被設(shè)計用在照明的應(yīng)用了.這些高功率LED,每一裝置產(chǎn)生十到二十倍更多的光通量,而與5 mm的封裝相比更為有效.此外,一份近期之刊物已顯示,新高功率白光LED封裝之流明的劣化,與5 mm封裝相較已降低相當?shù)囟嗔?Narendran et al. 2001b).一些制造商經(jīng)由適當?shù)匚諢崃?并將LED封裝在不會隨時間劣化的材料,似乎已解決了劣化的問題.即使是傳統(tǒng)的光源,例如:白熾燈、鹵素 燈、熒光燈和金屬鹵化物燈,均展現(xiàn)出在他們的操作壽命期間之光線輸出衰減.顯示不同的白色光源,其光線輸出隨時間變化的比較.高功率的LED有非常低的光線輸出劣化,根據(jù)的初步數(shù)據(jù),在裝置的架構(gòu)的進步,光線的吸收和散熱已使得高功率LED能有所進展,它提供了改善的發(fā)光功效,并提高了照 度的維持度.圖三:白光光源在不同環(huán)境下的比較這些進步已使徥白光LED科技更有用于一般照明的應(yīng)用的可能性了.假若LED工業(yè)能夠維持這些進步的趨勢,在未來的五至十年間,固態(tài)照明將可有明顯的市場突破.未來在照明的LED以LED菜單現(xiàn)之改善,固態(tài)照明正吸引了更多由照明界來的注意力.一般照明的市場是很巨大的,但是突破那個市場將需要更高價的LED產(chǎn)品.制造商將必須繼續(xù)致力于更長壽命的白光LED,并有著更高的功效、更高的照明通量和改善的顏色性質(zhì).照明研究中心(Lighting Research Center)現(xiàn)正在確認一些參數(shù),其可以被改善以提供為人們可接受之有質(zhì)量的照明.使用LED的照明,對于建筑學上可能會有重要的沖擊.試著想象一位建筑師,他可以自由地設(shè)計建筑,將全部的照明系統(tǒng)建于墻壁、天花板、甚致在地板里面.當照明用的LED可達到很長壽命時,換一個燈泡的雜務(wù)將被歸類為一個博物館中的展示項目了(注:很久才換一次).新的照明產(chǎn)品變成建筑的一部分,對于這個產(chǎn)業(yè)將會需要一全新的方向,而這種改變可能不是容易的.現(xiàn)在由天花板上吊掛的燈具,或在墻壁上的均將會消失,雖然設(shè)計師可找到更有審美觀取悅的方式來運用LED的科技,而不僅只是將LED隱藏在墻壁里面.制造商以及設(shè)計師和建筑師,將需要改變以跟上快速進化的 LED. (關(guān)于作者:Nadarajah Narendran 和 Keith Toomey 是在紐約Troy市的Rensselaer Polytechnic Institute之照明研究中心工作.)LED顯示器件發(fā)展簡史和應(yīng)用趨勢概述新型LED顯示器件有功耗低、亮度高、壽命長、尺寸小等優(yōu)點,本文從LED顯示器件的發(fā)展簡史開始,探討了表面貼裝LED、汽車應(yīng)用中的LED和照明用LED的發(fā)展趨勢,對于從事顯示器件開發(fā)的中國工程師有一定參考價值.全球第一款商用化發(fā)光二極管(LED)是在1965年用鍺材料作成的,其單價為45美元.隨后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用化LED.這些早期的紅色LED每瓦大約能提供0.1流明(lumens)的輸出光通量,比一般的60至100瓦白熾燈的15流明要低上100倍.1968年,LED的研發(fā)取得了突破性進展,利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦,并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光.到1971,業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色裸片LED.1972年開始有少量LED顯示屏用于鐘表和計算器.全球首款采用LED的手表最初還是在昂貴的珠寶商店出售的,其售價竟然高達2,100美元.幾乎與此同時,惠普與德州儀器也推出了帶7段紅色LED顯示屏的計算器.到20世紀70年代,由于LED器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用,LED的價格直線下跌.事實上,LED是那個時代主打的數(shù)字與文字顯示技術(shù).然而在許多商用設(shè)備中,LED顯示屏也逐漸受到了來自其它顯示技術(shù)的激烈競爭,如液晶、等離子體和真空熒光管顯示器.這種競爭性激勵LED制造商進一步拓展他們的產(chǎn)品類型,并積極尋求LED具有明顯競爭優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域.此后LED開始應(yīng)用于文字點陣顯示器、背景圖案用的燈柵和條線圖數(shù)組.數(shù)字顯示屏的尺寸和復(fù)雜度在不斷增長,從2位數(shù)字到3位甚至4位,從7段數(shù)字到能夠顯示復(fù)雜的文字與圖案組合的14或16段數(shù)組.到1980年制造商開始提供智慧化的點陣LED顯示屏.80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAs LED,它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)出紅光.這一技術(shù)進步使LED能夠應(yīng)用于室外運動信息發(fā)布以及汽車中央高位安裝停止燈(CHMSL)設(shè)備.1990年,業(yè)界又開發(fā)出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術(shù),這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍.今天,最亮的材料應(yīng)是透明基底AlInGaP.在1991年至2001年期間,材料技術(shù)、裸片尺寸和外形方面的進一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近20倍.對高強度藍光LED的不斷研發(fā)產(chǎn)生了好幾代亮度越來越高的器件.在1990年左右推出的基于碳化硅(SiC)裸片材料的LED效率大約是0.04流明/瓦,發(fā)出的光強度很少有超過15毫堪(millicandel)的.90年代中期的技術(shù)突破實現(xiàn)了第一個基于GaN的實用LED.現(xiàn)在還有許多公司在用不同的基底如藍寶石和SiC生產(chǎn)GaN LED,這些LED能夠發(fā)出綠光、藍光或紫羅蘭等顏色.高亮藍色LED的發(fā)明使真彩廣告顯示屏的實現(xiàn)成為可能,這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖像.藍光LED的出現(xiàn)使人們還能利用倒行轉(zhuǎn)換的磷光材料將較高能量的藍光部分地轉(zhuǎn)換成其它顏色.將藍光與轉(zhuǎn)換磷的黃光整合在一起就能得到白光,而整合適當數(shù)量的藍光與紅橙磷(reddish orange phospher)則可以產(chǎn)生略帶桃色或紫色的色彩.現(xiàn)在僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線中的所有飽和顏色,并且各種顏色LED與磷的有機整合幾乎能夠毫無限制地產(chǎn)生任何顏色.在可靠性方面,LED的半衰期(即光輸出量減少到最初值一半的時間)大概是1萬到10萬小時.相反,小型指示型白熾燈的半衰期(此處的半衰期指的是有一半數(shù)量的燈失效的時間)典型值是10萬到數(shù)千小時不等,具體時間取決于燈的額定工作電流.表面貼裝LED為了利用自動化組裝技術(shù)降低制造成本,從20世紀80年代開始業(yè)界逐漸推廣使用表面貼裝器件(SMT),90年代這一技術(shù)得到了進一步強化.最初的SMT LED作為低功率器件被主要用于指示設(shè)備和手機鍵盤的照明,后來又開發(fā)出大功率的SMT器件用于汽車面板照明、剎車燈,并擴展用于專業(yè)和一般的照明設(shè)備.SMT是蜂窩/PCS電話機的主要技術(shù)要求,現(xiàn)在看來這一市場仍具有極大的發(fā)展?jié)摿?2001年全球手機的制造量大約有3.8億部,據(jù)預(yù)測今年的制造量將上升到4.3億部,到2005年將達到5.2億部.一部手機平均要使用10個表貼型LED,也即意味著僅手機市場對LED的需求就達到了40億個.手機功能的不斷升級也進一步刺激了對更高性能LED的需求.確切說,手機設(shè)計人員需要多種多樣的LED,包括更高亮度的單色LED器件、真彩LCD顯示屏(特別是第2.5代和第3代手機的LCD)背景光源用的白色LED以及實現(xiàn)產(chǎn)品差異化所需的藍色和紫羅蘭色等特殊色LED.同時,由于手機的復(fù)雜度越來越高,體積也越來越小,有更多的用戶對LED提出了更薄更小外形包裝的要求.特別是越來越多的人希望高性能LED能提供“芯片LED”的表貼封裝,即工業(yè)標準的1.60.8mm外形尺寸.話機制造商要求對LED的顏色與強度進行分類,以確保背景光源設(shè)備能與用戶需求取得高度一致.這樣做能使LED非常適合用于背景光源設(shè)備,即LCD、按鍵、前面板、符號與鍵盤背景照明等,因為這些設(shè)備上顏色與光強度的和諧統(tǒng)一非常重要.汽車應(yīng)用中的LED在汽車內(nèi)外,照明設(shè)備中用得最多的還是白熾燈,但設(shè)計師與汽車制造商正在逐漸采納LED,開始時LED可能只用于豪華型汽車,但慢慢會過渡到大多數(shù)汽車上.LED的最大賣點之一是具有很長的平均無故障工作時間(MTBF),LED照明器件的使用壽命一般都要超過汽車本身的壽命.有很多種LED產(chǎn)品,其封裝和器件適合儀表板、空調(diào)、收音機和電子開關(guān)等汽車內(nèi)部照明設(shè)備使用.例如那些SMT器件就非常適合汽車儀表板使用.多用途的3mm和5mm注塑燈仍是汽車內(nèi)部照明設(shè)備和外部照明設(shè)備的候選產(chǎn)品,目前這些器件已被廣泛應(yīng)用于中央高位安裝停止燈(CHMSL)設(shè)備中.對內(nèi)部和外部照明設(shè)備來說,LED汽車燈裝置與白熾燈裝置的熱設(shè)計有很大不同.這是因為白熾燈會產(chǎn)生相當大的熱量,而白熾燈泡能承受這樣的高溫環(huán)境.LED燈數(shù)組所產(chǎn)生的熱量一般要比白熾燈少,但LED燈的最大內(nèi)部溫度必須保持在推薦的上限范圍以內(nèi)才能保持LED的可靠工作,如果超出LED燈的最高結(jié)溫,就可能由于環(huán)氧材料的膨脹而導(dǎo)致導(dǎo)線粘結(jié)劑或被抬高的LED裸片發(fā)生突發(fā)性故障.在濕度比較高的熱循環(huán)或加強型熱循環(huán)環(huán)境中,這些故障會顯得尤其突出.LED燈的最大內(nèi)部結(jié)溫受限于環(huán)氧封裝材料的熱膨脹特性.與汽車白熾信號燈設(shè)計相比,由于存在最大結(jié)溫的限制,LED汽車信號燈設(shè)計必須認真考慮熱設(shè)計問題.用于照明的LED傳統(tǒng)LED燈中使用的芯片是0.250.25mm大小,而照明用的LED一般都要在1.0 1.0mm以上.專注于結(jié)構(gòu)化裸片成型的設(shè)計工作-臺式結(jié)構(gòu)、倒金字塔結(jié)構(gòu)和倒裝芯片設(shè)計能夠改善LED的發(fā)光效率,從而使芯片發(fā)出更多的光.封裝設(shè)計方面的革新包括將高傳導(dǎo)率的金屬塊用作基底、倒裝芯片設(shè)計和裸盤澆鑄式引線框等,這些方法都能設(shè)計出可高功率、低熱阻的器件,而且這些器件能比以前的器件照度更大.目前一個典型的高光通量LED器件能夠產(chǎn)生幾流明到數(shù)十流明的光通量.更新的設(shè)計可以在一個器件中集成更多的LED,或者在單個