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挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因

来源:http://www.zzsswlkj.com 责任编辑:环亚ag88 更新日期:2018-08-12 04:44

  挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因

   led,就是当今IT界最抢手的论题。只需加了LED两个字,产品就会身价倍增。看厂商的宣扬,媒体的竭力炒作,简直让LED到达了空前绝后的境地。可是,就没有人对LED这个崇高名词发作过疑问吗?咱们对此作了个小专访,期望能对咱们有所协助。

  


挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
LED出路漫漫

  实践中的LED终究有多火?

  能够描述为,火的乌烟瘴气。

  

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上海世博会

  2008年北京奥运会,2010年上海世博会,让世人认识到LED工程照明的无限商机。

  2009年我国照明销售额超越2000亿元,面临半导体商场的杰出远景和巨大引诱,一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战在全球悄然打响。

  LED和咱们的联系有多近?

  LED就在咱们身边的各个旮旯。在民用范畴,LED首要运用于以下几大方面:

  

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LED点阵

  A、 显现屏、交通信号显现光源的运用。
运用的是LED 灯具有抗震耐冲击、光呼应速度快、省电和寿数长等长处。

  

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LED尾灯 LED装修

  B、轿车工业上的运用。轿车用灯包含轿车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅览灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。
运用LED长寿数、呼应速度快的长处。

  

C、LED背光源以高效侧发光的背光源。首要运用在LED背光源电视,LED光源投影机。
运用LED的广色域、薄型、低功耗的长处。

  D、LED照明。
运用LED光源节能省电的特色。

  

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LED“玩具”

  E、装修、指示。首要运用在玩具、装修灯、服饰等。
运用LED体积小、无污染、色彩丰厚、不易碎破以及低压运用的安全性的长处。

  

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LED灯

  F、家用室内照明。
运用LED省电、无污染、长寿数的优势。

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  LED是否有缺陷?

  LED有缺陷,简略说,就是价格太高。

  LED的优势,现已被各大媒体大举炒作。乃至连国家的宣扬都是,LED只需长处,没有缺陷。可是,如今LED普及率仍然不高,究其原因,仍是价格问题。

  LED价格为何会居高不下?

  低亮度的LED产品,价格较低。

  因为技能和制造工艺所限,高亮度的LED价格很难下降本钱。

  LED的缺陷又可细分为发光功率低、封装本钱高、高功能资料价格高,终究导致LED的制造本钱高,商场价格天然也高。
不是都说LED节能吗?为啥说LED发光功率低?

  节能,即指光效能高,热量低。可是,所谓节能的LED,首要表现在,低亮度的LED产品上,高亮度的LED并不节能。如今运用LED产品首要选用多个,点阵等方法,并且运用的都是低亮度的LED产品。

  


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LED点阵

  因为LED自身的发光功率比较低,大约有70%的输入功率要转化为热能。这是lW功率LED光效随输入电流的改动趋势图,咱们得知LED跟着电流的升高,光效能逐步下降,其间白光下降最显着。随同光效能的下降,随之就会发作许多的热能。

  

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lW功率LED光效随输入电流的改动趋势图

  

说LED发光功率低,首要指高亮度LED,在实践中,高亮度的LED,才更具有运用价值。例如,LED光源投影机,需求单体高亮度LED产品。现阶段,高亮度的、老练的LED投影机产品较少,并且价格都不菲,选用的是特别的高端原料,用高本钱完结了高亮度,在民用商场失去了实用价值。

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莫非LED也不廉价?

  低端的、低亮度的LED当然廉价,可是高亮度的、高光能效的LED价格都不菲,现阶段简直就没有性价比而言。要想了解LED,就要从其结构说起。

  

半导体发光器材包含半导体发光二极管(简称LED)、数码管、符号管、米字管及点阵式显现屏(简称矩阵管)等。事实上,数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
LED,英文全称Light Emitting Diode,发光二极管,是一种固态的半导体器材,它能够直接把电转化为光。LED的中心是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端衔接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。

  


挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
林林总总的LED

  咱们常见的LED,有草帽形,椭圆形,平头形,贴片式等。发光二极管的文字符号为“VD”,图形符号是在一般二极管符号旁添加两个向外的小箭头,三角标明正极,短杠标明负极。发光二极管也是多种多样:

  1,从光色上分有发红、绿,黄等多种色彩可见光的以及发红外光的;
2,从形状上分有圆柱形、方形以及各种特别形状的;
3,从体积上分有大、中、小等多种标准。

  

挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
LED作业原理

  发光二极管的作业原理是用半导体资料制造的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两头注入正向电流时,注入的非平衡载流子在分散进程中复合发光,这种发射进程首要对应光的自发发射进程。按光输出的方位不同,发光二极管可分为面发射型和边发射型。咱们最常用的LED是 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。

  

挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
LED资料特性剖析

  发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其间心是PN结。因而它具有一般P-N结的I-N特性,即正导游通,反向截止、击穿特性。此外,在必定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少量载流子(少子)一部分与大都载流子(多子)复合而发光。

  假定发光是在P区中发作的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或许先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中心邻近)捕获,然后再与空穴复合,每次开释的能量不大,不能构成可见光。发光的复合量相关于非发光复合量的份额越大,光量子功率越高。因为复合是在少子分散区内发光的,所以光仅在*近PN结面数μm以内发作。

  理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体资料禁带宽度Eg有关,即

  λ≈1240/Eg(mm)

  式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能发作可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体资料的Eg应在3.26~1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其间蓝光二极管本钱、价格很高,运用不遍及。

  又是资料问题,LED完结高亮度真就这么困难吗?

  LED,完结高亮度的确有必定技能难度。

  LED有极限参数:

  (1)答应功耗Pm:答应加于LED两头正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超越此值,LED发热、损坏。
(2)最大正向直流电流IFm:答应加的最大的正向直流电流。超越此值可损坏二极管。
(3)最大反向电压VRm:所答应加的最大反向电压。超越此值,发光二极管可能被击穿损坏。
(4)作业环境topm:发光二极管可正常作业的环境温度规模。低于或高于此温度规模,发光二极管将不能正常作业,功率大大下降。

  

不改动原料的前提下,在LED的极限规模内,进步亮度的手法就是进步电流,跟着电流升高,LED发热量会剧增。运用过LED光源便携投影机的,或微投的朋友,必定都深有体会,LED光源的投影机,十分热,并且遍及会有显着的噪音。这些产品,机身小是一方面,要害仍是其自身发热量较大所形成的。

  


挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
高热的微投产品

  假如这些热不能很好地发出出去,LED的结温就会升高,所以LED的寿数就会随之下降。所以延伸LED寿数的底子方法就是改进其散热。改进散热要从LED自身做起。

  

挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
两种贴片式发光二极管的散热示意图

  

这款3014,就是靠添加底板金属面积二改进了散热,使其热阻下降到只需51°C/W.。只需散热器做得足够好,能够确保接脚温度在60°C以下,那么其寿数能够到达5万小时以上。

  

挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
1W功率LED热阻随环境温度改动趋势图

  经多家大学专业组织的测验,跟着功率的添加,LED的散热问题显得越来越杰出,许多实践运用标明,LED不能加大输入功率的根本原因,是因为LED在作业进程中会放出许多的热,使管芯结温敏捷上升,热阻变大。输入功率越高,发热效应越大。温度的升高将导致器材功能改动与衰减,非辐射复合添加,器材的漏电流添加,半导体资料缺陷增加,金属电极电搬迁,LED背光源液晶屏上台 绿色安防独占前锋封装用环氧树脂黄化等等,严重影响LED的光电参数。乃至使功率LED失效。因而,关于LED器材,下降热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研讨显得日趋重要。

  注:以上资料,参阅了几位硕士、博士的论文内容。

  LED完结高亮度,还有那些困难?
制造高亮度LED,运用新原料是一个重要的难题。

  


挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
LED资料开展

  咱们能够检查一下,近20年来,LED资料开展史:

  1991年,日亚公司研制成功同质结GaN基蓝光LED,峰值波长430nm,光谱半宽55rim,其光输出功率为其时商场上SiC LED的10倍,外量子功率约为0.18%。

  1995年,日亚公司,又研制成功InGaN/AIGaN双异质结的烛光级超高亮度蓝色LED,在20mA的正向电流下,输出功率为1.5mW,外量子功率为2.7%,波长和半宽别离为450nm和70rim。

  1997年,Schlotter等人和Nakamura等人先后发明晰用蓝光管芯加黄光荧光粉封装成白光LED

  2001年,Kafmann等人,用UV LED激起三基色荧光粉得到白光LED。曩昔的几年中,白光LED引起了LED产业界和学术界的广泛注重。

  2006年,Cree公司,宣告推出一款新的冷白光LED—“XP.G”,发光功率和亮度都创下新的记载,其在驱动电流为350mA时,光通量达1391m,光效为1321m/W,亮度和光效别离比Cree最亮的XR.E LED进步37%和53%,被称之为“业界最亮且具有最高功率的照明级LEDt211”。

  2007年,日亚公司,发布了其新式LED,该试验型产品在顺向电流为350mA的条件下,光通量可达1451m,发光功率约为1341m/W,芯片的巨细为lmm2,色温为4988K(在Ir=20mA的情况下,发光功率更高达169 lm/W)。近两年,日亚公司出产的GaN基LED,无论是蓝光、紫光、紫外仍是白光LED均为世界上最高水平,其间460nm的蓝光LED的外量子功率能够到达34.9%。

  2007年,美国的Cree公司,在SiC衬底上成长双异质结,制造的器材相同很超卓,SiC衬底能够把Gabl基LED的金属电极制造在衬底的底部,电流能够通过低阻导电衬底的笔直活动,也为开展其它光电子器材奠定了根底。此公司在SiC上成长GaN基LED无论是小尺度芯片蓝光LED和紫光LED仍是大尺度蓝光LED和紫光LED均属世界尖端水平。

  

挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
高端LED电筒

  看过之后咱们会发现,近几年,仍是美国Gree公司和日本日亚公司在持续深入研讨,并取得了必定作用。但,LED的资料和工艺,并没有技能性的打破。虽然有许多组织在研讨,只需少量公司成功了,LED的技能难度可想而知。

  LED结构不是很简略吗?为啥还说,封装技能本钱高呢?

  理论上简略的东西,往往技能上最难打破。现有LED封装存在缺陷,也是一个影响价格的要害因素,在某些运用范畴,乃至决议了产品本钱。

  


挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
各式LED

  因为LED自身不具有抗湿气、防氧化、防短路、维护芯片等维护作用,因而需通过不同型式的拼装打线、胶体封装等制程。

  现在首要的发光二极管,依其后段封装结构与工艺的不同,分为下列几类:

  第一种,LED灯【LED LEMP】型式。

  将发光二极管芯片先行固定于具接脚之支架上,再打线胶体封装,将LED灯的接脚插设焊固于预设电路的电路基板上,完结终究的LED灯的光源制造。

  第二种,外表张贴式的LED【SMD LED】。

  将芯片先行固定到细微基板上,再进行打线的动作,接着进行胶体封装,终究再将该封装后的LED焊在印刷电路板上,并终究完结制造。

  第三种,覆晶式LED。

  完结芯片制造后,将芯片覆设于覆晶转接板上,并运用金球、银球、锡球等焊接方法,以高周波方法焊接,然后做成LAMP或SMD进行胶体封装,终究再将制品焊在印刷电路板上,然后进行终究制造。

  第四种,另一种覆晶式LED。
 

  运用金球、银球、锡球等焊接制造,以高周波方法将芯片焊设于覆晶转接板后封成LAMP或SMD、高功率LED,再进一步焊设于印刷电路板上,进行终究制形成光源结构。

  第五种,CHIP ON BORD。

  将芯片固设于印刷电路板上,再进行打线的动作,接着进行胶体封装,直至终究完结。

  以上五种方法,其一起缺陷是工序多,封装繁琐,设备昴贵,封装后的LED散热作用欠安;并且其制品,LED照度会因封装资料受热发作蜕变及其它种种原因阻挠而减低。

  其间与高周波机有关的工序和技能,首要在国外,或在台湾省进行。高周波机用到的高周波与超声波是不同的两个概念,高周波是指频率大于100Khz的电磁波,超声波是指频率超越20千赫兹的声波。高周波的焊接原理、熔接原理与超声波也是不一样的,高周波是运用高频电磁场使物料内部分子间相互剧烈磕碰发作高温到达焊接和熔接的意图,而超声波是运用冲突生热的原理发作许多的热量到达焊接和熔接的意图。

  LED现在的封装制程资料、胶(环氧树脂或硅胶)、支架、芯片、金(铝)线而有以下缺失及待战胜问题:

  1, 本钱高。
2, 散热欠安。
3, 因散热不良而导改LED寿数减低。
4, 封胶不只形成热的积蓄及胶的黄化形成光衰。
5, 因接线与支架封胶之良率及应力形成安稳度及牢靠度的下降。
6, LED在加工进程,只能在280℃,5秒以内完结。
7, 不耐冷热冲击。

  LED亮度要再打破,必须在磊晶芯片的内部及外部,进一步提高量子功率,并削减封装后亮度的衰减,归于磊晶及晶粒工艺有待加强改进。

  莫非LED的价格问题,就很难改进吗?

  综上所述,咱们能够总结为,现在所撒播的LED的许多长处,实在存在,可是仅限于低亮度的LED产品。低亮度的LED要靠数量制胜,而高亮LED才是未来的开展趋势,现在大力宣扬低亮度LED的优势有以点盖面、以偏概全的炒作嫌疑。

  咱们能够这样以为,LED最大的缺陷仍是价格太高,高亮LED尚处在有价无市的层面上。

  

挥之不去的阴霾 拷问LED缺陷及成因
三色LED

  依照Haitz规律,LED的价格每十年将下降十倍。若没有新的代替产品呈现,咱们仍是有期望,看见高亮度LED昌盛的那一天。

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