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如何提高白光LED的光输出效率

发布时间:19-09-28 阅读:744

本日,白光LED仍然存在着发光平均性不佳、封闭材料的寿命不长等问题,无法发挥白光LED被等候的利用优点。但就需求层面来看,不仅一样平常的照明用途,随动手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛利用,使得最相宜开拓稳定白光LED的技巧钻研成果就广泛的被关注。

改良白光LED的发光效率,今朝有两大年夜偏向,一是前进LED芯片的面积,藉此增添发光量。二是把几个小型芯片一路封装在同一个模块下。

藉由前进芯片面积来增添发光量

虽然,将LED芯片的面积予以大年夜型化,藉此能够得到高得多的亮度,但因过大年夜的面积,在利用历程和结果上也会呈现拔苗助长的征象。以是,针对这样的问题,部分LED业者就根据电极构造的改进和覆晶的构造,在芯片外面进行改善,来达到50lm/W的发光效率。例如在白光LED覆晶封装的部分,因为发光层很靠近封装的相近,发光层的光向外部散出时,电极不会被遮掩,但毛病便是所孕育发生的热不轻易消失。

并非进行芯片外面改良后,再加上增添芯片面积就绝对可以迅速提升亮度,由于当光从芯片内部向外扩散射时,芯片中这些改良的部分无法进行反射,以是在取光上会受到一点限定,根据谋略,最佳发挥光效率的LED芯片尺寸是在7mm2阁下。

使用封装数个小面积LED芯片快速前进发光效率

和大年夜面积LED芯片比拟,使用小功率LED芯片封装成同一个模块,这样是能够较快达到高亮度的要求,例如,Citizen就将8个小型LED封装在一路,让模块的发光效率达到了60lm/W,堪称是业界的首例。

但这样的做法也激发的一些疑虑,由于是将多颗LED封装在同一个模块上,必须置入一些绝缘材料,以免造成LED芯片间的短路环境发生,如斯一来就会增添了不少的资源。

对此CiTIzen的解释是:“对付资源的影响幅度是相称小的,由于相较于整体的资源比例,这些绝缘材料仅不到百分之一,并可以使用现有的材料来做绝缘利用,这些绝缘材料不必要从新开拓,也不必要增添新的设备来因应。”

虽然CiTIzen的解释理论上是合理的,然则,对付无履历的业者来说,这便是一项寻衅,由于无论在良率、研发、临盆工程上都是必要予以降服的。还有其它要领可达到前进发光效率的目标,许多业者发明,在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的布局,这样或许可以前进光输出量,以是,有徐徐朝向在芯片外面建立Texture或Photonics结晶的架构。例如德国的OSRAM便因此这样的架构开拓出“Thin GaN”高亮度LED。道理是在InGaN层上形成金属膜,之后再剥离蓝宝石,这样,金属膜就会孕育发生映像的效果而得到更多的毫光掏出,根据OSRAM的资料显示,这样的布局可以得到75%的光掏出效率。

除了芯片的光掏出方面必要做努力外,由于期望能够得到更高的光效率,在封装的部分也是必须做一些改良。事实上,每多增添一道的工程都邑对光掏出效率带来一些影响,不过,这并不代表着,由于封装的制程就必然会增添更高的光丧掉,就像日本OMROM所开拓的平面光源技巧,就能够大年夜幅度的提升光掏出效率,这样的布局是将LED所射出的毫光,使用LENS光学系统以及反射光学系统来做节制的,以是OMROM称之为“Double reflecTIon ”。使用这样的布局,可将传统炮弹型封装等的LED所造成的光丧掉,针对封装的广角度反射来得到更高的光效率,更进一步的是,在外面所形成的Mesh长进行加工,而形成双层的反射效果,这样的要领可以获得不错的光掏出效率节制的。由于这样特殊的设计,使用反射效果达到高光掏出效率的LED,主要的用途是针对LCD TV背光所利用的。

封装材料和荧光材料的紧张性增添

假准期望用来作为LCD TV背光利用的话,那幺必要降服的问题就会更多了。由于LCD TV的继续应用光阴都是长达数个小时,以致10几个小时,以是,因为这样长光阴的应用环境下,拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会由于继续应用而孕育发生亮度衰减的环境。

今朝已颁发的高功率的白光LED,它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍,以是期望使用高功率白光LED来代替荧光灯作为照明设备的话,有一个必须降服的艰苦便是亮度递减的环境。例如,白光LED长光阴继续应用1W的环境下,会造成继续应用后半段光阴的亮度徐徐低落的征象,不是只有高功率白光LED才会呈现这样的环境,低功率白光LED也会存在这样的问题,只不过是由于低功率白光利用的产品不合,以是,并不会是以分外突显出这样的困扰。

应用的电流愈大年夜,所得到的亮度就愈高,这是一样平常对付LED能够达到高亮度的不雅念,不过,由于所应用的电流增添,是以封装材料是否能够遭遇这样长光阴的由于电流所孕育发生的热,也由于这样的继续应用,每每封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。

高功率LED的发烧量是低功率LED的数十倍,是以,会呈现跟着温度上升,而呈现发光功率低落的问题,以是在能够抗热性高封装材料的开拓上,相对显的异常紧张。

或许在20~30lm/W以下的LED,这些问题都不显着,然则,一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时刻,就必要设法主见子办理的。热效应所带来的影响,绝对不会仅仅只有LED本身,而是会对全部利用产品带来困扰,以是,LED假如能够在这一方面得到办理的话,那幺,也可以减轻利用产品本身的散热包袱。是以,在面对赓续前进电流环境的同时,若何增添抗热能力,也是现阶段的急待被降服的问题。从各方面来看,除了材料本身的问题外,还包括从芯片到封装材料间的抗热性、导热布局及封装材料到PCB板间的抗热性、导热布局和PCB板的散热布局等,这些都必要作整体性的考量。例如,纵然能够办理从芯片到封装材料间的抗热性,但因从封装到PCB板的散热效果不好的话,同样也是造成LED芯片温度的上升,呈现发光效率下降的征象。以是,就像是松下就为了办理这样的问题,从2005年开始,便把包括圆形、线形、面型的白光LED,与PCB基板设计成一体,来降服可能由于呈现在从封装到PCB板间散热中断的问题。但并非所有的业者都像松下一样,由于各业者的策略关系,有的业者以基板设计的简便为目标,只针对PCB板的散热布局进行改善。还有相称多的业者,由于本身不临盆LED,以是只能在PCB板做一些研发,但仅此照样不敷的,以是必要选择散热性优越的白光LED。能让PCB板上用的金属材料,能与白光LED封装中的散热槽慎密连接,达到散热的能力。这样看起来好象只是由于期望达到散热,而把简单的一件工作予以繁杂化,到底这样是不是符合成本和进步的观点?以本日的利用层面来说,很难做一个判断,不过,是有一些业者正朝向这方面作考量,例如CiTIzen在2004年所颁发的产品,便是能够从封装上厚度为2~3mm的散热槽向外散热,供给利用业者能够由于应用了具有散热槽的高功率白光LED,能让PCB板的散热设计得以发挥。

封装材料的改变使白光LED寿命达本来的4倍

发烧的问题不是只会对亮度体现带来影响,同时也会对LED本身的寿命呈现寻衅,以是在这一部份,LED赓续的开拓出封装材料来因应持续前进中的LED亮度所孕育发生的影响。

以前用来作为封装材料的环氧树脂,耐热性对照差,可能会呈现在LED芯片本身的寿命到达前,环氧树脂就已经呈现变色的环境,是以,为了前进散热性,必须让更多的电流得到开释。除此之外,不仅由于热征象会对环氧树脂孕育发生影响,以致短波长也会对环氧树脂造成一些问题,这是由于环氧树脂相称轻易被白光LED中的短波长毫光破坏,纵然低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏,更何况高功率的白光LED所含的短波长的毫光更多,恶化自然也加速,以致有些产品在继续点亮后的应用寿命不到5,000小时。以是,与其赓续的降服由于旧有封装材料-环氧树脂所带来的变色困扰,不如朝向开拓新一代的封装材料的选择。今朝在办理寿命这一方面的问题,许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂,而改用了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料。根据统计,由于改变了封装材料,事实上可以前进LED的寿命。就资料上来看,代替环氧树脂的封装材料-硅树脂,就具有较高的耐热性,根据试验,纵然是在摄氏150~180度的高温,也不会变色的征象,看起来彷佛是一个不错的封装材料。

硅树脂能够分散蓝色和近紫外光,与环氧树脂比拟,硅树脂可以抑制材料由于电流和短波长毫光所带来的劣化征象,缓和光穿透率下降的速率。以今朝的利用来看,险些所有的高功率白光LED产品都已经改用硅树脂作为封装的材料,例如,相对付波长400~450nm的光,环氧树脂约在个位的数百分比阁下,但硅树脂对400~450nm的毫光接受却不到百分之一,这样的落差,使得在抗短波长方面,硅树脂有着较出色的体现。

就寿命体现度而言,硅树脂可以达到延长白光LED应用寿命的目标,以致可以达到4万小时以上的应用寿命。然则不是真的得当用来做照明的利用还有待钻研,由于硅树脂是具有弹性的柔嫩材料,以是在封装的历程中,必要分外留意利用的要领,从而设计出最适当的利用技巧。

对付未来利用方面,前进白光LED的光输出效率将会是决胜的关键点。白光LED的临盆技巧,从以前的蓝色LED和*YAG荧光体的组合,开拓出仿真白光,到使用三色混杂或者应用GaN材料,开拓出白光LED,对付利用来说,已经可以看的出将会朝向更广泛的偏向扩展。别的,白光LED的发光效率,已经有了不错的成长,日本LED照明推进协会的目标是,期望能够在2009年达到100lm/w的发光效率,以是估计在数年内,100lm/w发光效率就能够实际上商业化利用。

日亚化学积极开拓白光半导体雷射

在期望LED达到色纯度较高的白光及高亮度的要求下,各业者赓续的从每一领域加以改良,而达到这一目标,但在进展速率上,看起来仍然相称的迟钝。是以部分业者开始斟酌采纳其它的技巧,来实现今朝业界对付类似白光LED的光亮度要求。在高亮度蓝、白光LED领域的日亚化学,便将一部份的研发偏向,朝向开拓白光雷射做努力。

日亚化学使用与白光LED相同的GaN系材料制作半导体雷射,开拓出了白光光源,以今朝的体现来说,辉度已经能够达到10cd/mm阁下,现有的白光LED假准期望达到这个辉度值是相称艰苦的,纵然增添电流期望亮度增添,但这样将会使得接合点的温度上升,所带来的结果不仅会使全部发光效率低落外,还会挥霍相称多的电量。

日亚化学所开拓的白光半导体雷射,在芯片端不再应用荧光材料,而是将发光部分和白光孕育发生的部分手开处置惩罚,使用200mw的蓝紫色半导体雷射,发出405nm的波长毫光,把蓝色或蓝紫色半导体雷射与光纤的面进行连接,让白光从涂了荧光材料光纤的另一壁发射出来,而所孕育发生出来的白光直径仅有1.25mm,这个面积只有相同光量白光LED的1/20,所需的功耗不到0.1W,以是,在散热部分也不必要太多斟酌。

虽然看起来在特点的方面是相称的不错,不过照样有一些毛病的,在应用寿命上,只有3,000小时阁下,价格太贵。虽然价格的问题花一点光阴就可以下降一些,然则以现在30万日圆的水准来看的,要降到3,000以致300日元,可能必要10年以上的光阴。

滥觞;国际led网



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