LED发光原理

LED发光原理 LED发光原理及特点 LED(Light Emitting Diode)，即发光二极管。是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压，半导体中的少数截流子和多数截流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白色的光。 多变幻:LED光源可利用LED在电流瞬间通断发光无余辉和红、绿、蓝三基色原理，并发挥我们多年对LED显示屏控制技术的研究，采用LED显示屏控制技术实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的"动态光源"。 高节能:直流驱动，超低功耗(单管0.03-0.06瓦)电光功率达90%以上，同样照明效果比传统光源节能80%以上。 寿命长:LED为固体冷光源，环氧树脂封装，因此无灯丝发光易烧、热沉积等缺点。工作电压低，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长5倍以上。 利环保:冷光源、眩光小，无辐射，不含汞元素，使用中不发出有害物质。 高新尖:与传统光源比，LED光源融合了计算机、网络、嵌入式控制等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。 光源术语 光通量(lm):光源每秒钟发出可见光量之总和。例如一个100瓦(w)的灯泡可产生1500流明(lm)，一支40瓦(w)的日光灯可产生3500lm的光通量。 发光强度(cd):光源在单位立体角度内发出的光通量，也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密度。光强的单位是坎特拉(cd)，也称烛光。如:一单位立体角度内发出1流明(lm)的光称为1坎特拉(cd)。 色温(k):以绝对温度(k=?+273.15)K来示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色逐渐由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白-蓝变化。当某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源的色温。如:当黑体加热呈现深红时温度约为550?，即色温为550? + 273 = 823K。 光效(lm/w):光源发出的光通量除以所消耗的功率。它是衡量光源节能的重要指标。 显色性(ra):光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。也就是颜色的逼真程度。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数 (ra)定为100。各类光源的显色指数各不相同,如:白炽灯ra?90，荧光灯ra=60,90。 平均寿命:光源在正常使用过程中，其中有50%的光源损坏时的时间。 LED灯 一、 LED 的结构及发光原理 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于 1960 年。 LED 是英文 light emitting diode (发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED 。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 二、 LED 光源的特点 1. 电压: LED 使用低压电源，供电电压在 6-24V 之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源 更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能:消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 3. 适用性:很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易 变的环境 4. 稳定性: 10 万小时，光衰为初始的 50% 5. 响应时间:其白炽灯的响应时间为毫秒级， LED 灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染:无有害金属汞 7. 颜色:改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄 绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 LED ，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 8. 价格: LED 的价格比较昂贵，较之 于白炽灯，几只 LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通 常每组信号灯需由上 300 , 500 只二极管构成。 三、单色光 LED 的种类及其发展历史 最早应用半导体 P-N 结发光原理制成的 LED 光源问世于 20 世纪 60 年代初。当时所用的材料是 GaAsP ，发红光( λ p =650nm )，在驱动电流为 20 毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约 0.1 流明 / 瓦。70 年代中期，引入元素 In 和 N ，使 LED 产生绿光( λ p =555nm )，黄光( λ p =590nm )和橙光( λ p =610nm )，光效也提高到 1 流明 / 瓦。到了 80 年代初，出现了 GaAlAs 的 LED 光源，使得红色 LED 的光效达到 10 流明 / 瓦。90 年代初，发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿、蓝光的 GaInN 两种新材料的开发成功，使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2000 年，前者做成的 LED 在红、橙区( λ p =615nm )的光效达到 100 流明 / 瓦，而后者制成的 LED 在绿色区域( λ p =530nm )的光效可以达到 50 流明 / 瓦。 四、单色光 LED 的应用 最初 LED 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以 12 英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的 140 瓦白炽灯作为光源，它产生 2000 流明的白光。经红色滤光片后，光损失 90% ，只剩下 200 流明的红光。而在新的灯中， Lumileds 公司采用了 18 个红色 LED 光源，包括电路损失在内，共耗电 14 瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。 1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快(纳秒级)，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 另外， LED 灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。 五、白光 LED 的开发 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。 1998 年发白光的 LED 开发成功。这种 LED 是将 GaN 芯片和钇铝石榴石( YAG )封装在一起做成。 GaN 芯片发蓝光( λ p =465nm ， Wd=30nm )，高温烧结制成的含 Ce3+ 的 YAG 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值 550nm 。蓝光 LED 基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有 YAG 的树脂薄层，约 200-500nm 。 LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于 InGaN/YAG 白色 LED ，通过改变 YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温 3500-10000K 的各色白光 其实LED灯就是我们平常所说的节能灯。(这点是错的,日常使用的节能灯和LED的工作原理根本不一样!但是LED灯被称之为节能灯却是没有问题的) 不同功率的LED灯，价格是不一样的。而且不同的工艺，不同的外表材质也会造成价格的差异 六、新霓虹灯与LED灯优缺点的比较和竞争 以下针对霓虹灯与LED灯相关比较，加入最新的LED技术进去比较，不是之前大家在网络中见到的哪份资料。 1. LED光源有10000小时寿命吗? 按光衰7%，实际只有约50000小时。按光衰3%，实际运用可以达到80000小时。 本公司大颗粒产品光衰3%/年，小颗粒产品光衰7%/年 2. LED不会发热吗? 会，需散热。本公司采用被动散热方式解决散热问题。 3. LED可取代白炽灯吗? 光通量，光效和显色性可以，但目前太贵且近几年不会有所下降。但可以通过提高产品的光通量从而降低替换白炽灯的成本。 4. LED可作普通光源简单地使用吗? 不行，要驱动电源，光学和热传导配合。 5. 二种光源性能和优点比较 霓虹灯的优势已被LED覆盖，但LED灯目前价太高。 6. 二种光源的电源比较 LED低压好，但防水性差和载电流过大。大颗粒1瓦的LED单灯输入电流在350mA。 7. 二种光源的控制技术比较 LED易实现，但霓虹灯成熟。 8. 二种光源的稳定性比较 LED不一致性大，霓虹灯相当稳定。少数产家可以做到相对稳定，比如用CREE 跟AOD芯片相结合，取各自芯片的优点。 9. 二种光源的价格比较 LED较贵，但黄色和红色已相当，主要贵的是LED白光。 10. 二种光源户外使用比较 LED防水性差是户外使用的致命弱点。 11. 二种光源目前市场的比较 全球照明产品年产值420亿美元(中国150亿美元)LED光源现比例小于1,。 七、什么是led灯的封装, led灯封装解释:简单来说led封装就是把led封装材料封装成led灯的过程; led灯封装:一般led封装必须经过扩晶-固晶-焊线-灌胶-切脚-分光分色等流程; led灯封装材料:led的主要封装材料有:芯片、金线、支架、胶水等; led灯封装设备:扩晶设备、固晶机、焊线机、点胶机、烘烤箱等，一般分为全自动封装设备手工封装设备两种。 八、如何评判led灯封装的好坏, led灯的好坏指标:led灯的好坏的几个指标是:角度、亮度、颜色(波长)一致性、抗静电能力、抗衰减能力等; led灯的封装材料:led封装材料是led灯好坏的直接因素，也是最基本的因素，led灯是几种主要材料的组合，一颗好的led灯必须是所有封装材料与生产技术的组合; led灯的封装技术:一般全自动设备封装要比手工封装的要好，封装的技术水平也是led灯封装的好坏的主要因素，同样的材料不同的生产厂家生产出来的产品有很大的差别; 九、制作led显示屏需要什么样的led灯,, led灯的外观:制作户外led电子屏主要使用直插式椭圆led灯，制作户内led电子屏主要使用表贴式led灯。 led灯的参数:亮度根据使用环境等因素而不同，波长红灯:620nm-625nm，绿灯波长:520nm-525nm，蓝灯波长:465nm-470nm。 led-定义 LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏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，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在 新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(λp=465nm，Wd=30nm)，高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。 上个世纪,,年代，科技工作者利用半导体,,结发光的原理，研制成了,,,发光二极管。当时研制的,,,，所用的材料是,,,,,，其发光颜色为红色。经过近,,年的发展，现在大家十分熟悉的,,,，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光,,,仅在近年才发展起来，这里向读者介绍有关照明用白光,,,。 led-介绍 ,( 可见光的光谱和,,,白光的关系。 众所周之，可见光光谱的波长范围为,,,,,,,,,,,，是人眼可感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如,,,发的红光的峰值波长为,,,,,。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色黄、绿、蓝合成。由此可见，要使,,,发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的,,,，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长发光(蓝色光，黄色光)或三波长发光(蓝色光，绿色光，红色光)的模式。上述两种模式的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术，即当前各大,,,制造公司追逐的“蓝光技术”。目前国际上掌握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家，所以白光,,,的推广应用，尤其是高亮度白光,,,在我国的推广还有一个过程。 ,( 白光,,,的工艺结构和白色光源。 对于一般照明，在工艺结构上，白光,,,通常采用两种方法形成，第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光;第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种方法产生白光的系统如图,所示，图中,,, ,,,芯片发蓝光(λ,,,,,,,)，它和,,,(钇铝石榴石)荧光粉封装在一起，当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光，结果，蓝光和黄光混合形成白光(构成,,,的结构如图,所示)。第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。 ,(白光,,,照明新光源的应用前景。 为了说明白光,,,的特点，先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯，其光效为,,,,,流明,瓦;荧光灯和,，,灯的光效为,,,,,,流明,瓦。对白光,,,:在,,,,年，白光,,,的光效只有,流明,瓦，到了,,,,年已达到,,流明,瓦，这一指标与一般家用白炽灯相近，而在,,,,年时，白光,,,的光效已达,,流明,瓦，这一指标与卤钨灯相近。有公司预测，到,,,,年，,,,的光效可达,,流明,瓦，到,,,,年时，,,,的光效可望达到,,,,,,,流明,瓦。那时的白光,,,的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光,,,作家用照明光源，将成可能的现实。 普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低(灯的热效应白白耗电)，寿命短，维护工作量大，但若用白光,,,作照明，不仅光效高，而且寿命长(连续工作时间,,,,,小时以上)，几乎无需维护。目前，德国,,,,,公司利用白光,,,开发了飞机阅读灯;澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光,,,作路灯照明;我国的城市交通管理灯也正用白光,,,取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光,,,定会进入家庭取代现有的照明灯。 LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点，虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地现有照明器件。 led-特点 LED特点和优点 LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。 体积小 LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。 耗电量低 LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说:它消耗的电不超过0.1W。 使用寿命长 在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时 高亮度、低热量 环保 LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。 坚固耐用 LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------- 色温及颜色的应用: (1)光源的色温: 人们用与光源的色温相等或相近的完全辐射体的绝对温度来描述光源的色表(人眼直接观察光源时所看到的颜色)又称光源的色温。色温是以绝对温度K来表示。不同的色温会引起人们在情绪上不同的反 应，我们一般把光源的色温分成三类: ,.暖色光:暖色光的色温在3300K以下，.暖色光与白炽灯光色相近，红光成分较多，给人以温暖、健康、舒适的感觉，适用于家庭、住宅、宿舍、医院、宾馆等场所，或温度比较低的地方。 ,.暖白光:又叫中间色，它的色温在3300K,5300K之间。.暖白光光线柔和，使人有愉快、舒适、安祥的感觉，适用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等场所。 ;.冷色光:又叫日光色，它的色温在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中，适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。 演色性: 光源对物体颜色呈现的程度称为演色性，也就是颜色的逼真的程度，演色性高的光源对颜色的表现较好，我们所看到的颜色 也就较接近自然颜色，演色性低的光源对颜色的表现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。 为何会有演色性高低之分呢?其关键在于该光线之分光特性，可见光之波长在380,,至780,,之范围内，也就是我们在光谱中见到的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光的范围，如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例与自然光相近，则我们眼睛所看到的颜色也就较为逼真。 我们一般以显色指数为表征显色性。颜色在标准光源的辐射下，显色指数定为100。当色标被试验光源照射时，颜色在视觉上的失真程度，就是这种光源的显色指数。显色指数越大，则失真越少，反之，失真越大，显色指数就越小。 不同的场所对光源的显色指数要求是不一样的。在国际照明协会中一般把显色指数分成五类: 类别 Ra 适用范围 1A ,90 美术馆、博物馆及印刷等行业及场所 2B 80—90 家庭、饭馆、高级纺织工艺及相近行业 2 60—80 办公室、学校、室外街道照明 3 40—60 重工业工厂、室外街道照明 4 20—40 室外道路照明及一些要求不高的地方 高亮度LED原理技术探析 晨怡热管 2009-4-28 16:25:37 前言: 过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代，其封装散热从来就不是问题，但近年来LED的亮度、功率皆积极提升，并开始用于背光与电子照明等应用后，LED的封装散热问题已悄然浮现。 上述的讲法听来有些让人疑惑，今日不是一直强调LED的亮度突破吗,2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律，从1965年第一个商业化的LED开始算，在这30多年的发展中，LED约每18个月; 24个月可提升一倍的亮度，而在往后的10年内，预计亮度可以再提升20倍，而成本将降至现有的1/10，此也是近年来开始盛行的Haitz定律，且被认为是LED界的Moore(摩尔)定律。 依据Haitz定律的推论，亮度达100lm/W(每瓦发出100流明)的LED约在2008年;2010年间出现，不过实际的发展似乎已比定律更超前，2006年6月日亚化学工业(Nichia)已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品，预计年底可正式投入量产。 Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律，根据Roland Haitz的表示，过去30多年来LED几乎每18;24个月就能提升一倍的发光效率，也因此推估未来的10年(2003年;2013年)将会再成长20 倍的亮度，但价格将只有现在的1/10。(图片来源:www.ledhp.com) 不仅亮度不断提升，LED的散热技术也一直在提升，1992年一颗LED的热阻抗(Thermal Resistance)为360?/W，之后降至125?/W、75?/W、15?/W，而今已是到了每颗6?/W?10?/W的地步，更简单说，以往 LED每消耗1瓦的电能，温度就会增加360?，现在则是相同消耗1瓦电能，温度却只上升6?;10?。 少颗数高亮度、多颗且密集排布是增热元凶 既然亮度效率提升、散热效率提升，那不是更加矛盾,应当更加没有散热问题不是,其实，应当更严格地说，散热问题的加剧，不在高亮度，而是在高功率;不在传统封装，而在新封装、新应用上。 首先，过往只用来当指示灯的LED，每单一颗的点亮(顺向导通)电流多在5mA;30mA间，典型而言则为20mA，而现在的高功率型LED(注1)，则是每单一颗就会有330mA;1A的电流送入，「每颗用电」增加了十倍、甚至数十倍(注2)。 注1:现有高功率型LED的作法，除了将单一发光裸晶的面积增大外，也有实行将多颗裸晶一同封装的作法。事实上有的白光LED即是在同一封装内放入红、绿、蓝3个原色的裸 晶来混出白光。 注2:虽然各种LED的点亮(顺向导通)电压有异，但在此暂且忽略此一差异。 在相同的单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，如此散热情况当然会恶化，但很不幸的，由于要将白光LED拿来做照相手机的闪光灯、要拿来做小型照明用灯泡、要拿来做投影机内的照明灯泡，如此只是高亮度是不够的，还要用上高功率，这时散热就成了问题。 上述的LED应用方式，仅是使用少数几颗高功率LED，闪光灯约1;4颗，照明灯泡约1;8颗，投影机内10多颗，不过闪光灯使用机会少，点亮时间不长，单颗的照明灯泡则有较宽裕的周遭散热空间，而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。 图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体材料，在各尖峰波长(光色)下的外部量子化效率图，虽然最理想下可逼近40,，但若再将光取效率列入考虑，实际上都在15,;25,间，何况两种材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范畴内，范畴之下的仅有20,。(图片来源: Lumileds.com) 可是，现在还有许多应用是需要高亮度，但又需要将高亮度LED密集排列使用的，例如交通号志灯、讯息广告牌的走马灯、用LED组凑成的电视墙等，密集排列的结果便是不易散热，这是应用所造成的散热问题。 更有甚者，在液晶电视的背光上，既是使用高亮度LED，也要密集排列，且为了讲究短小轻薄，使背部可用的散热设计空间更加拘限，且若高标要求来看也不应使用散热风扇，因为风扇的吵杂声会影响电视观赏的品味情绪。 散热问题不解决有哪些副作用, 好～倘若不解决散热问题，而让LED的热无法排解，进而使LED的工作温度上升，如此会有什么影响吗,关于此最主要的影响有二:(1)发光亮度减弱、(2)使用寿命衰减。 举例而言，当LED的p-n接面温度(Junction Temperature)为25?(典型工作温度)时亮度为100，而温度升高至75?时亮度就减至80，到125?剩60，到175?时只剩40。很明显的，接面温度与发光亮度是呈反比线性的关系，温度愈升高，LED亮度就愈转暗。 温度对亮度的影响是线性，但对寿命的影响就呈指数性，同样以接面温度为准，若一直保持在50?以下使用则LED有近20,000小时的寿命，75?则只剩10,000小时，100?剩5,000小时，125?剩2,000小时，150?剩1,000小时。温度光从50?变成2倍的100?，使用寿命就从20,000小时缩成1/4倍的5,000小时，伤害极大。 裸晶层:光热一体两面的发散源头:p-n接面 关于LED的散热我们同样从最核心处逐层向外讨论，一起头也是在p-n接面部分，解决一样是将电能尽可能转化成光能，而少转化成热能，也就是光能提升，热能就降低，以此来降低发热。 如果更进一步讨论，电光转换效率即是内部量子化效率(Internal Quantum Efficiency;IQE)，今日一般而言都已有70,?90,的水平，真正的症结在于外部量子化效率(External Quantum Efficiency;EQE)的低落。 以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED为例，Tj接面温度为25?，顺向驱动电流为350mA，如此以InGaN而言，随着波长(光色)的不同，其效率约在5,?27,之间，波长愈高效率愈低(草绿色仅5,，蓝色则可至27,)，而AlInGaP方面也是随波长而有变化，但却是波长愈高效率愈高，效率大体从8,?40,(淡黄色为低，橘红最高)。 从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知，硅封胶固定住LED裸晶与裸晶上的荧光质(若有用上荧光质的话)，然后封胶之上才有透镜，而裸晶下方用焊接(或导热膏)与硅子镶嵌芯片(Silicon Sub-mount Chip)连接，此芯片也可强化ESD静电防护性，往下再连接散热块，部分LED也直接裸晶底部与散热块相连。 Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法，因此其蓝宝石基板变成在上端，同时还加入一层银质作为光反射层，进而增加光取出量，此外也在Silicon Submount内制出两个基纳二极管(Zener Diode)，使LED获得稳压效果，使运作表现更稳定。(图片来源:Lumileds.com) 由于增加光取出率(Extraction Efficiency，也称:汲光效率、光取效率)也就等于减少热发散率，等于是一个课题的两面，而关于光取出率的提升请见另一篇专文:高亮度LED之「封装光通」原理技术探析。在此不再讨论。 裸晶层:基板材料、覆晶式镶嵌 如何在裸晶层面增加散热性，改变材质与几何结构再次成为必要的手段，关于此目前最常用的两种方式是:1.换替基板(Substrate，也称:底板、衬底，有些地方也称为:Carrier)的材料。2.经裸晶改采覆晶(Flip-Chip，也称:倒晶)方式镶嵌(mount)。 先说明基板部分，基板的材料并不是说换就能换，必须能与裸晶材料相匹配才行，现有AlGaInP常用的基板材料为GaAs、Si，InGaN则为SiC、Sapphire(并使用AlN做为缓冲层)。 为了强化LED的散热，过去的FR4印刷电路板已不敷应付，因此提出了内具金属核心的印刷电路板，称为MCPCB，运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热，不过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。(制图:郭长佑) 对光而言，基板不是要够透明使其不会阻碍光，就是在发光层与基板之间再加入一个反光性的材料层，以此避免「光能」被基板所阻碍、吸收，形成浪费，例如 GaAs基板即是不透光，因此再加入一个DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层来进行反光。而Sapphire基板则是可直接反光，或透明的GaP基板可以透光。 除此之外，基板材料也必须具备良好的热传导性，负责将裸晶所释放出的热，迅速导到更下层的散热块(Heat Slug)上，不过基板与散热块间也必须使用热传导良好的介接物，如焊料或导热膏。同时裸晶上方的环氧树脂或硅树脂(即是指:封胶层)等也必须有一定的耐热能力，好因应从p-n接面开始，传导到裸晶表面的温度。 除了强化基板外，另一种作法是覆晶式镶嵌，将过去位于上方的裸晶电极转至下方，电极直接与更底部的线箔连通，如此热也能更快传导至下方，此种散热法不仅用在LED上，现今高热的CPU、GPU也早就实行此道来加速散热。 从传统FR4 PCB到金属核心的MCPCB 将热导到更下层后，就过去而言是直接运用铜箔印刷电路板(Printed Circuit Board;PCB)来散热，也就是最常见的FR4印刷电路基板，然而随着LED的发热愈来愈高，FR4印刷电路基板已逐渐难以消受，理由是其热传导率不够(仅0.36W/m.K)。 为了改善电路板层面的散热，因此提出了所谓的金属核心的印刷电路板(Metal Core PCB;MCPCB)，即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上(如:铝、铜)，以此来强化散热效果，而这片金属位在印刷电路板内，所以才称为「Metal Core」，MCPCB的热传导效率就高于传统FR4 PCB，达1W/m.K?2.2W/m.K。 不过，MCPCB也有些限制，在电路系统运作时不能超过140?，这个主要是来自介电层(Dielectric Layer，也称Insulated Layer，绝缘层)的特性限制，此外在制造过程中也不得超过250?;300?，这在过锡炉时前必须事先了解。 附注:虽然铝、铜都是合适的热导热金属，不过碍于成本多半是选择铝材质。 IMS强化MCPCB在绝缘层上的热传导 MCPCB虽然比FR4 PCB散热效果佳，但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率，大体与FR4 PCB相同，仅0.3W/m.K，成为散热块与金属核心板间的传导瓶颈。 为了改善此一情形，有业者提出了IMS(Insulated Metal Substrate，绝缘金属基板)的改善法，将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方式直接与铝、铜板接合，然后再将LED配置在绝缘基板上，此绝缘基板的热传导率就比较高，达1.1;2W/m.K，比之前高出3;7倍的传导效率。 更进一步的，若绝缘层依旧被认为是导热性不佳，也有直接让LED底部的散热块，透过在印刷电路板上的穿孔(Through Hole)作法，使其直接与核心金属接触，以此加速散热。此作法很耐人寻味，因为过去的印刷电路板不是为插件组件焊接而凿，就是为线路绕径而凿，如今却是为散热设计而凿。 结尾 除了MCPCB、MCPCB，IMS法之外，也有人提出用陶瓷基板(Ceramic Substrate)，或者是所谓的直接铜接合基板(Direct Copper Bonded Substrate，简称:DBC)，或是金属复合材料基板。无论是陶瓷基板或直接铜接合基板都有24?170W/m.K的高传导率，其中直接铜接合基板更允许制程温度、运作温度达800?以上，不过这些技术都有待更进一步的成熟观察。 Philips公司的彩色动态式LED照明模块，四组灯泡内各有一个1W的高亮度、高功率LED，且分别是红、绿、蓝、琥珀等四种颜色，主要用于购物场所的气氛照明、墙壁色调的改变、建筑物的户外特效照明等。 责任编辑: banye 参与评论