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大功率LED改进 现状

发布 间:2013/9/24

高功率白光LED的现 与改进

       在众 环保光源应用方案中,LED是相 其他光源方案更为节能、便于组装设计的一种光源技术,其中,在照明光源应用中,高功 白光LED使用 为最频繁的发光元器件,但白光LED虽在 光效率、单颗功率各方面表现均有研发进展,实际上白光LED仍存 发光均匀性、封装材料寿命等问题,尤其在芯片散热的应用限制,则为开发LED光源 用首要必须改善的问题...

       高功 白光LED应用 日常照明用途,其实在环保光源日益受到重视后,已经成为开发环保光源的首要选择。但实际上白光LED仍有 多技术上的瓶颈尚待克服,目前已有相关改善方案,用以强化白光LED在发 均匀性、封装材料寿命、散热强化等各方面设计瓶颈,进行重点功能与效能之改善。
 

  一、 保光源需求增加 高功 白光LED应用 线

       LED光源 到青睐的主因,不外乎产品寿命长、光-电转 效率高、材料特性可在任意平面进行嵌装等特性。但在发展日常照明光源方面,由于需达到实用的“照明”需求 原以指示用途的LED就无 直接对应照明应用,必须从芯片、封装、载板、制作技术与外部电路各方面进行强化,才能达到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。

   市场需求层面观察,针对照明应用市场开发的白光LED,可 说是未来用量较高的产品项目,但为达到使用效用,白光LED必须 对照明应用进行重点功能改善。其一是针对LED芯片进行 化,例如,增加其光-电转 效率,或是加大芯片面积,让单个LED的发 量(光通量)达到 设计极限。其二,属于较折衷的设计方案,若在持续加大单片LED芯片 积较困难的前提下,改用多片LED芯片 装在同一个光源模组,也是可以达到接近前述方法的实用技术方案。

         二、 多芯片封装满足低成本、高亮度设计要求

        就产 实务需求检视,碍于量产弹性、设计难度与控制产品良率/成本 题,LED芯片 续加大会碰到成本与良率的设计瓶颈。一昧的加大芯片面积可能会碰到的设计困难,并非技术上与生产技术办不到,而是在成本与效益考量上,大面积 LED芯片 本较高,而且对于实际制造需求的变更设计弹性较低。

   而是利用多片芯片的整合 装方式 让多片LED小芯 在载板上的等距排列,利用打线连接各芯片、搭配光学封装材料的整体封装,形成一光源模组产品,而多片封装可以在进行芯片测试后,利用二次加工 合成一个等效大芯片的光源模组,但却在制作弹性上较单片设计LED光源 元件要更具弹性。

   时,多片之LED芯片模组解决 案,其生产成本也可因为芯片成本而大幅降低,等于在获得单片式设计方案同等光通量下,拥有成本更低的开发选项。

        三、 芯片整合光源模组仍需考量成本效益最大化

        另一 发展方向,是将LED芯片 积持续增大,透过大面积获得高亮度、高光通量输出效果。但过大的LED芯片面积 会出现不如设计预期之问题,常见的改进方案为修改复晶的结构,在芯片表面进行制作改善;但相关改善方案也容易影响芯片本身的散热效率,尤其在 源应用的LED模组 大多要求在高功率下驱动以获得更高的光通量,这会造成芯片进行发光过程中芯片接面所汇集的高热不容易消散,影响模组产品的应用弹性与主/被动 热设计方案。

   般设计方案中,据分析采行7mm2的芯 尺寸,其发光效率为最佳,但7mm2大型 片在良率与光表现控制较不易,成本也相对较高;反而使用多片式芯片,如4片或8片小 率芯片,进行二次加工于载板搭配封装材料形成一LED光源 组,是较能快速开发所需亮度、功率表现之 LED光源 组产品的设计方案。

   如Philips、OSRAM、CREE等光 产品制造商,就推出整合4、8片或 多小型LED芯片 装之LED光源 组产品。但这类利用多片LED芯片 构的高亮度元件方案也引起了一些设计问题,例如:多颗LED芯片 合封装即必须搭配内置绝缘材料,用以避免各别LED芯片 路现象;这样的制程相对于单片式设计多了许多程序,因此即使能较单片式方案节省成本,也会因额外绝缘材料制程而缩小了两种方案的成本差距。

        四、 用芯片表面制程改善也可强化LED光输 量

       除了 加芯片面积或数量是最直接的方法外,也有另一种针对芯片本身材料特性的发光效能改善。例如,可在LED蓝宝石基板 制作不平坦的表面结构,利用此一凹凸不规则之设计表面强化LED光输 量,即为在芯片表面建立Texture表面 晶架构。

  OSRAM即有 用此方案开发ThinGaN高亮 产品,于InGaN层先行形成金属膜材质、再进行剥离制程,使剥离后的表面可间接获得更高的光输 量!OSRAM号称 技术可以让相同的芯片获得75%光取 效率。

   一方面,日本OMRON的开 思维就相当不同,一样是致力榨出芯片的光取出效率,OMRON即尝 利用平面光源技术,搭配LENS光学 统为芯片光源进行反射、引导与控制,针对传统砲弹型封装结构的LED产品 见的光损失问题,进一步改善其设计结构,利用双层反射效果进而控制与强化LED的光 出量,但这种封装技术相对更为复杂、成本高,因此大多仅用于LCDTV背光 组设计。

        四、LED照明 用仍须改善元件光衰与寿命问题

        如果 待LED光源 入日常照明应用,其应用需克服的问题就会更多!因为日常照明光源会有长时间使用之情境,往往一开启就连续用上数个小时、甚至数十小时,那长时 开启的LED将会 为元件的高热造成芯片的发光衰减、寿命降低现象,元件必须针对热处理提出更好的方案,以便于减缓光衰问题过早发生,影响产品使用体验。

  LED光源 入日常应用的另一大问题是,如传统使用的萤光灯具,使用超过数十小时均可维持相同的发光效率,但LED就不 了。因为LED发光 片会因为元件高热而导致其发光效率递减,且此一问题不管在高功率或低功率LED皆然 只是低功率LED多仅 于指示性用途,对使用者来说影响相当小;但若LED作为 源使用,其光输出递减问题会在为提高亮度而加强单颗元件的驱动功率下越形加剧,一般会在使用过几小时后出现亮度下滑,必须进行散热设计改善才 达到光源应用需求。

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