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高亮度LED处理关键问题前程似锦
来源:http://www.jgjjl.com 编辑:www.kb88.com 2018-10-21 08:46

  高亮度LED处理关键问题前程似锦

   跟着发光二极管发光功率的不断前进,发光二极管无疑为近几年来最受注重的光源之一。一方面凭仗的其轻、薄、短、小的特性,另一方面藉其封装型式的耐摔、耐震及特别的发光光形,发光二极管确实给了一般人们一个很不相同的光源挑选。可是,现在现已看到LED开展的困难包含散热问题,以及发光二极管特别发光光形的运用等。怎么战胜,检测各家厂商研制才能。

  
发光二极管有一个很大的特色,就是具有低电流、低电压驱动的省电特性,而这样的特性在国际动力缺少及各国针对绿色环保观念的前进一起,特别招引咱们的留意。现在各国政府除了努力于新式动力的开发外,对既有电器设备功率的前进及环保的研讨亦投注适当的心力。而在研制怎么下降工业用电量的一起,现在普及率约80%的家电用品耗电量也逐渐受到注重。

  
在照明发光方面,以能委会估量的成果来看,若运用现在发光功率较高的荧光灯具(66~75lm/W)替代传统运用的60W白炽灯泡,在每年点灯时刻为3,500小时的情况下来核算,一年约可节省的电量约6.89亿度(约8.86万kW)。

  
而荧光灯具尽管有现在较高的发光功率、较低的制造本钱等长处,可是由于荧光灯具的灯管中含汞,而用于封装荧光灯具的资料又以可吸收紫外线的玻璃为主,玻璃易碎的特性加上汞废料的不易收回,均会严峻地构成环境的污染。因而欧盟现已明令将在2007年开端禁用这些含汞制品,也因而新式照明灯源的开发现已成为各国政府开展的方针,而LED(light emitting diode),也就是咱们往常说的发光二极管,更是现在各国在照明方面开展的要点。

  
发光二极管发光原理

  
所谓的发光二极管其结构基本上就是传统的p-n二极管,但其首要功用并不是用来整流,而是运用其在加上正偏压后电流通过pn接面时,促进接面部分的电子电洞结合而放光。

  

而发光二极管所宣布光的波长除了决定于二极管所用半导体资料的波长外,也取决于不同资料间的混合份额。图2为各发光资料能带、晶格常数与发光波长间的联系,能够看出现在红、黄、绿光首要是以InGaAlP资料为主,而蓝、绿光则是以InGaN资料为主。

  
发光二极管之制程技能

  
关于半导体发光二极管而言,晶格的匹配是一个严峻的课题,由于关于大部分III -V族半导体而言,并没有刚好合适的基板(substrate)可承载上方的磊晶层,而生长的磊晶层其晶格巨细有必要与基板的晶格匹配,才不至于因应力的要素导致晶格缺陷,使得组件宣布的光子被缺陷吸收,而大幅下降组件的发光功率。最早的III-V族半导体异构磊晶(heteroepitaxy)是选用 GaAs作基板,并在其上生长GaAlAs的磊晶层,由于这两种资料的晶格十分近似,所以磊晶层与基片之间的应力极小,因而研制进程中并无发作太大的困扰。

  

可是后来连续开展出来的磊晶如GaAs1-xPx生长在GaAs基板上,或是GaAsxP1-x生长在GaP基板上都有应力存在的问题。因而在光电资猜中,往往会藉由调整二元、三元乃至四元资料的比率,这样一方除了能够藉不同巨细的多元原子的份额来匹配基片的晶格结构,也可由于调整半导体的能隙巨细,而调整发光组件发光的波长,唯这样的办法在磊晶参数的调整上也杂乱许多,也因而能够看出,磊晶技能能够称为半导体发光组件技能中的中心。

  
而在磊晶办法前进的一起,磊晶的结构也继续地在改进。最早的结构当然是传统p-?n接面的发光二极管,可是其发光功率并无法得到显着地改进,因而运用单一异质接面(Single?Heterojunction, SH)结构的办法开端被运用在磊晶的制程上,能够前进二极管中少数载子注入(minority carrier injection)功率,因而发光功率取得显着地前进。之后更开展出双异质接面(Double Heterojunction, DH)结构,这种结构两头的资料能隙高于中心者,因而能够十分有用地将双方之载子注入到中心层且将这些载子彻底困在这一范围内,而发生十分高的光电变换效能。最新的办法当然是在磊晶层傍边选用量子结构,当双异质接面结构的中心层厚度逐渐缩小到数10埃(A)时,电子或电洞即发生量子效应,而可大幅前进光电变换之作用。

  
在此所提的磊晶技能首要是针对III-V族资猜中发光波长会集在红、黄光波段资料的GaAs系列。这系列的发光二极管开展较早,也较早取得较佳的成果。可是若期望取得全彩的半导体光源,无论怎么有必要开展出蓝、绿光波段的半导体发光二极管,而GaN系列的发光二极管也在这样的需求下,在近年来有了显着的前进。

  
GaN制程困扰顺畅战胜

  
运用于蓝、绿光发光二极管的资料,前期首要是ZnSe及 GaN。由于ZnSe有牢靠度的问题,因而才让GaN有更大的开展空间。仅仅前期GaN的研讨迟迟未能取得显着的开展,首要是由于一向无法找到与GaN晶格常数相匹配的基板,构成磊晶中缺陷密度过高,也因而发光功率一直无法前进。

  
另一个构成GaN无法取得打破的原因,在于组件的P-GaN部分生长不易,不光P-GaN的掺杂(doping)过低,且其电洞之移动率(mobility)也较低。一向到1983年日本的田贞史(S. Yoshida)等人在蓝宝石(Sapphire)基板上先用高温生长氮化铝(AlN)当作缓冲层,然后生长出的GaN才取得较佳的结晶,之后名古屋大学的赤崎勇教授(I. Akasaki)等人运用MOCVD在低温下(600℃)先生长AlN缓冲层,而得到其上方在高温生长后如镜面般的GaN。1991年日亚公司(Nichia Co.)的研讨员中村修二(S. Nakamura)运用低温生长GaN之非结晶缓冲层,再以高温生长得到同为镜面般的GaN,此刻磊晶部分的问题现已取得严峻的打破。

  
另一方面,1989?年赤崎勇教授运用电子束照耀镁(Mg)掺杂之P-GaN,可得到显着之P型GaN,之后日亚公司的中村修二更直接运用700℃的热退火完结P型GaN的制造,至此困扰GaN开展的两个严峻问题终取得打破。

   1993年,日亚公司运用上面的两项研讨,成功开宣布可宣布一烛光(Candela)的GaN蓝光发光二极管,其寿数达数万小时。然后绿光发光二极管、蓝、绿光二极管雷射连续被开宣布来。

  
厂商努力前进发光二极管功率

  
发光二极管的发光功率一般称为组件的外部量子功率(external quantum efficiency),其为组件的内部量子功率(internal quantum efficiency)及组件的取出功率(extraction efficiency)的乘积。所谓组件的内部量子功率其实就是组件自身的电光变换功率,首要与组件自身的特性如组件资料的能带、缺陷、杂质及组件的磊晶组成及结构等相关。而组件的取出功率指的则是组件内部发生的光子,在通过组件自身的吸收、折射、反射后实际上在组件外部可量测到的光子数目。因而相关于取出功率的要素包含了组件资料自身的吸收、组件的几许结构、组件及封装资料的折射率差及组件结构的散射特性等。

  
而上述两种功率的乘积,就是整个组件的发光作用,也就是组件的外部量子功率。前期组件开展会集在前进其内部量子功率,办法首要是运用前进磊晶的质量及改动磊晶的结构,使电能不易变换成热能,进而直接前进LED的发光功率,而可取得约70%左右的理论内部量子功率。可是这样的内部量子功率简直现已挨近理论的极限,在这样的情况下,光靠前进组件的内部量子功率是不可能前进组件的总光量,也就是外部量子功率到达现在的2~3倍,因而前进组件的取出功率便成为重要的课题。现在用于前进组件取出功率的办法,首要能够分为下列几个方向:

  
晶粒外型的改动-TIP结构

  
传统发光二极管晶粒的制造为规范的矩型外观。由于一般半导体资料折射系数与封装环氧树脂的差异大,而使交界面全反射临界角小,而矩形的四个截面相互平行,光子在交界面脱离半导体的机率变小,让光子只能在内部全反射直到被吸收殆尽,天生皮肤暗黄怎么调理变白教你轻松拥有白嫩肌肤,使光转成热的办法,构成发光作用更欠安。因而,改动LED形状是一个有用前进发光功率的办法。HP公司所开展的TIP(Truncated?Inverted?Pyramid)型晶粒结构,4个截面将不再是相互平行,而光就可很有用地被引出来,外部量子功率则大幅前进至55%,发光功率高达100流明/瓦,是第一个到达此方针的发光二极管。

  
可是HP的TIPLED只适用在易于加工的四元红光发光二极管上,关于运用硬度极高的蓝宝石(Sapphire)基板之GaN系列发光二极管而言有适当的困难。2001年头,Cree公司用相同的结构概念(图4),挟着其基板是SiC的优势,也成功将GaN/SiC发光二极管相同作成具有斜面之LED,并将外部量子功率大幅前进至32%;可是SiC基板比Sapphire贵许多,因而现在在这一技能上,尚无进一步的开展。

  
外表粗化(surfaceroughness)技能

  
藉由将组件的内部及外部的几许形状粗化,损坏光线在组件内部的全反射,前进组件的使出功率。这样的办法最早是由日亚化学所提出,其粗化办法基本上是在组件的几许形状上构成规矩的凹凸形状,而这种规矩散布的结构也依所在位置的不同分为两种办法,一种是在组件内设置凹凸形状,另一种办法是在组件上方制造规矩的凹凸形状,并在组件反面设置反射层。由于运用传统制程即可在GaN系化合物半导体层的界面设置凹凸形状,因而上述第一种办法具有较高的实用性。现在若运用波长为405nm的紫外组件,可取得43%外部量子功率,取出功率为60%,为现在全球最高的外部量子功率与取出功率。

  
芯片黏贴技能(waferbonding)

  
由于发光二极管所发生的光线在通过屡次全反射后,大部份都被半导体资料自身与封装资料所吸收。因而若运用会吸光的GaAs?作为AlGaInP?LED的基板时,将使得发光二极管内部的吸收丢失变更大,而大幅下降组件的取光功率。为了削减基板对LED所宣布光线的吸收,HP首要提出通明基板之张贴技能。所谓的通明基板黏贴技能首要是将发光二极管晶粒先在高温环境下施加压力,并将通明的GaP基板张贴上去,之后再将GaAs除掉,如此便可前进二倍的光线取出率。

  
上述的芯片张贴技能现在首要仍是运用在四元LED组件上,可是近来也开端将此技能运用在GaN?LED上。Osram Opto Semiconductors在2003年2月也宣布了新的研讨成果-ThinGaN,可将蓝光LED取光功率前进至75%,比传统前进了3倍。

  
覆晶封装技能(Flipchip)

  
关于运用蓝宝石基板(sapphire substrate)的GaN系列的资料而言,由于其P极及N极的电极有必要做在组件的同一侧,因而若运用传统的封装办法,占组件大部分发光视点的上方发光面将会由于电极的挡光而丢失适当程度的光量。所谓的Flip?Chip结构就是将传统的组件反置,并在p型电极上方制造反射率较高的反射层,藉以将原先从组件上方宣布的光线从组件其它的发光视点导出,而由蓝宝石基板端缘取光(如图5)。这样的办法由于下降了在电极侧的光损耗,可有挨近于传统封装办法两倍左右的光量输出。另一方面,由于覆晶结构可直接藉由电极或是凸块与封装结构中的散热结构直触摸摸,而大幅前进组件的散热作用,进一步前进组件的光量。

  
白光led成为舞台焦点

  
在各色LED发光功率开端大幅前进的一起,将高亮度LED运用于照明的可能性也越来越高。而这样运用的考虑在于怎么开宣布白光发光二极管。现在运用发光二极管配成白光的办法首要为3种,别离阐明如下:

  

单晶蓝光LED与黄光荧光粉

  
日亚公司在蓝光发光半导体成功被开宣布来之后,跟着开宣布来的产品就是白光发光二极管。其实日亚公司的白光发光二极管并不是半导体资料自身直接宣布白光,而是藉由蓝光发光二极管激起涂布在其上方的黄光YAG荧光粉,荧光粉被激起后发生的黄光与原先用于激起的蓝光互补而发生白光。现在日亚公司市售产品乃是运用460nm的InGaN蓝光半导体激起YAG荧光粉,而发生出555nm的黄光,且现已彻底产品化,与其它几家相同在开展高亮度LED的大厂Lumileds Lighting、Cree、丰田组成(Toyoda Gosei)在LED商场上不断在竞合。而跟着蓝光晶粒发光功率的不断前进及YAG荧光粉组成技能的逐渐老练,蓝光晶粒与黄光荧光粉封装的白光发光二极管为现在较老练的白光发光二极管技能。

  
单晶型UVLED+RGB荧光粉

  
尽管说运用蓝光晶粒合作黄光YAG荧光粉的白光发光二极管封装技能是现在较老练的技能,可是运用这样办法封装出来的白光发光二极管有几个严峻的问题迟迟无法处理。首要是均匀度的问题,由于激起黄光荧光粉的蓝光晶粒实际上参加白光的配色,因而蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的改动及荧光粉涂布厚度的改动均会影响白光的均匀度。最常看见的比如就是运用这种办法封成的白光发光二极管,中心的部分看起来较蓝(或较白),而周围的区域看起来较黄(荧光粉涂布较厚),每一颗白光发光二极管的色彩更不尽相同。

  
另一方面,开展此技能的日亚公司具有大部分相关于蓝光晶粒制程技能与黄光YAG?荧光粉相关白光发光二极管的专利,而日亚公司关于专利是采纳改寡占商场的情绪,因而关于运用蓝光晶粒合作黄光荧光粉出产白光发光二极管的厂商均是有苦难言。而运用蓝光晶粒配上黄光荧光粉的白光发光二极管技能,更有白光色温偏高、演色性偏低一级问题。因而开发一个作用更好且没有专利问题的技能是现在各发光二极管厂商的严峻课题。

   UV?LED配上三色(R、G、B)荧光粉供给了另一个方向研制方向。其办法首要是运用实际上不参加配出白光的UV LED激起红、绿、蓝三色荧光粉,藉由三色荧光粉宣布的三色光配成白光。这样的办法由于UV LED不实际参加白光的配色,因而UV?LED波长与强度的动摇关于配出的白光而言不会特别的灵敏。并可藉由各色荧光粉的挑选及配比,调制出可接受色温及演色性的白光。而在专利方面,运用UV LED+RGB荧光粉相关的研制仍有适当的发挥空间。可是这样的技能尽管有种种的长处,可是仍有适当的技能难度,这些困难包含了合作荧光粉紫外光波长之挑选(荧光粉最佳变换功率之激起波长)、UV?LED制造的难度及抗UV封装资料的开发等等,均待各研制单位一一去处理。

  

多晶型RGBLED

  
将宣布红、蓝、绿三种色彩的晶粒,直接封装在一起,藉由红、绿、蓝三色直接配成白光的办法,可制成白光发光二极管。运用三色晶粒直接封装成白光二极管这种办法是最早用于制成白光的办法,其长处是不需通过荧光粉的变换,藉由三色晶粒直接配成白光,除了可防止由于荧光粉变换的丢失而得到较佳的发光功率外,更能够藉由分隔操控三色发光二极管的光强度,到达全彩的变色作用(可变色温),并可藉由晶粒波长及强度的挑选得到较佳的演色性。

  
但其缺陷为混光困难,运用者在此光源前方遍地可容易观察到多种不同的色彩,并在各遮蔽物后方看到五颜六色的影子。别的,由于所运用的三个晶粒都是热源,散热问题更是其它种封装型式的3倍,而添加其运用上的困难。现在运用多晶形RGB?LED封装型式的白光发光二极管约可得到25~30lm/W的功率。首要运用在散热问题较不严峻的野外显现广告牌、野外景观灯、可变色洗墙灯等。但另一方面,若可藉由电子电路操控的规划,运用多晶形RGB LED封装型式的发光二极管,很有时机成为替代现在运用CCFL的LCD背光模块中背光源的首要光源之一。

  
白光LED有必要通过散热检测

  
尽管说跟着白光发光二极管发光功率的逐渐前进,将白光发光二极管运用在照明的可能性也越来越大,可是很显着地,单颗白光发光二极管其驱动电源稳压器均偏低,因而以现在的封装型式是不太可能以单颗白光发光二极管来到达照明所需求的流明数。

  
针关于这个问题,现在首要的处理办法大致上可分为两类,一类是较传统地将多颗发光二极管运用组成光源模块来运用,而其间每单颗发光二极管所需求的驱动电源与一般所运用的相同(约为20~30mA);另种办法为现在几个高亮度发光二极管制造商所运用的办法,就是运用所谓的大晶粒制程,此刻不再运用传统晶粒的巨细(0.3mm2),而将晶粒制程为更大的尺度(0.6mm2~1mm2),并运用高驱动电流来驱动这样的发光组件(一般为150~350mA,现在更可高至500mA以上)。

  
但无论是运用何种办法,都会由于有必要在极小的发光二极管封装中处理极高的热量,若组件无法散去这些高热,除了各种封装资料会由于彼此间膨胀系数的不同而有产品牢靠度的问题,晶粒的发光功率更会跟着温度的上升而有显着地下降,并构成其受显着地缩短。因而怎么散去组件中的高热,成为现在发光二极管封装技能的重要课题。

  
关于发光二极管而言,其最重要的就是输出的光通量及光形,所以发光二极管其间一端必定不能遮光,而需运用高通明作用的环氧树脂资料包覆。可是现在的环氧树脂简直都是不导热资料,因而关于现在的发光二极管封装技能而言,其首要的散热均是运用其发光二极管晶粒下方的金属脚座(leadframe)以散去组件所宣布的热量。

  

就现在的趋势看来,金属脚座资料的挑选首要是以高热传导系数的资料为组成,如铝、铜乃至陶瓷资料等,但这些资料与晶粒间的热膨胀系数差异甚大,若将其直触摸摸很可能由于在温度升高时资料间发生的应力而构成牢靠度的问题,所以一般都会在资料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中心资料作为距离。选用上述的观念,松下电器于2003年将多颗发光二极管制成在金属资料与金属系复合资料所制成的多层基板模块上以构成光源模块,运用光源基板的高导热作用,使光源的输出在长时刻运用下仍能保持安稳。

  

相同运用高散热基板的主意,Lumileds将其运用在大面积晶粒的产品上。Lumileds基板所运用的资料为具有高传导系数的铜材,再将其衔接至特制之金属电路板,统筹电路导通及添加热传出之作用。

  
而除了Lumileds外,包含OsramOptoSemiconductors及日亚化学皆已推出1W以上大晶粒的产品(图8、图9)。从这些高亮度发光二极管制造商纷繁推出大晶粒、大功率的产品看来,好像大晶粒相关的制程、封装技能好像现已逐渐成为高亮度发光二极管的干流。可是大晶粒相关的制程及封装技能不仅仅将晶粒面积做大罢了,相关的制程及封装技能关于传统发光二极管厂商而言仍是有着适当的门坎,可是若期望将发光二极管推往高亮度照明范畴,相关技能的研制仍为必经之进程。

  
处理要害问题 LED前程似锦

  
跟着近年来发光二极管发光功率逐渐前进,将发光二极管运用为发光光源的可能性也越来越高。可是在人们只考虑前进发光二极管发光功率的一起,怎么充分运用发光二极管的特性、及将其运用在照明时可能会遇到的困难,现已是各大照明厂现在的方针。现在现已看到的困难包含了散热问题,及发光二极管特别发光光形的运用等。

  
 

  在散热方面,发光二极管尽管号称为冷光源,可是由于现在其电光功率仍有适当改进的空间,也就是说仍有适当程度的电能由于没有变换成光而构成剩余的热能,这些热能会集在晶粒尺度巨细时将构成严峻的散热问题。因而杰出的散热规划及散热资料的开发为现在的要点。

   而就发光二极管的发光光形而言,发光二极管有与传统灯源彻底不同的发光特性,除了是由于其晶粒自身极小的尺度外,各种发光二极管不同的封装型式更会构成彻底不同的发光光形,因而相关于发光二极管照明运用的规划将不能再简略地在光源上套上聚光透镜或是反射镜,而有必要通过更细心的光学规划。在这部份,各公司及研制单位都有不同方向,可是除了开发技能外,怎么将这些技能量产化,则是未来固态光源能否成为照明光源干流的要害。
(修改:小汤)
 

  

   高亮度LED处理问题