1. 電光源的分類
根據(jù)光的產(chǎn)生原理,電光源主要分為兩大類。
A.一類是以熱輻射作為光輻射原理的電光源,包括白熾燈和鹵鎢燈,它們都是以鎢絲為輻射體,通電后使之達(dá)到白熾溫度,產(chǎn)生熱輻射。這種光源統(tǒng)稱為熱輻射光源,目前仍是重要的照明光源,生產(chǎn)數(shù)量極大。
B.另一類是各種氣體放電光源,它們主要以原子輻射形式產(chǎn)生光輻射。根據(jù)這些光源中氣體的壓力,又可分為低氣壓氣體放電光源和高氣壓放電光源。
2 .電光源的性能指標(biāo)
電光源根據(jù)其名稱就可知它主要有光與電兩方面的性能指標(biāo),這兩方面的性能指標(biāo)當(dāng)然有著密切的聯(lián)系。但作為光源,主要還是光的性能指標(biāo),而對電的指標(biāo)也往往注重于它對光性能的影響。
(1) 光通量
光源的光通量表征著光源的發(fā)光能力,是光源的重要性指標(biāo)。光源的額定光通量指光源在額定電壓、額定功率的條件下工作,并能無拘束地發(fā)出光的工作環(huán)境下的光通量輸出。
光源的光通量隨光源點燃時間會發(fā)生變化,即點燃時間越長,光通量因衰減而變得越小。大部分光源在燃點初期光通量衰減較多,隨著燃點時間的增長,衰減也逐漸減小。光源的額定光通量有兩種情況:一種指電光源的初始光通量,即新光源剛開始點燃時的光通量輸出,它一般用于在整個使用過程中光通量衰減不大的光源,例如鹵鎢燈;另一種情況是指光源使用了 100 小時后的光通量輸出,它一般用于光通量衰減較大的光源,例如熒光燈。
(2) 發(fā)光效率
光源的光通量輸出與它取用的電功率的比稱為光源的發(fā)光效率,簡稱光效,單位是 lm/w 。在照明設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先選用光效高的光源。
(3) 顯色性
顯色性是光源的一個重要性能指標(biāo)。通常情況下光源一般用顯色指數(shù)衡量其顯色性,可概分為 4 組,在對某些顏色有特殊要求時則采用特殊顯色指數(shù)。
光源的顯色指數(shù)應(yīng)用示例
(4) 色表
光源的色表是指其表觀顏色,它和光源的顯色性是兩個不同的概念。例如熒光高壓汞燈的燈光從遠(yuǎn)處看又白又亮,色表較好,但該燈光下人的臉部呈現(xiàn)青色,說明它的顯色性并不是很好。色表同樣是電光源的重要性能指標(biāo)。
光源的色表雖然可以用紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等形容詞來表示,但為了定量表示,常用相關(guān)色溫來度量。光源的色表可以根據(jù)它們的相關(guān)色溫分成三類。
1、襯底技術(shù):LED 襯底 材料;襯底 結(jié)構(gòu);襯底 拋光;襯底 切割;襯底 摻雜;
襯底(substrate underlayment substratum)材料(material)結(jié)構(gòu)(structure formation) 拋光(polishing)切割(cut)摻雜(doping)
2、外延技術(shù):外延 工藝,外延 退火;LED 緩沖層,LED 覆蓋層,LED 量子阱,LED 晶格,LED 接觸層
外延(epitaxial) 工藝(manufacturing process)退火(annealing)緩沖層(buffer layer)覆蓋層(covering layers ;overlay)量子阱(quantum well) 晶格(lattice) 超晶格(superlattice)接觸層(contact layer)
3、芯片技術(shù):芯片 結(jié)構(gòu);芯片 制造;表面粗糙;外形;光子 晶體;襯底 剝離;襯底 健合;導(dǎo)光結(jié)構(gòu);劃片;刻蝕;鈍化;電極;
芯片(chip)結(jié)構(gòu)(structure formation) 制造 (manufacturing,manufacture)表面(surface)粗糙(rough)外形(form;appearance)光子(photon,photonic) 晶體(crystal)剝離(stripping)健合(bond)導(dǎo)光(Light conducting;Guiding light)劃片(dicing)刻蝕(etching)鈍化(Passivation)電極(electrode)
4、封裝技術(shù):封裝體、基座、透鏡、反射體、引線、引線框架、熱沉、白光、熒光粉、測量、導(dǎo)光板、粘結(jié)劑、材料、改進(jìn)、形狀、結(jié)構(gòu);
封裝(encapsulation;packaging)透鏡(lens)反射體(reflector)引線框架(Leadframe)引線(Lead wire)熱沉(Heat sink)白光(white light)熒光粉(phosphor)測量(measure)導(dǎo)光板(light guide plate;Light conducting plate)粘結(jié)劑(adhesive)材料(material)改進(jìn)(Modified)結(jié)構(gòu)(structure formation)形狀(shape,form)
5、應(yīng)用技術(shù):汽車 照明、室內(nèi) 照明、手機(jī)背光源、液晶顯示 背光源
應(yīng)用(application)汽車(car,automobile,vehicle)室內(nèi)(Indoors,room)手機(jī)(Mobile,cellphone)照明(illumination,lighting)液晶顯示(LCD,liquid crystal display)背光源(Backlight source)
熒光材料:熒光 芯片;熒光 封裝體;熒光基板;熒光 材料 芯片;熒光 反射體;熒光 粘結(jié)劑;熒光 導(dǎo)光板;熒光 間隔膜;熒光 有源層;
熒光材料(Fluorescent material)芯片(chip)熒光粉(phosphor)封裝體(package)基板(substrate)材料(material)反射體(reflector)粘結(jié)劑(adhesive)導(dǎo)光板(light guide plate;Light conducting plate)間隔膜(diaphragm)有源層(active layer)
由于LED萌生的光線在封裝天然樹脂內(nèi)反射,假如運用可以變更芯片側(cè)面光線挺進(jìn)方向的天然樹脂材質(zhì)反射板,則反射板會借鑒光線,使光線的抽取量急速銳減。因為這個,不可少想辦法減低LED芯片的溫度,換言之,減低LED芯片到燒焊點的熱阻抗,可以管用減緩LED芯片降低溫度效用的負(fù)擔(dān)。
相關(guān)LED的運用生存的年限,例如改用硅質(zhì)封裝材料與瓷陶封裝材料,能使LED的運用生存的年限增長一位數(shù),特別是白光LED的閃光頻譜包括波長低于450nm短波長光線,傳統(tǒng)環(huán)氧氣天然樹脂封裝材料極易被短波長光線毀傷,高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化,依據(jù)業(yè)者測試 最后結(jié)果顯露 蟬聯(lián)點燈不到10,000小時,高功率白光LED的亮度已經(jīng)減低二分之一以上,根本沒有辦法滿意照明光源長生存的年限的基本要求。到現(xiàn)在為止有兩種延長組件運用生存的年限的對策,作別是,制約白光LED群體的溫升,和休止運用天然樹脂封裝形式。
不過,其實大功率LED 的發(fā)卡路里比小功率LED高數(shù)十倍以上,并且溫升還會使閃光速率大幅下跌。具體內(nèi)部實質(zhì)意義作別是:減低芯片到封裝的熱阻抗、制約封裝至印刷電路基板的熱阻抗、增長芯片的散熱順利通暢性。
想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題
相關(guān)LED的閃光速率,改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu),都可以達(dá)到與低功率白光LED相同水準(zhǔn)。有鑒于此美國Lumileds與東洋CITIZEN等照明設(shè)施、LED封裝廠商,一個跟著一個研發(fā)高功率LED用簡易散熱技術(shù),CITIZEN在2004年著手著手制作白光LED樣品封裝,不必特別結(jié)合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱裝置的卡路里直接排放到外部,依據(jù)該CITIZEN報導(dǎo)固然LED芯片的結(jié)合點到散熱裝置的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,并且在普通背景下室溫會使熱阻抗增加1W左右,縱然是傳統(tǒng)印刷電路板無冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷狀況下,該白光LED板塊也可以蟬聯(lián)點燈運用。
相關(guān)閃光特別的性質(zhì)平均性,普通覺得只要改善白光LED的熒光體材料液體濃度平均性與熒光體的制造技術(shù),應(yīng)當(dāng)可以克服上面所說的圍困并攪擾。
因為增加電力反倒會導(dǎo)致封裝的熱阻抗急速降至10K/W以下,因為這個海外業(yè)者以前研發(fā)耐高溫白光LED,打算借此改善上面所說的問題。
固然硅質(zhì)封裝材料可以保證LED的40,000小時的運用生存的年限,不過照明設(shè)施業(yè)者卻顯露出來不一樣的看法,主要爭辯是傳統(tǒng)電燈泡與日光燈的運用生存的年限,被定義成“亮度降至30百分之百以下”。亮度減半時間為四萬鐘頭的LED,若換算成亮度降至30百分之百以下的話,大約只剩二萬鐘頭左右。
普通覺得假如徹底執(zhí)行以上兩項延壽對策,可以達(dá)到亮度30百分之百時四萬鐘頭的要求。因為這個,松下電工研發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù),該企業(yè)將1mm正方形的藍(lán)光LED以flip chip形式封裝在瓷陶基板上,繼續(xù)再將瓷陶基板粘附在銅質(zhì)印刷電路板外表,依據(jù)松下報道里面含有印刷電路板順德led顯示屏在內(nèi)板塊群體的熱阻抗約是15K/W左右。所以Lumileds與CITIZEN是采取增長結(jié)合點容許溫度,德國OSRAM企業(yè)則是將LED芯片設(shè)置在散熱裝置外表,達(dá)到9K/W超低熱阻抗記錄,該記錄比OSRAM以往研發(fā)同級產(chǎn)品的熱阻抗減損40百分之百。值當(dāng)一提的是該LED板塊 封裝時,認(rèn)為合適而使用與傳統(tǒng)辦法相同的flip chip形式,然而LED板塊與散熱裝置結(jié)合乎時常,則挑選最靠近LED芯片閃光層作為結(jié)合面,借此使閃光層的卡路里能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。
以往LED 業(yè)者為了取得充分的白光LED 光柱,以前研發(fā)大尺寸LED芯片 打算藉此形式達(dá)到預(yù)先期待目的。如上增長給予電力的同時,不可少想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題。然而,其實白光LED的給予電努力堅持續(xù)超過1W以上時光柱反倒會減退,閃光速率相對減低20~30百分之百。換言之,白光LED的亮度假如要比傳統(tǒng)LED大數(shù)倍,耗費電力特別的性質(zhì)逾越日光燈的話,就不可少克服下面所開列四大課題:制約溫升、保證運用生存的年限、改善閃光速率,以及閃光特別的性質(zhì)平均化。反過來說縱然白光LED具有制約熱阻抗的結(jié)構(gòu),假如卡路里沒有辦法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話,LED溫度升漲的最后結(jié)果毅然會使閃光速率急速下跌。
解決封裝的散熱問題才是根本辦法。
溫升問題的解決辦法是減低封裝的熱阻抗;保持LED的運用生存的年限的辦法是改善芯片外形、認(rèn)為合適而使用小規(guī)模芯片;改善LED的閃光速率的辦法是改善芯片結(jié)構(gòu)、認(rèn)為合適而使用小規(guī)模芯片;至于閃光特別的性質(zhì)平均化的辦法是改善LED的封裝辦法,這些個辦法已經(jīng)陸續(xù)被研發(fā)中。因為環(huán)氧氣天然樹脂借鑒波長為400~450nm的光線的百分率高達(dá)45%,硅質(zhì)封裝材料則低于1百分之百,輝度減半的時間環(huán)氧氣天然樹脂不到一萬鐘頭,硅質(zhì)封裝材料可以延長到四萬鐘頭左右,幾乎與照明設(shè)施的預(yù)設(shè)生存的年限相同,這意味著照明設(shè)施運用時期不需改易白光LED。然而硅質(zhì)天然樹脂歸屬高彈性軟和材料,加工時不可少運用不會刮傷硅質(zhì)天然樹脂外表的制造技術(shù),這個之外加工時硅質(zhì)天然樹脂極易依附粉屑,因為這個未來不可少研發(fā)可以改善外表特別的性質(zhì)的技術(shù)。
相關(guān)LED的長命化,到現(xiàn)在為止LED廠商采取的對策是改變封裝材料,同時將熒光材料散布在封裝材料內(nèi),特別是硅質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外線LED芯片上方環(huán)氧氣天然樹脂封裝材料,可以更管用制約材質(zhì)劣化與光線洞穿率減低的速度。
改變封裝材料制約材質(zhì)劣化與光線洞穿率減低的速度
2003年東芝Lighting以前在400mm正方形的鋁合金外表,鋪修閃光速率為60lm/W低熱阻抗白光LED,無冷卻風(fēng)扇等特別散熱組件前提下,試著制做光柱為300lm的LED板塊。主要端由是電流疏密程度增長2倍以上時,不惟不由得易從大型芯片抽取光線,最后結(jié)果反倒會導(dǎo)致閃光速率還不如低功率白光LED的窘境。依據(jù)德國OSRAM Opto Semi conductors Gmb實驗最后結(jié)果證明,上面所說的結(jié)構(gòu)的LED芯片到燒焊點的熱阻抗可以減低9K/W,約是傳統(tǒng)LED的1/6左右,封裝后的LED給予2W的電力時,LED芯片的結(jié)合溫度比燒焊點高18K,縱然印刷電路板溫度升漲到50℃,結(jié)合溫度頂多只有70℃左右;相形之下過去熱阻抗一朝減低的話,LED芯片的結(jié)合溫度便會遭受印刷電路板溫度的影響。制約白光LED溫升可以認(rèn)為合適而使用冷卻LED封裝印刷電路板的辦法,主要端由是封裝天然樹脂高溫狀況下,加上強(qiáng)光映射會迅速劣化,沿襲阿雷紐斯法則溫度減低10℃生存的年限會延長2倍 中國照明電器協(xié)會 LED照明門戶網(wǎng)站。
因為散熱裝置與印刷電路板之間的細(xì)致精密性直接左右導(dǎo)熱效果,因為這個印刷電路板的預(yù)設(shè)變得十分復(fù)雜。
為了減低熱阻抗,很多海外LED廠商將LED芯片設(shè)置在銅與瓷陶材料制成的散熱裝置(heat sink)外表,繼續(xù)再用燒焊形式將印刷電路板的散熱用導(dǎo)線連署到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷的散熱裝置上。因為東芝Lighting領(lǐng)有浩博的試著制做經(jīng)驗,因為這個該企業(yè)表達(dá)因為摹擬剖析技術(shù)的進(jìn)步提高,2006年在這以后超過60lm/W的白光LED,都可以輕松利用燈具、框體增長導(dǎo)熱性,或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷形式預(yù)設(shè)照明設(shè)施的散熱,不必特別散熱技術(shù)的板塊結(jié)構(gòu)也能夠運用白光LED。
Lumileds于2005年著手制作的高功率LED芯片,結(jié)合容許溫度更高達(dá)+185℃,比其他企業(yè)同級產(chǎn)品高60℃,利用傳統(tǒng)RF 4印刷電路板封裝時,四周圍背景溫度40℃范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流(約是400mA)。這也是LED廠商完全一樣認(rèn)為合適而使用瓷陶系與金屬系封裝材料主要端由。縱然封裝技術(shù)準(zhǔn)許高卡路里,然而LED芯片的結(jié)合溫度卻可能超過容許值,最終業(yè)者終于了悟到解決封裝的散熱問題才是根本辦法。
三種主流LED封裝散熱結(jié)構(gòu)
LED封裝光源的散熱問題,一直是LED產(chǎn)品開發(fā)中遇到非常重要的問題,特別是散熱材料的選用,一直是工程師的難題。因為產(chǎn)品材料的導(dǎo)熱性能就非常之關(guān)鍵。
就目前而言,陶瓷材料是導(dǎo)熱性能非常好的材料,它有導(dǎo)熱率高,良好的物量性能(不不收縮,不變形),良好的絕緣性能與導(dǎo)熱性能。因此,采用陶瓷材料將是未來LED產(chǎn)品開發(fā)的主流趨勢!
下面對幾種LED封裝常用材料的相關(guān)參數(shù)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比。并圖解了LED封裝常用陶瓷支架的生產(chǎn)原理。
從提供的資料看,所用的陶瓷材料是三氧化二鋁,我認(rèn)為用它替代銅,簡直是技術(shù)倒退!除非你打算讓LED的芯片工作到150度以上的溫度。大家實測一下圖中第一和第二種結(jié)構(gòu)芯片的溫度就知道那種陶瓷的不好了。
大家要明白,電子工業(yè)中采用所謂“導(dǎo)熱陶瓷”(實際導(dǎo)熱遠(yuǎn)不如銅、鋁等金屬)的目的是什么。并非是它導(dǎo)熱比常用的導(dǎo)熱金屬的導(dǎo)熱能力強(qiáng),而是在于陶瓷的絕緣性能和低的膨脹系數(shù)。當(dāng)這兩項參數(shù)不是問題時,使用陶瓷絕對無益。導(dǎo)熱好的陶瓷導(dǎo)熱性能不如銅,與鋁相當(dāng),價格高,加工難,脆性大,不抗震動。
LED熱隔離封裝技術(shù)及對光電性能的改善。
在傳統(tǒng)的白光LED封裝結(jié)構(gòu)中,熒光粉直接涂覆于芯片上面,工作時,芯片釋放的熱量直接加載在熒光粉上面,導(dǎo)致了熒光粉的溫升,使得熒光粉在高溫下轉(zhuǎn)化效率降低。而在熒光粉與芯片之間引入一層低導(dǎo)熱的熱隔離層能夠有效的阻止芯片的熱量直接加載到熒光粉上,降低了熒光粉層溫度,使得白光LED在大電流注入下都能保持較高的流明效率。除了芯片釋放的熱量之外,涂覆的熒光粉受藍(lán)光激發(fā)時,因熒光粉的轉(zhuǎn)化效率尚未達(dá)到100%,另外由于散射等其它損耗的存在,熒光粉顆粒本身也會有少量的熱量釋放,容易形成局域熱量累積,為此當(dāng)熒光粉材料轉(zhuǎn)化效率較低時,還需為熒光粉提供散熱通道,防止熒光粉顆粒局域熱的生成。下面通過傳統(tǒng)熒光粉涂覆方式和熱隔離封裝方式兩組實驗對比了解兩種結(jié)構(gòu)中芯片和熒光粉的熱相互作用。
1.LED芯片對熒光粉的加熱
為了評價LED芯片對熒光粉熱性能方面的影響,我們制作了兩組白光LED封裝結(jié)構(gòu),一組采用傳統(tǒng)的熒光粉涂覆方式,另一組采用熱隔離的熒光粉涂覆方式,圖1是該熱隔離封裝結(jié)構(gòu)的剖面制樣圖。
圖1 傳統(tǒng)白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)(b),h=1mm[14-16].
熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)是通過熒光粉覆膜的方式實現(xiàn)的。熒光粉覆膜技術(shù)是我們提出的一種新型熒光粉涂覆方法,即根據(jù)出光要求設(shè)計好熒光粉膜層的結(jié)構(gòu),在專用模具內(nèi)完成熒光粉膜層的成型,剝離后,將熒光粉膜層轉(zhuǎn)移到LED芯片上方,同時LED芯片和熒光粉膜層中間還有一層低導(dǎo)熱系數(shù)的硅膠層。為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)熱性能上的差別,我們比較了兩種封裝結(jié)構(gòu)表面的溫度分布圖。圖2是兩種封裝結(jié)構(gòu)在200、350和500mA直流驅(qū)動下表面IR Camera測得溫度徑向分布。在200 mA驅(qū)動電流下時,熱隔離封裝結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)封裝方式中心溫度低1.6℃。在350mA和500mA注入電流下時,熒光粉層的溫差分別達(dá)到了8.5℃和16.8℃,并且在500mA注入電流下時,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熒光粉的表層最高溫度已經(jīng)達(dá)到130.2℃。另外,熱隔離封裝結(jié)構(gòu)整個熒光粉表層的溫度都很均勻,而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中熒光粉中心溫度較高,在大電流時尤為明顯。
我們通過有限元模擬來分析封裝結(jié)構(gòu)中的參數(shù)變化對白光LED性能的影響。結(jié)果表明,可以通過封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計及封裝材料熱導(dǎo)率調(diào)整來調(diào)控?zé)晒夥蹖拥臏囟取D3是LED熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中的溫度縱向分布,熒光粉層的溫度通過引入的熱隔離硅膠層大大降低了。
圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱隔離結(jié)構(gòu)中熒光粉表面的溫度曲線,紅色為實驗值,藍(lán)色為模擬值[14]
圖3 熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中,樣品沿h2方向的徑向溫度分布(h2=1mm)
綜上所述,降低熒光粉層溫度的有效辦法是在芯片與熒光粉層之間引入低導(dǎo)熱的熱隔離層,尤其對于更大功率的LED器件而言,對熒光粉的熱控制技術(shù)顯得尤為重要。
2.熒光粉局域熱效應(yīng)
熒光粉層并不是具有均勻熱導(dǎo)率的單一介質(zhì),而是由熒光粉顆粒與低導(dǎo)熱的硅膠混合而成,每顆熒光粉顆粒由硅膠包裹而成。我們的研究結(jié)果表明熒光粉顆粒在不同的轉(zhuǎn)化效率下(即不同的釋熱量)芯片和熒光粉的溫場分布。在熒光粉轉(zhuǎn)化效率高(>80%)的情況下,熒光粉的溫度主要受芯片加熱的影響。熒光粉距離芯片越近,溫度越高,熱隔離的措施能有效降低熒光粉的溫度。在熒光粉顆粒發(fā)熱明顯的情況下,由于包裹熒光粉顆粒是低導(dǎo)熱率的硅膠,熒光粉顆粒會形成局域熱量,使得熒光粉顆粒的溫度升高,甚至超過芯片的溫度。而出現(xiàn)熒光粉局域熱量的條件是熒光粉的低轉(zhuǎn)化效率,導(dǎo)致熒光粉釋熱大。
在實際的LED封裝結(jié)構(gòu)中,熒光粉的轉(zhuǎn)化效率高,熒光粉的溫度主要是由于芯片的加熱作用,熒光粉與芯片直接有效的熱隔離能明顯降低熒光粉的溫度。進(jìn)一步降低熒光粉層的溫度可以通過提高熒光粉層的導(dǎo)熱率來實現(xiàn)。
為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)對白光LED光色性能的影響,我們把LED白光光譜中藍(lán)光波段(Blue)和黃光波段(Yellow)提取出來,以藍(lán)光波段光譜和黃光波段光譜的積分量比例值(B/Y)作為光譜評價依據(jù)。圖4表明的是電流從50mA到800mA,兩種情況下B/Y值跟注入電流的關(guān)系,B/Y值的變化反映了白光LED光色的變化,在圖6中,我們展示了兩種結(jié)構(gòu)中光通量、色溫(CCT)跟注入電流的變化關(guān)系。兩種封裝結(jié)構(gòu)中,注入電流在達(dá)到300mA以前,兩者光通量的值幾乎沒發(fā)生變化,隨著注入電流的繼續(xù)升高,熱隔離封裝結(jié)構(gòu)顯示了更好的光飽和性能。色溫CCT反映了白光LED光色的表現(xiàn)性能,注入電流從50mA增加到800mA,熱隔離結(jié)構(gòu)的LED色溫僅變化253K,而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LED色溫變化達(dá)1773K。圖5中B/Y值的變化也反映了這種趨勢,熱隔離封裝結(jié)構(gòu)在較大的電流變化范圍內(nèi)B/Y值變化很小,而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中B/Y值的變化很大。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,電流越大時,B/Y值也隨著增大,這說明隨著電流增加,LED光譜中藍(lán)光成分增強(qiáng),而將藍(lán)光轉(zhuǎn)化為黃光的熒光粉轉(zhuǎn)化效率下降。而造成熒光粉轉(zhuǎn)化效率下降的一個重要原因就是芯片對熒光粉的加熱,造成了熒光粉溫度上升。
圖4 兩種封裝結(jié)構(gòu)中白光LED光譜中藍(lán)光段(Blue)與黃光段(Yellow)光強(qiáng)比(B/Y)(插圖是藍(lán)光和黃光比例)[14]
圖5 兩種封裝結(jié)構(gòu)光通量(左軸)和色溫(右軸)與電流的依賴關(guān)系[14]
熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)帶來光色性能的改善,一個重要原因是由于該結(jié)構(gòu)降低了熒光粉的溫度,使得熒光粉保持了較高的轉(zhuǎn)化效率。
從目前的LED產(chǎn)品的機(jī)理和結(jié)構(gòu)來看,以下幾個方面是用來衡量LED優(yōu)劣的特性參數(shù)。
(1)白光LED電流/電壓參數(shù)(正、反向)
LED的電性能具有典型的PN結(jié)伏安特性,不同的電流直接影響LED的發(fā)光亮度和PN結(jié)的結(jié)溫.在照明應(yīng)用中,為了獲得大功率的LED燈,往往將許多個發(fā)光二極管通過一定的串并聯(lián)方式組合在一起,相關(guān)的各個LED的特性必須匹配,在交流工作狀態(tài)還必須考慮其反向電特性,因此必須測試它們在工作點上的正向電流和正向壓降,以及反向漏電流和反向擊穿電壓等參數(shù)。
(2)白光LED光通量和輻射通量
發(fā)光二極管單位時間內(nèi)發(fā)射的總電磁能量稱為輻射通量,也就是光功率(W).對于照明用LED光源,我們更關(guān)心的是照明的視覺效果,即光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當(dāng)量,稱作為光通量ΦV(1m).
輻射通量與器件的電功率之比表示LED的輻射效率;光通量與器件的電度指在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量:
I= dΦ/dΩ(cd) (2-1)
光強(qiáng)分布曲線如圖1所示,是表示LED發(fā)光在空間各方向的分布狀態(tài).在照明應(yīng)用中計算工作面的照度均勻性和LED燈的空間布置,光強(qiáng)分布是最基本的數(shù)據(jù).對于空間光束為旋轉(zhuǎn)對稱型分布的LED,用一個過光束軸平面上的曲線表示即可.對光束為橢圓形分布的LED,則用過光束軸及橢圓形長短軸的兩個垂直平面上的曲線來表示.對于非對稱的復(fù)雜圖形,一般用過光束軸的六個以上截面的平面曲線來表示.
發(fā)光角(或光束角)通常用半強(qiáng)度角θ1/2表示,即在光強(qiáng)分布圖中光強(qiáng)大于等于峰值光強(qiáng)1/2時所包含的光束角度.
(4)白光LED光譜功率分布
LED的光譜功率分布表示輻射功率隨波長的變化函數(shù),它既確定了發(fā)光的顏色,也確定了它的光通量以及它的顯色指數(shù).通常用相對光譜功率分布S(λ)表示,光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50%時,所對應(yīng)的兩個波長之差Δλ=λ2-λ1,即為光譜帶.
(5)白光LED色品坐標(biāo)
選三原色紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B).
X=R/(R+G+B),Y=G/(R+G+B),Z=B/(R+G+B) (2-2)
由于X+Y+Z=1,所以只用給出X和Y的值,就能唯一地確定一種顏色.這就是通常所說的色度圖,為了使坐標(biāo)值能直接表示亮度大小,國際照明協(xié)會規(guī)定采用另一種色度坐標(biāo)X、Y、Z,與R、G、B間存在線性換算關(guān)系.若以x、y作為平面坐標(biāo)系,將自然界中的各種彩色按比色實驗法測出其x、y數(shù)值,并繪在該坐標(biāo)平面內(nèi),便可得到圖2-1所示的色度圖.該色度圖邊沿舌形曲線上的任一點都代表某一波長光的色調(diào),而曲線內(nèi)的任一點均表示人眼能看到的某一種混合光的顏色.其中白光區(qū)域的特征點A、B、C、D65、E的坐標(biāo)值和色溫見表2-1.
表2-1 特征點對應(yīng)的色坐標(biāo)值和色溫
光源點 X坐標(biāo) Y坐標(biāo) 色溫(K)
A 0.4476 0.4074 2854
B 0.3484 0.3516 4800
C 0.3101 0.3162 6800
D65 0.313 0.329 6500
E 0.3333 0.3333 5500
(6)白光LED色溫和顯色指數(shù)
對于白光LED等發(fā)光顏色基本為“白光”的光源用色品坐標(biāo)可以準(zhǔn)確地表達(dá)該光源的表觀顏色.但具體的數(shù)值很難與習(xí)慣的光色感覺聯(lián)系在一起.人們經(jīng)常將光色偏橙紅的稱為“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱為“冷色”,因此用色溫來表示光源的光色會更加直觀.
光源的發(fā)光顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時,則稱黑體的溫度為該光源的色溫(color temperature) T,單位為開(K).對于白光LED,其發(fā)光顏色往往與各種溫度下的黑體(完全輻射體)的色品坐標(biāo)都不可能完全相同,這時就不能用色溫表示.為了便于比較,而采用相關(guān)色溫(CCT)的概念.也就是當(dāng)光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品圖上的色品差最小時,則該完全輻射體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫R1.
用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表現(xiàn)顏色外,更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現(xiàn)出來的顏色與該物件在完全輻射(如日光)下的顏色是否一致,即所謂的顯色特性.
1974年CIE推薦了用“試驗色”法來定量評價光源顯色性的方法,它是測量參照光源照明下和待測光源照明下標(biāo)準(zhǔn)樣品的總色位移量為基礎(chǔ)來規(guī)定待測光源的顯色性,用一個顯色指數(shù)值來表示.CIE規(guī)定用完全輻射體或標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為參照光源,并將其顯色指數(shù)定為100,還規(guī)定了若干測試用的標(biāo)準(zhǔn)色樣.
根據(jù)在參照光源下和待測光源下,上述標(biāo)準(zhǔn)色樣形成的色差來評定待測光源顯色性的好壞.光源對某一種標(biāo)準(zhǔn)色樣品的顯色指數(shù)稱為特殊顯色指數(shù)R1.
R1=100-4.6△Ei (2-3)
式中△Ei為第i號標(biāo)準(zhǔn)色樣在參照光源下和待測光源下的色差.
CIE推薦的標(biāo)準(zhǔn)色樣共有14種.其1-8號為中等飽和度、中等明度的常用代表性色調(diào)樣品,第9至14號樣品包括紅、黃、綠、藍(lán)等幾種飽和色、歐美的皮膚色和樹葉綠色.在一些特殊場合使用的LED光源,必須考核其特殊的顯色指數(shù).1985年國家制定了“光源顯色性評價方法”標(biāo)準(zhǔn),并增加了中國人女性膚色的色樣,作為第十五種標(biāo)準(zhǔn)色樣.這對于評價在電視演播室、商場、美容場所等照明用LED光源的顯色性尤為重要.
光源對前8個顏色樣品的平均顯色指數(shù)稱為一般顯色指數(shù)Ra.
(7)白光LED熱性能
照明用LED發(fā)光效率和功率的提高是當(dāng)前LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一,與此同時,LED的PN結(jié)溫度及殼體散熱問題顯得尤為重要,一般用熱阻、殼體溫度、結(jié)溫等參數(shù)表示.
(8)白光LED輻射安全
目前,國際電工委員會IEC將LED產(chǎn)品等同于半導(dǎo)體激光器的要求進(jìn)行輻射的安全測試和論證.因LED是窄光束、高亮度的發(fā)光器件,考慮到其輻射可能對人眼視網(wǎng)膜的危害,因此,對于不同場合應(yīng)用的LED,國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其有效輻射的限值要求和測試方法.目前在歐盟和美國,照明LED產(chǎn)品的輻射安全作為一項強(qiáng)制性的安全要求執(zhí)行.
(9)白光LED可靠性和壽命
可靠性指標(biāo)是衡量LED在各種環(huán)境中正常工作的能力.在液晶背光源和大屏幕顯示中特別重要.壽命是評價LED產(chǎn)品可用周期的質(zhì)量指標(biāo),通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應(yīng)用中,有效壽命是指LED在額定功率條件下,光通量衰減到初始值的規(guī)定百分比時所持續(xù)的時間.
1)平均壽命
一批LED同時點亮,當(dāng)經(jīng)過一段時間后,LED不亮達(dá)到50%時所用的時間.
2)經(jīng)濟(jì)壽命
在同時考慮LED損壞以及光輸出衰減的狀況下,其綜合輸出減至一特定比例時的小時數(shù).此比例用于室外光源為70%,用于室內(nèi)光源為80%.
光強(qiáng)度(Luminous Intensity; IV)
光強(qiáng)度定義為單位立體角所發(fā)射出的光通量,單位為燭光(CandELa, cd)。一般而言,光源會向不同方向以不同強(qiáng)度放射出其光通量,在特定方向單位立體角所放出之可見光輻射強(qiáng)度即稱之為光強(qiáng)度。
色度(Chromaticity)
人眼對色彩的感知是一種錯綜復(fù)雜的過程,為了將色彩的描述加以量化,國際照明協(xié)會(CIE)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)觀測者的視覺實驗,將人眼對不同波長的輻射能所引起的視覺感加以紀(jì)錄,計算出紅、綠、藍(lán)三原色的配色函數(shù),經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換后即得所謂的CIE1931Color Matching Function(x((),y((),z(()),而根據(jù)此一配色函數(shù),后續(xù)發(fā)展出數(shù)種色彩度量定義,使人們得以對色彩加以描述運用。
根據(jù)CIE1931配色函數(shù),將人眼對可見光的刺激值以XYZ表示,經(jīng)下列公式換算得到x,y值,即CIE1931(x,y)色度坐標(biāo),透過此統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),對色彩的描述便得以量化并加以控制。
x,y:CIE1931色度坐標(biāo)值(Chromaticity Coordinates)
然而,由于以(x,y)色度坐標(biāo)所建構(gòu)之色域為非均勻性,使色差難以量化表示,所以CIE于1976年將CIE1931色度坐標(biāo)加以轉(zhuǎn)換,使其所形成之色域為接近均勻之色度空間,讓色彩差異得以量化表示,即CIE1976UCS(Uniform Chromaticity Scale)色度坐標(biāo),以(u',v‘)表示,計算公式如下所示:
主波長(λD)
其亦為表達(dá)顏色的方法之一,在得到待測件的色度坐標(biāo)(x,y)后,將其標(biāo)示于CIE色度坐標(biāo)圖(如下圖)上,連結(jié)E光源色度點(色度坐標(biāo)(x,y)=(0.333,0.333))與該點并延伸該連結(jié)線,此延長線與光譜軌跡(馬蹄形)相交的波長值即稱之為該待測件的主波長。惟應(yīng)注意的是,此種標(biāo)示方法下相同主波長將代表多個不同色度點,是以用于待測件色度點鄰近光譜軌跡時較具意義,而白光LED則無法以此種方式描述其顏色特性。
純度(Purity)
其為以主波長描述顏色時之輔助表示,以百分比計,定義為待測件色度坐標(biāo)與E光源之色度坐標(biāo)直線距離與E光源至該待測件主波長之光譜軌跡(Spectral Locus)色度坐標(biāo)距離的百分比,純度愈高,代表待測件的色度坐標(biāo)愈接近其該主波長的光譜色,是以純度愈高的待測件,愈適合以主波長描述其顏色特性,LED即是一例。
色溫(Color Temperature)
一光源之輻射能量分布與某一絕對溫度下之標(biāo)準(zhǔn)黑體(Black Body Radiator)輻射能量分布相同時,其光源色度與此黑體輻射之色度相同,此時光源色度以所對應(yīng)之絕對溫度表之,此溫度稱之為色溫(Color Temperature),而在各溫度下之黑體輻射所呈現(xiàn)之色度可在色度圖上標(biāo)出曲線,稱之為蒲朗克軌跡(Planckian Locus)。標(biāo)準(zhǔn)黑體的溫度愈高,其輻射出的光線對人眼產(chǎn)生藍(lán)色刺激愈多,紅色刺激成分亦相對減少。然而在實際量測上,無任何光源具有跟黑體相同的輻射能量分布,換言之,待測光源之色度通常并未落在蒲朗克軌跡上。因此計算待測光源之色度坐標(biāo)所最接近蒲朗克軌跡上某個坐標(biāo)點,此點之黑體溫度即定義為該光源之相關(guān)色溫(Correlated Color Temperature; CCT),通常以CIE1960UCS(u,v)色度圖求之,并配合色差△uv加以描述。須注意的是,此種表示方式對光源色度鄰近蒲朗克軌跡時方具意義,是以對于LED量測而言,僅適用于白光LED之顏色描述。
自從產(chǎn)生外界照明以來,我們把照明劃分為三個時代:燈絲燈泡時代(白熾燈)、氣體燈泡時代(螢光燈)、半導(dǎo)體發(fā)光時代(LED)。而其中,又以歷史最長的白熾燈和未來主流的LED,為最重要的考察點。不論時代是如何的發(fā)展,照明產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)流程有著驚人的相似,不外乎中國一樣是處于行業(yè)的下游。核心技術(shù)基本都是被歐美和日本等國家地區(qū)所有。
1. LED的發(fā)光原理,是電子穿過一層半導(dǎo)體材料時,激發(fā)該半導(dǎo)體材料將電能轉(zhuǎn)化為光能。然而,單層半導(dǎo)體的發(fā)光能力很弱,所以要將很多層單層材料疊加起來,壓成類似千層糕那樣的復(fù)合材料,這就是“外延片”。
所以,LED的發(fā)光效率決定于在同等厚度里,能壓入多少層。單層材料越薄,能疊加的層數(shù)越多,發(fā)光效率就越高?,F(xiàn)在一般每層厚度僅為2-20微米,這也決定了外延片生產(chǎn)是整個LED生產(chǎn)流程中最困難的部分。
2. 切割——LED核心:相當(dāng)于從鎢絲材料中抽出燈絲,不同的是,切割后的外延片是方塊形。
由于外延片這種特殊結(jié)構(gòu),想要完整無損地切割出發(fā)光核心,非常困難。不僅需要真空環(huán)境,還要專業(yè)的切割機(jī)。目前世界上只有兩個廠家生產(chǎn)這種切割機(jī)。
3. 將核心放入LED芯片:芯片之于LED,正如燈座之于燈泡,是供電部分。“芯片”是實現(xiàn)LED理想效果非常重要的裝備,因為LED對電流的要求非常高。
4. 封裝LED芯片成發(fā)光體:將LED芯片封裝成為發(fā)光體,正如給燈絲燈座加上燈罩做成燈泡。燈罩形狀可依據(jù)所需而不同,但封裝技術(shù)決定了發(fā)光體的使用壽命。
5. 照明應(yīng)用:就像運用白熾燈泡一樣,根據(jù)不同功能和需要,裝配成不同的LED產(chǎn)品。
對LED照明來說,前三步的外延片、切割和芯片是上游,第四步的封裝是中游,第五步的應(yīng)用則是下游。這些問題需要我們用更多的能量來突破。
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