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分析怎樣提高LED照明的可靠性

信息來源:www.pczchina.com 發表時間:2013-09-03 瀏覽次數:

  隨著藍光和白光發光二極管(LED)在1990年大舉邁向實用化階段后,無論是利用LED所進行的全彩顯示,或是在近年來社會大眾對節能議題所展現的高度重視下,LED所普及到的智能手機、個人電腦(PC)、電視背光、照明、白色家電產品或交通號誌等多樣化的產品應用領域愈來愈廣。為滿足市場需求,業界針對各種產品系列,包括能夠實現高演色性與高可靠性的照明用LED、以PICOLED為代表產品的小型薄型LED,以及車用客製化色彩LED等傾注了相當的研發資源。

  照明用白光LED產值急速成長

  受到世界節能趨勢以及日本東北大地震所引發的節能意識高漲,日本市場對于照明用白光LED的需求量大增,促使LED照明市場產值正不斷急遽成長,然而,若要讓照明光源完全從傳統的白熾燈泡照明方式轉換為LED照明,在產品特性上仍有些亟待解決的問題存在,其中,業界研發重點尤以LED燈的高演色性與高可靠性為主,以下將分別就業者針對高Ra值與發光效率的技術做分享。

  兼顧高Ra值與發光效率

  平均演色性評價指數(Ra)就是光源使物體表現或重現真實顏色的一種指數,指數愈高,代表顏色重現性愈佳(太陽光的Ra為100),市場上期盼照明用白光LED能夠兼具高發光效率與高演色性(Ra≧80),但發光效率與Ra值兩者之間卻存在著效益權衡(Trade-off)特性。由于市場上對于發光效率有更高的要求,因此目前市場上多為Ra≒70的高發光效率LED。

  一般白光LED燈的封裝結構是將藍光LED晶片安裝在基板上,再以含有螢光體的樹脂進行封裝。在LED元件的發光色(藍色)與螢光體的發光色(黃色、紅色或綠色等)混合后,便會形成白光。

  從發光效率的觀點上來看,一般大多以藍光+黃光來形成白光,但這樣會造成紅光的重現性不佳,因此不適合照明用途。一般所採用的解決方法就是增加紅光的成分,藉此改善紅光的重現性,但如此會有導致發光效率不理想的問題。

  為兼顧高發光效率與高Ra值,業者將螢光體有效率地配置于封裝內部,以兩全其美的技術做為解決對策,成功地研發出Ra≧80且發光效率極高的產品。該系列產品無論在Ra或R9(紅色)指數上的表現均十分良好,與Ra值相同的其他廠牌產品相較之下,該系列產品的R9值更高,紅色的重現性也更佳。隨著此項技術的突破,LED燈不但能降低色度的不均,還能因應更細緻的色度等級。

  高可靠度

  近年來,市場上對于可靠性的相關需求也變得日益高漲。尤其是由于LED封裝反射率較高,一般大多採用鍍銀的方式,不過銀會因為硫化(因與硫磺產生反應而變黑的一種現象)而造成LED光束劣化,該現象對于戶外LED燈造成嚴重問題,因此各家廠商莫不提出各種鍍銀方案的因應對策,但目前此問題仍無法完全獲得改善。

  有鑑于此,業界捨棄鍍銀方式,改採鍍鎳/鍍金的方式。將LED封裝鍍銀改為鍍鎳/鍍金后,雖然會導致成本增加,并因反射率的降低而造成發光效率不佳,但經由封裝結構的改善后,目前這些問題都已成功地被克服。

  新封裝結構既能維持高發光效率,又能實現高可靠性的LED發光表現,該系列產品即使在硫化試驗中也展現出絕佳的表現,可完全避免光束劣化的現象。

  LED小型/薄型化

  隨著行動裝置體積輕薄短小化,市場上對于小間距產品的需求逐年強烈,零件也面臨著更多降低高度及縮小尺寸之要求。此外,由于戶外全彩顯示裝置大多採用LED,為提高表現效果,全彩型LED封裝亦朝向更高密度發展。

  元件技術

  為讓封裝更小、更薄,內部的LED元件也必須同時採用小型薄型規格。因此,業者從晶圓上的發光層成膜到晶片化均採用自行研發的製程技術,終于成功地將磷化鋁鎵銦(AlGaInP)發光LED的元件尺寸縮小至邊角0.13毫米(mm)、厚度t=50微米(μm),一舉實現小型化目標。

  鑄模技術

  為確保產品的強度,業者提出針對半導體元件進行樹脂封止的加工方法。樹脂封止加工係採用移轉成形(TransferMold)法,但鑄模模具的模穴會愈來愈薄(模穴厚度0.10毫米),因此必須確保樹脂的流動性。此外,為確保LED的光學特性,無法對其添加用來確保零件強度的填充材料,如此一來,便會造成產品在機械性強度上的降低,但上述問題目前皆已解決。

  組裝技術

  在LED晶片的製作上,必須在厚度t=0.10毫米的封止樹脂中對LED元件進行焊線,因此業者採用自行研發的焊線機,成功縮小間距并降低迴路。

  目前,世界最小的超小型LED體積僅1006尺寸,厚度僅0.2毫米,此產品不受設置空間的限制,并採用高亮度LED元件,透過LED發光,能夠讓光線從行動電話的外殼內部進行穿透照明。

  不但如此,超小型LED還可適用于點矩陣顯示器。傳統的1608尺寸產品最小間距為2毫米,而超小型LED卻能以最小間距1.5毫米進行高密度安裝,因此能展現出更細緻的表現效果。

  在其他特色方面,由于該方案的封裝尺寸極小,因此可以用在七段顯示器、點矩陣顯示器模組上,并省略在晶片直接封裝(COB)技術上所必須的晶粒黏著(Die-bonding)、焊線、樹脂接合(Bonding)等製程。

  車用LED照明受矚目

  隨著LED燈泡及照明用途急速普及化,車用LED照明較以往更受到市場的青睞。在車輛內裝用途上,無論是汽車音響、汽車導航系統或是空調面板等主要背光,目前幾乎已全面採用LED光源。接下來,像是目前仍採用傳統燈泡的室內燈及警示燈,以及採用冷陰極管的儀表板背光等也將漸漸地面臨汰換的命運。

  在車輛外裝上,近年來像是尾燈、轉向燈、定位燈等傳統燈泡也已逐步被汰換,甚至連頭燈也都由傳統的鹵素燈、高亮度放電(HID)燈轉而被LED燈所取代。若從環境辨識性的觀點上來看,採用LED燈作為晝行燈(Daytime Running Lamps,DRL)的趨勢更是值得關注。

  為因應多樣化的車用需求,業界在車用LED技術研發上,將以下列兩項為研發重點。

  色度及亮度之客制化需求

  在汽車內裝方面,像是空調面板等儀表板周邊的光源大多由車廠來指定顏色。業者所推出的磷化鋁鎵銦元件型LED系列產品,挾元件自製優勢,無論是色彩、光度皆可依客戶要求自行客製化。

  其他像是利用氮化銦鎵(InGaN)及含有螢光體的樹脂所成功創造出的白光及粉色LED系列,也能提供色彩客製化功能。像是主要按鍵的背光等使用頻率較高的按鍵,即可藉由微妙的顏色差異突顯其與相鄰按鍵之相異性,藉此喚起使用者的注意。這種磷化鋁鎵銦元件採用在磊晶成長(Epitaxial Growth)階段上抑制波長差異的技術,因此能夠滿足客戶嚴格的規格要求。

  研發耐硫化對策/擴充新品

  另一方面,市場對于尾燈等車輛外裝用途的LED燈最大要求莫過于耐熱性及對嚴苛氣候的耐受性,但由于傳統的LED封裝的導線架為鍍銀材料,容易產生硫化及光束劣化問題,目前這個問題也開始受到重視。

  鑒于此,業界改鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為導線架材料,成功解決因硫化所造成的光束劣化問題。另外,對于鍍鎳/鍍鈀/鍍金所引起的光度降低缺點,業者亦研發出新的一系列產品,藉由提高元件本身輸出效率的方式來解決,展現出毫不遜于鍍銀產品的光束強度。未來,業界將採鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為封裝硫化改善對策,并積極擴充新的產品系列,以滿足客戶的多樣化需求。

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