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發光二極體,是一種半導體組件。初時多用作為指示燈、顯示發光二極體板等;隨著白光LED的出現,也被用作照明。

1 發光二極體 -簡介

發光二極體發光二極體

發光二極體(LightEmittingDiode,LED),是一種半導體組件。初時多用作為指示燈、顯示板等;隨著白光LED的出現,也被用作照明。它被譽為21世紀的新型光源,具有效率高,壽命長,不易破損等傳統光源無法與之比較的優點。加正向電壓時,發光二極體能發出單色、不連續的光,這是電致發光效應的一種。改變所採用的半導體材料的化學組成成分,可使發光二極體發出在近紫外線、可見光或紅外線的光。1955年,美國無線電公司(RadioCorporationofAmerica)的魯賓•布朗石泰(RubinBraunstein)(1922年生)首次發現了砷化鎵(GaAs)及其它半導體合金的紅外放射作用。1962年,通用電氣公司的尼克•何倫亞克(NickHolonyakJr.)(1928年生)開發出第一種實際應用的可見光發光二極體。

LED(Light Emitting Diode),發光二極體,是一種固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是負極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導體,在它裡面空穴佔主導地位,另一端是N型半導體,在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候,它們之間就形成一個「P-N結」。當電流通過導線作用於這個晶片的時候,電子就會被推向P區,在P區里電子跟空穴複合,然後就會以光子的形式發出能量,這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色,是由形成P-N結的材料決定的。

2 發光二極體 -原理

發光二極體是一種特殊的二極體。和普通的二極體一樣,發光二極體由半導體晶元組成,這些半導體材料會預先通過注入或摻雜等工藝以產生pn結結構。與其它二極體一樣,發光二極體中電流可以輕易地從p極(陽極)流向n極(負極),而相反方向則不能。兩種不同的載流子:空穴和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向pn結。當空穴和電子相遇而產生複合,電子會跌落到較低的能階,同時以光子的方式釋放出能量。它所發出的光的波長,及其顏色,是由組成pn結的半導體物料的禁帶能量所決定。由於硅和鍺是間接禁帶材料,在這些材料中電子與空穴的複合是非輻射躍遷,此類躍遷沒有釋出光子,所以硅和鍺二極體不能發光。發光二極體所用的材料都是直接禁帶型的,這些禁帶能量對應著近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。

發光二極體兩種常見LED光源的剖面圖(1)

   

發光二極體兩種常見LED光源的剖面圖(2)








  

 

在發展初期,採用砷化鎵(GaAs)的發光二極體只能發出紅外線或紅光。隨著材料科學的進步,人們已經製造出可發出更短波長的、各種顏色的發光二極體。

以下是傳統發光二極體所使用的無機半導體物料和所它們發光的顏色:

鋁砷化稼(AlGaAs)-紅色及紅外線
鋁磷化稼(AlGaP)-綠色
aluminiumgalliumindiumphosphide(AlGaInP)-高亮度的橘紅色,橙色,黃色,綠色
磷砷化稼(GaAsP)-紅色,橘紅色,黃色

發光二極體三種不同顏色的LED
磷化稼(GaP)-紅色,黃色,綠色
氮化鎵(GaN)-綠色,翠綠色,藍色
銦氮化稼(InGaN)-近紫外線,藍綠色,藍色
碳化硅(SiC)(用作襯底)-藍色
硅(Si)(用作襯底)-藍色(開發中)
藍寶石(Al2O3)(用作襯底)-藍色
zincselenide(ZnSe)-藍色
鑽石(C)-紫外線
氮化鋁(AlN),aluminiumgalliumnitride(AlGaN)-波長為遠至近的紫外線

3 發光二極體 -藍光與白光LED

用GaN形成的藍光LED1993年,當時在日本NichiaCorporation(日亞化工)工作的中村修二(ShujiNakamura)發明了基於寬禁帶半導體材料氮化稼(GaN)和銦氮化稼(InGaN)的具有商業應用價值的藍光LED,這類LED在1990

發光二極體發光二極體
年代後期得到廣泛應用。理論上藍光LED結合原有的紅光LED和綠光LED可產生白光,但現在的白光LED卻很少是這樣造出來的。

現時生產的白光LED大部分是通過在藍光LED(near-UV,波長450nm至470nm)上覆蓋一層淡黃色熒光粉塗層製成的,這種黃色磷光體通常是通過把摻了鈰的YttriumAluminumGarnet(Ce3+:YAG)晶體磨成粉末后混和在一種稠密的黏合劑中而製成的。當LED晶元發出藍光,部分藍光便會被這種晶體很高效地轉換成一個光譜較寬(光譜中心約為580nm)的主要為黃色的光。(實際上單晶的摻Ce的YAG被視為閃爍器多於磷光體。)由於黃光會刺激肉眼中的紅光和綠光受體,再混合LED本身的藍光,使它看起來就像白色光,而其的色澤常被稱作「月光的白色」。這種製作白光LED的方法是由NichiaCorporation所開發並從1996年開始用在生產白光LED上。若要調校淡黃色光的顏色,可用其它稀土金屬鋱或釓取代Ce3+:YAG中摻入的鈰(Ce),甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的方式做到。

而基於其光譜的特性,紅色和綠色的對象在這種LED照射下看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明。

另外由於生產條件的變異,這種LED的成品的色溫並不統一,從暖黃色的到冷的藍色都有,所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。

另一個製作的白光LED的方法則有點像日光燈,發出近紫外光的LED會被塗上兩種磷光體的混合物,一種是發紅光和藍光的銪,另一種是發綠光的,摻雜了硫化鋅(ZnS)的銅和鋁。但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂裂化變質,所以生產難度較高,而壽命亦較短。與第一種方法比較,它效率較低而產生較多熱(因為StokesShift前者較大),但好處是光譜的特性較佳,產生的光比較好看。而由於紫外光的LED功率較高,所以其效率雖比較第一種方法低,出來的亮度卻相若。

最新一種製造白光LED的方法沒再用上磷光體。新的做法是在硒化鋅(ZnSe)基板上生長硒化鋅的磊晶層。通電時其活躍地帶會發出藍光而基板會發黃光,混合起來便是白色光。

4 發光二極體 -其它顏色

近期開發出來的LED顏色包括粉紅色和紫色,都是在藍光LED上覆蓋上一至兩層的磷光體造成。粉紅色LED用的第一層磷光體能發黃光,而第二層則發出橙色或紅色光。而紫色LED用的磷光體發橙色光。另外一些粉紅色LED的製造方法則存在一定的問題,例如有些粉紅

發光二極體發光二極體
色LED是在藍光LED塗上熒光漆或指甲油,但它們有機會剝落;而有些則用上白光LED加上粉紅色磷光體或染料,可是在短時間內顏色會褪去。

價錢方面,紫外線、藍色、純綠色、白色、粉紅色和紫色LED是較紅色、橙色、綠色、黃色、紅外線LED貴的,所以前者在商業用途上比較遜色。

發光二極體是封裝在塑料透鏡內的,比使用玻璃的燈泡或日光燈更堅固。而有時這些外層封裝會被上色,但這只是為了裝飾或增加對比度,實質上並不能改變發光二極體發光的顏色。

5 發光二極體 -有機發光二極體,OLED

結合藍色、黃綠(草綠)色,以及高亮度的紅色LED等三者的頻譜特性曲線,三原色在FWHM頻譜中的頻寬約24奈米—27奈米。主條目:有機發光半導體

發光二極體發光二極體

有機發光二極體所用的物料是處結晶狀態有機分子或高分子材料,而由後者製成的LED具有可彎曲的特性。和傳統的發光二極體相比,OLED的亮度更高,將來可望應用於製造平價可彎曲顯示屏、照明設備、發光衣或裝飾牆壁。2004年開始,OLED已廣泛應用於隨身MP3播放器。

6 發光二極體 -運作參數和效率

一般最常見的LED工作功率都是設定於30至60毫瓦電能以下。在1999年開始引入了可以在1瓦電力輸入下連續使用的商業品級LED。這些LED都以特大的半導體晶元來處理高電能輸入的問題,而那半導體晶元都是固定在金屬鐵片上,以助散熱。在2002年,在市場上開始有5瓦的LED的出現,而其效率大約是每瓦18至22流明。

發光二極體發光二極體

2003年九月,Cree,Inc.公司展示了其新款的藍光LED,在20毫安下達到35%的照明效率。他們亦製造了一款達65流明每瓦的白光LED商品,這是當時市場上最光的白光LED。在2005年他們展示了一款白光LED原型,在350毫安工作環境下,創下了每瓦70流明的記錄性效率。

今天,OLED的工作效率比起一般的LED低得多,最高的都只是在10%左右。但OLED的生產成本低得多,例如可以用簡單的印製方法將特大的OLED數組安放在屏幕上,用以製造彩色顯示屏。

7 發光二極體 -散熱方法

目前LED 的發光效率還是比較低, 從而引起結溫升高,壽命降低。為了降低結溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。LED 的散熱設計必須從晶元開始一直到整個散熱器,每一個環
節都要給於充分的注意。任何一個環節設計不當都會引起嚴重的散熱問題。

微槽群相變冷卻技術是依靠技術手段(如設備結構:微槽等手段)把密閉循環的冷卻介質(若介質為水)變為納米數量級的水膜,水膜越薄,遇熱蒸發能力越強,潛熱交換能力越強,大
功率電子器件的熱量被蒸氣帶走。

冷卻器的組成:系統主要由四部分組成,即取熱器、冷凝器、輸送管路、取熱介質(如水、乙醇等)。

工作原理:在毛細微槽群複合相變取熱器內表面加工許多微槽道,形成微槽群結構,利用微細尺度複合相變強化換熱機理,實現在狹小空間內,對小體積的高熱流密度及大功率的器件的高效率地取熱。毛細微槽群複合相變取熱器取出的熱量由蒸汽經蒸汽迴路輸運到遠程的高效微結構凝結器中,在微結構冷凝器內微細尺度凝結槽群結構表面上進行高強度微尺度蒸汽凝結放
熱。冷凝器凝結所釋放的熱量可迅捷地擴散到微細尺度凝結槽群結構表面,並經壁面向外傳導到微結構冷凝器的外壁的肋表面上,通過與外界環境進行對流換熱將熱量釋放到環境中
去。凝結液通過凝結液體迴路,在壓力梯度作用流回到微槽群複合相變取熱器。從而實現系統自身取熱與放熱的高效率、無功耗的封閉循環,達到器件冷卻的目的。微槽群複合相變
取熱器的取熱面與電力電子器件緊密接觸,其內表面刻有許多複合相變微槽道,集成為複合相變微槽群。微槽群複合相變取熱器中有少量的具有一定汽化潛熱的液體工質。液體工質
在微槽群自身結構所形成的毛細壓力梯度的作用下沿微槽流動,同時在微槽中形成擴展彎月面薄液膜蒸發和厚液膜核態沸騰的高強度微細尺度複合相變強化換熱過程,使液體工質
變成蒸汽,利用汽化潛熱帶走電力電子器件工作時產生的巨大熱量,從而將器件的工作溫度降低並控制在理想的範圍內。微槽群複合相變冷卻系統由小尺寸取熱元件(微槽群複合相
變取熱器)、熱量及流體輸運管路、遠程放熱元件(遠程微結構凝結器)部分構成。其中,熱量及流體輸運管路包括輸運熱量的蒸汽迴路和輸運凝結液的凝結液迴路兩部分,分別將
微槽群複合相變取熱器和遠程微結構凝結器連接起來,形成一個對外封閉的微負壓循環系統。微槽群複合相變取熱器取出的巨大熱量由蒸汽在系統的蒸發與凝結壓差作用下經蒸汽
迴路輸運到遠程微結構凝結器中,在微結構凝結器內腔中的微細尺度凝結槽群結構表面上進行高強度微尺度蒸汽凝結放熱。蒸汽凝結所釋放的熱量由微細尺度凝結槽群結構表面經壁
面向外傳導到微結構凝結器外壁的肋表面上或外壁上的冷卻水通道群中(註:微結構凝結器壁面將外界環境和冷卻水與微結構凝結器內部隔開,外界環境和冷卻水與微結構凝結器中
的凝結液不接觸),通過與外界環境進行的空氣(自然或強制)對流換熱或與冷卻水通道群中的冷卻水進行單相強制對流換熱,最終散失到外界環境中。而凝結液則通過凝結液迴路,
藉助於重力和系統微細尺度槽群結構所產生的壓力梯度作用,流回到微槽群複合相變取熱器中。從而整個系統按照由微槽群複合相變取熱器、蒸汽迴路、遠程微結構凝結器、凝結液
迴路再回到微槽群複合相變取熱器的順序形成一個具有工質單向性流動的、液-汽-液相變取熱和放熱模式的無功耗循環(被動式循環),達到使發熱的大功率電力電子器件冷卻的
目的。
發光二極體微槽群複合相變冷卻系統結構示意圖
 
高功率白光LED散熱與壽命問題改善設計

可見光的光譜和LED白光的關係

眾所周之,可見光光譜的波長範圍為380nm~760nm,是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如LED發的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的,因為白光不是單色光,而是由多種單色光合成的複合光,正如太陽光是由七種單色光合成的白色光,而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。由此可見,要使LED發出白光,它的光譜特性應包括整個可見的光譜範圍。但要製造這種性能的LED,在目前的工藝條件下是不可能的。根據人們對可見光的研究,人眼睛所能見的白光,至少需兩種光的混合,即二波長發光(藍色光+黃色光)或三波長發光(藍色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光,都需要藍色光,所以攝取藍色光已成為製造白光的關鍵技術,即當前各大LED製造公司追逐的「藍光技術」。目前國際上掌握「藍光技術」的廠商僅有少數幾家,所以白光LED的推廣應用,尤其是高亮度白光LED在中國的推廣還有一個過程。

白光LED的工藝結構和白色光源

對於一般照明,在工藝結構上,白光LED通常採用兩種方法形成,第一種是利用「藍光技術」與熒光粉配合形成白光;第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產生白光器件。

白光LED照明新光源的應用前景。 為了說明白光LED的特點,先看看目前所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈,其光效為12~24流明/瓦;熒光燈和HID燈的光效為50~120流明/瓦。對白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已達到15流明/瓦,這一指標與一般家用白熾燈相近,而在2000年時,白光LED的光效已達25流明/瓦,這一指標與鹵鎢燈相近。2012年,白光LED的光效已達120流明/瓦,白光LED作家用照明光源開始推廣普及。預計到2020年時,LED的光效可望達到200流明/瓦。

普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜,但光效低(燈的熱效應白白耗電),壽命短,維護工作量大,但若用白光LED作照明,不僅光效高,而且壽命長(連續工作時間10000小時以上),幾乎無需維護。目前,德國Hella公司利用白光LED開發了飛機閱讀燈;澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明;中國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈。可以預見不久的將來,白光LED定會進入家庭取代現有的照明燈。

LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時間短、對環境無污染、多色發光等的優點,雖然價格較現有照明器材昂貴,仍被認為是它將不可避免地現有照明器件。

高功率白光LED散熱與壽命問題改善設計

高功率白光LED應用於日常照明用途,其實在環保光源日益受到重視后,已經成為開發環保光源的首要選擇。但實際上白光LED仍有許多技術上的瓶頸尚待克服,目前已有相關改善方案,用以強化白光LED在發光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設計瓶頸,進行重點功能與效能之改善。

環保光源需求增加 高功率白光LED應用出線

LED光源受到青睞的主因,不外乎產品壽命長、光電轉換效率高、材料特性可在任意平面進行嵌裝等特性。但在發展日常照明光源方面,由於需達到實用的「照明」需求,原以指示用途的LED就無法直接對應照明應用,必須從晶元、封裝、載板、製作技術與外部電路各方面進行強化,才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。

就市場需求層面觀察,針對照明應用市場開發的白光LED,可以說是未來用量較高的產品項目,但為達到使用效用,白光LED必須針對照明應用進行重點功能改善。其一是針對LED晶元進行強化,例如,增加其光-電轉換效率,或是加大晶元面積,讓單個LED的發光量(光通量)達到其設計極限。其二,屬於較折衷的設計方案,若在持續加大單片LED晶元面積較困難的前提下,改用多片LED晶元封裝在同一個光源模組,也是可以達到接近前述方法的實用技術方案。

以多晶元封裝滿足低成本、高亮度設計要求

就產業實務需求檢視,礙於量產彈性、設計難度與控制產品良率/成本問題,LED晶元持續加大會碰到成本與良率的設計瓶頸。一昧的加大晶元面積可能會碰到的設計困難,並非技術上與生產技術辦不到,而是在成本與效益考量上,大面積之LED晶元成本較高,而且對於實際製造需求的變更設計彈性較低。

反而是利用多片晶元的整合封裝方式,讓多片LED小晶元在載板上的等距排列,利用打線連接各晶元、搭配光學封裝材料的整體封裝,形成一光源模組產品,而多片封裝可以在進行晶元測試后,利用二次加工整合成一個等效大晶元的光源模組,但卻在製作彈性上較單片設計LED光源用元件要更具彈性。

同時,多片之LED晶元模組解決方案,其生產成本也可因為晶元成本而大幅降低,等於在獲得單片式設計方案同等光通量下,擁有成本更低的開發選項。

多晶元整合光源模組 仍需考量成本效益最大化

另一個發展方向,是將LED晶元面積持續增大,透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED晶元面積也會出現不如設計預期之問題,常見的改進方案為修改復晶的結構,在晶元表面進行製作改善;但相關改善方案也容易影響晶元本身的散熱效率,尤其在光源應用的LED模組,大多要求在高功率下驅動以獲得更高的光通量,這會造成晶元進行發光過程中晶元接面所彙集的高熱不容易消散,影響模組產品的應用彈性與主/被動散熱設計方案。

一般設計方案中,據分析採行7mm2的晶元尺寸,其發光效率為最佳,但7mm2大型晶元在良率與光表現控制較不易,成本也相對較高;反而使用多片式晶元,如4片或8片小功率晶元,進行二次加工於載板搭配封裝材料形成一LED光源模組,是較能快速開發所需亮度、功率表現之LED光源模組產品的設計方案。

例如Philips、OSRAM、CREE等光源產品製造商,就推出整合4、8片或更多小型LED晶元封裝之LED光源模組產品。但這類利用多片LED晶元架構的高亮度元件方案也引起了一些設計問題,例如:多顆LED晶元組合封裝即必須搭配內置絕緣材料,用以避免各別LED晶元短路現象;這樣的製程相對於單片式設計多了許多程序,因此即使能較單片式方案節省成本,也會因額外絕緣材料製程而縮小了兩種方案的成本差距。

應用晶元表面製程改善 也可強化LED光輸出量

除了增加晶元面積或數量是最直接的方法外,也有另一種針對晶元本身材料特性的發光效能改善。例如,可在LED藍寶石基板上製作不平坦的表面結構,利用此一凹凸不規則之設計表面強化LED光輸出量,即為在晶元表面建立Texture表面結晶架構。

OSRAM即有利用此方案開發Thin GaN高亮度產品,於InGaN層先行形成金屬膜材質、再進行剝離製程,使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱此技術可以讓相同的晶元獲得75%光取出效率。

另一方面,日本OMRON的開發思維就相當不同,一樣是致力榨出晶元的光取出效率,OMRON即嘗試利用平面光源技術,搭配LENS光學系統為晶元光源進行反射、引導與控制,針對傳統炮彈型封裝結構的LED產品常見的光損失問題,進一步改善其設計結構,利用雙層反射效果進而控制與強化LED的光取出量,但這種封裝技術相對更為複雜、成本高,因此大多僅用於LCD TV背光模組設計。

LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問題

如果期待LED光源導入日常照明應用,其應用需克服的問題就會更多!因為日常照明光源會有長時間使用之情境,往往一開啟就連續用上數個小時、甚至數十小時,那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱造成晶元的發光衰減、壽命降低現象,元件必須針對熱處理提出更好的方案,以便於減緩光衰問題過早發生,影響產品使用體驗。

LED光源導入日常應用的另一大問題是,如傳統使用的螢光燈具,使用超過數十小時均可維持相同的發光效率,但LED就不同了。因為LED發光晶元會因為元件高熱而導致其發光效率遞減,且此一問題不管在高功率或低功率LED皆然,只是低功率LED多僅用於指示性用途,對使用者來說影響相當小;但若LED作為光源使用,其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強單顆元件的驅動功率下越形加劇,一般會在使用過幾小時后出現亮度下滑,必須進行散熱設計改善才能達到光源應用需求。

LED封裝材料需因應高溫、短波長光線進行改善

在光源設計方案中,往往會利用增加驅動電流來換取LED晶元更高的光輸出量,但這會讓晶元表面在發光過程產生的熱度持續增高,而晶元的高溫考驗封裝材料的耐用度,連續運行高溫的狀態下會致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現劣化,且材料劣化或質變也會進一步造成透光度下滑,因此在開發LED光源模組時,亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質。

增加LED光源模組元件散熱方法相當多,可以從晶元、封裝材料、模組之導熱結構、PCB載板設計等進行重點改善。例如,晶元到封裝材料之間,若能強化散熱傳導速度,快速將核心熱源透過封裝材料表面逸散也是一種方法。或是由晶元與載板間的接觸,直接將晶元核心高熱透過材料的直接傳導熱源至載板逸散,進行LED晶元高熱的重點改善。此外,PCB採行金屬材料搭配與LED晶元緊貼組裝設計,也可因為減少熱傳導的熱阻,達到快速散逸發光元件核心高熱的設計目標。

另在封裝材料方面,以往LED元件多數采環氧樹脂進行封裝,其實環氧樹脂本身的耐熱性並不高,往往LED晶元還在使用壽命未結束前,環氧樹脂就已經因為長時間高熱運行而出現劣化、變質的變色現象,這種狀況在照明應用的LED模組設計中,會因為晶元高功率驅動而使封裝材料劣化的速度加快,甚至影響元件的安全性。

不只是高熱問題,環氧樹脂這類塑料材質,對於光的敏感度較高,尤其是短波長的光會讓環氧樹脂材料出現破壞現象,而高功率的LED光源模組,其短波長光線會更多,對材料惡化速度也會有加劇現象。

針對LED光源應用設計方案,多數業者大多傾向放棄環氧樹脂封裝材料,改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料,例如矽樹脂即具備較環氧樹脂更高的抗熱性,且在材料特性方面,矽樹脂可達到處於150~180°C環境下仍不會變色的材料優勢。

此外,矽樹脂亦可分散藍色光與紫外線,矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題,減緩封裝材料因為變質而導致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說,矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優點,因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優點,在封裝材料可抵禦LED長時間使用產生的持續高熱與光線照射,材料的壽命相對長許多,也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。

LED應用中必須知道的注意事項

LED有著獨特的優勢,但LED是一種脆弱性的半導體產品,所以我們在用LED產品的時候要格外小心,現在給大家總結一些LED使用注意事項,在使用的過程中請高度重視。

(一)應使用直流電源供電

有些生產廠家為了降低產品成本採用「阻容降壓」方式給LED產品供電,這樣會直接影響LED產品的壽命。採用專用開關電源(最好是恆流源)給LED產品供電就不會影響產品的使用壽命,但產品成本相對較高。

(二)須做好防靜電措施

LED產品在加工生產的過程中要採用一定的防靜電措施,如:工作台要接地,工人要穿防靜電服裝,帶防靜電環,以及帶防靜電手套等,有條件的可以安裝防靜電離子風機,同時也要保證車間的濕度在65%左右,以免空氣過於乾燥產生靜電,尤其是綠色LED相對而言更容易被靜電損壞。另外,不同質量檔次的LED抗靜電能力也不一樣,質量檔次高的LED抗靜電能力要強一些。可能有很多的朋友對靜電不是很了解,我在這裡再詳細的介紹一下靜電的知識: 靜電的實質是存在剩餘電荷。電荷是所有的有關靜電現象本質方面的物理量,英文叫ESD。

電位、電場、電流等有關的量都是由於電荷的存在或電荷的移動而產生的物理量。很多靜電問題都是由於人們沒有ESD意識而造成的,即使現在也有很多人懷疑ESD會對電子產品造成損壞。這是因為大多數ESD損害發生在人的感覺以下,因為人體對靜電放電的感知電壓約為3KV,而許多電子元件在幾百伏甚至幾十伏時就會損壞,通常電子器件被ESD損壞后沒有明顯的界限,把元件安裝在PCB上以後再檢測,結果出現很多問題,分析也相當困難。特別是潛在損壞,即使用精密儀器也很難測量出其性能有明顯的變化,所以很都電子工程師和設計人員都懷疑ESD,近年但實驗證實,這種潛在損壞在一定時間以後,電子產品的可靠性明顯下降。

(三)LED的溫度

要注意溫度的升高會使LED內阻變小 當外界環境溫度升高后,LED光源內阻會減小,若使用穩壓電源供電會造成LED工作電流升高,當超過其額定工作電流后,會影響LED產品的使用壽命,嚴重的將使LED光源「燒壞」,因此最好選用恆流源供電,以保證LED的工作電流不受外界溫度的影響。LED溫度也是影響LED壽命的最重要的因素.請大家引起重視。

(四)LED產品的密封

不管是什麼LED產品,只要應用於室外,都面臨著防水、防潮的密封問題,如果處理不好就會直接影響LED產品的使用壽命。現在有少部分對產品質量要求比較高的生產廠家採用傳統的環氧樹脂「澆灌」的方法來密封LED產品,這種方法操作起來比較麻煩,對於體積較大的LED產品不是很適合,也會造成產品的重量增加。

(五)LED的電流不能超過LED的IF電流

過流的工作會使LED壽命很快下降,如果超出過來,就會馬上把LED燒壞。

(六)LED折角須注意

LED在彎角或折角時請不要離膠體太近,應與膠體保持2mm以上的距離,否則會使LED膠體裡面支架與金線分離,彎角在同一處的摺疊次數不能超過三次,拐角彎成90°,再回到原位置為1次。

(七)焊接溫度

焊接溫度在260℃左右,時間控制在5S以內,焊接點離膠體底部在2.5mm以上,電烙鐵一定要接地,絕對不充許帶電焊接LED。


8 發光二極體 -幾種錯誤的嘗試法

最共同的方式為LEDs(和二極體lasers)失敗是逐漸降低效率光輸出和損失。但是,突然的失敗可能發生當活躍區域的退化well.The機制,輻射性再結合發生,介入脫臼生核和成長;這要求一個現有的瑕疵的出

發光二極體發光二極體
現在水晶和被熱、高電流密度,和散發的光加速。砷化鎵和鋁砷化鎵是易受這個機制比砷化鎵磷化物、銦砷化鎵磷化物,和銦磷化物。

由於活躍地區、鎵氮化物和銦鎵氮化物的不同的物產是實際上厚臉皮的對這種瑕疵;但是,高電流密度可能導致原子的電移在活躍地區,導致脫臼和點瑕疵誕生,作為nonradiative再結合中心和導致熱外面代替光。致電離輻射可能導致創作的這樣瑕疵,導致問題以輻射硬化電路包含LEDs(即在optoisolators里)。

早期的紅色LEDs經常是著名的至於他們短的lifetime.WhiteLEDs使用一個或更多黃磷。黃磷傾向於貶低以熱並且年齡,丟失的效率和導致變化在導致的光color.High電流上在被舉起的溫度可能導致金屬原子擴散從電極入活躍區域。

一些材料,著名地銦罐子氧化物和銀,是依於電移。在某些情況下,特別是與GaN/InGaN二極體,障礙金屬層數使用妨害電移作用。機械重音,高潮流,並且腐蝕性環境可能導致頰鬚的形成,導致短的circuits.High力量LEDs是易受當前擁擠,電流密度的nonhomogenous發行在連接點。

這也鳥伬P地方化的熱點的創作,形成熱量逃亡風險。Nonhomogenities在基體,導致導熱性地方化的損失,加重情況;最共同那些是空隙由電移作用和Kirkendall無效造成由殘缺不全焊接,或。熱量逃亡是LEDfailures.Laser二極體的同道會也閉O依於災難光學損傷,當光輸出超出一個重要水平並且熔化塑料包裹facet.Some材料傾向於染黃當服從對熱的起因,導致部份效率吸收(和因此損失)受影響的wavelengths.Sudden失敗由熱量重音經常造成。

9 發光二極體 -使用LED的權衡考慮

近看一顆典型的LED,可以看到其內部結構。不同於白熾電燈泡,白熾燈不管電流的極性,但LED有單嚮導電性。當電流從p-n結方向正向流動時,成為正向偏置。

發光二極體發光二極體

如果電流是反向流過PN結,稱為反向偏置,只能通過很少的電流,並且不會發光。LED可能接在交流電中使用,但他們只會點亮正面電壓,導致LED轉動斷斷續續閃動,以AC的頻率閃亮。



 

 

10 發光二極體 -已知的LED應用列表

其中一些應用在以下文本進一步詳盡闡述。

發光二極體發光二極體

LEDs使用作為情報顯示以嵌入系統的各種各樣的類型:

Status顯示
continuity顯示在緊急車的Light酒吧。
Thin,輕量級信息顯示在機場和火車站和當火車、公共汽車、電車和輪渡的目的地顯示。
Red或黃色LEDs在必須保留夜視的環境里用於顯示和字母數字顯示器:飛機座艙、潛水艇和航運船橋,天文觀測所,和領域的,即夜間動物觀看和軍事野外使用。
Red、黃色、綠色和藍色LEDs可以為模型鋪鐵路的應用使用
to傳送數字信息:

發光二極體發光二極體

電視的,錄象機等等Remote控制,使用紅外LEDs。
In光纖通信。
紅色或黃色LEDs在必須保留夜視的環境里用於顯示和字母數字顯示器:飛機座艙、潛水艇和航運船橋,天文觀測所,和領域的,即夜間動物觀看和軍事野外使用。
Red、黃色、綠色和藍色LEDs可以為模型鋪鐵路的應用使用
to傳送數字信息:
電視的,錄象機等等Remote控制,使用紅外LEDs。
In光纖通信。
In顯示的消息點矩陣安排。
In交通信號,LED群替換色的白熾電燈泡。
Movement感測器,例如,在光學計算機老鼠

11 發光二極體 -照明應用

作為替換的LEDs用於白熾光電燈泡和日光燈叫作固體照明設備(SSL)-被包裝,一起被編組的白色LEDs群形成一個光源(被生動描述)。LEDs是適度地高效率的:平均商務SSL當前輸出每瓦特32流明(lm/W)和新技術許諾交付80lm/W。長的終身LEDs使SSL非常有吸引力。他們比白熾光電燈泡和熒光燈管也更加機械上健壯的。目前,固體照明設備不是可用的為家庭使用,不要求在家庭應用的電源轉換,並且不是相對地昂貴的,雖然費用是越來越少的。然而LED手電筒已經變得廣泛可用。

12 發光二極體 -LED的分類

一、按發光管發光顏色

按發光管發光顏色分,可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。另外,有的發光二極體中包含二種或三種顏色的晶元。

根據發光二極體出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色,上述各種顏色的發光二極體還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極體和達於做指示燈用。

二、按發光管出光面特徵

按發光管出光面特徵分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發光二極體記作T-1;把φ5mm的記作T-1(3/4);把φ4.4mm的記作T-1(1/4)。

由半值角大小可以估計圓形發光強度角分佈情況。從發光強度角分布圖來分有三類:

(一)高指向性。一般為尖頭環氧封裝,或是帶金屬反射腔封裝,且不加散射劑。半值角為5~20或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。

(二)標準型。通常作指示燈用,其半值角為20~45。

(三)散射型。這是視角較大的指示燈,半值角為45~90或更大,散射劑的量較大。

三、按發光二極體的結構

按發光二極體的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

四、按發光強度和工作電流

按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發光強度<;10mcd);超高亮度的LED(發光強度>100mcd);把發光強度在10~100mcd間的叫高亮度發光二極體。

一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA,而低電流LED的工作電流在2mA以下(亮度與普通發光管相同)。

除上述分類方法外,還有按晶元材料分類及按功能分類的方法。

13 發光二極體 -LED的缺點


* 散熱問題,如果散熱不佳會大幅縮短壽命。
* 低端LED燈的省電性還是低於節能燈(冷陰極管,CCFL)。
* 初期購買成本較高。
* 因LED光源方向性很強,燈具設計需要考慮LED特殊光學特性。

14 發光二極體 -歷史發展

50年前人們已經了解半導體材料可產生光線的基本知識,1962年,通用電氣公司的尼克•何倫亞克(NickHolonyakJr.)開發出第一種實際應用的可見光發光二極體。LED是英文light emitting diode(發光二極體)的縮寫,它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料,置於一個有引線的架子上,然後四周用環氧樹脂密封,即固體封裝,所以能起到保護內部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。

發光二極體的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片,在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層,稱為P-N結。在某些半導體材料的PN結中,注入的少數載流子與多數載流子複合時會把多餘的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉換為光能。PN結施加反向電壓時,少數載流子難以注入,故不發光。這種利用注入式電致發光原理製作的二極體叫發光二極體,通稱LED。 當它處於正向工作狀態時(即兩端加上正向電壓),電流從LED陽極流向陰極時,半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強弱與電流有關。

LED
最初LED用作儀器儀錶的指示光源,後來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用,產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例,在美國本來是採用長壽命、低光效的140瓦白熾燈作為光源,它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后,光損失90%,只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中,Lumileds公司採用了18個紅色LED光源,包括電路損失在內,共耗電14瓦,即可產生同樣的光效。 汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。

對於一般照明而言,人們更需要白色的光源。1998年白光的LED開發成功。這種LED是將GaN晶元和釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起做成。GaN晶元發藍光(λp=465nm,Wd=30nm),高溫燒結製成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光射,峰值550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中,覆蓋以混有YAG的樹脂薄層,約200-500nm。 LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收,另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合,可以得到得白光。現在,對於InGaN/YAG白色LED,通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度,可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法,構造簡單、成本低廉、批量生產、技術成熟度高,因此運用最多。

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