白光led的發(fā)展歷程

白光led的發(fā)展歷程

1led行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀1998年，全球光機(jī)光機(jī)的開發(fā)成功，將全球光機(jī)燈的應(yīng)用從簡單的信號功能提升到照明功能。白光LED亮度和功率在不斷地提高,而每提高一次,都進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。從2000年開始,功率型LED被應(yīng)用于某些設(shè)備的照明中。比較突出的例子有:三菱電機(jī)將它所研制的LED用作可拍照移動電話的閃光燈;Lumileds公司用作液晶電視屏的背光源;小糸公司將其用于汽車頭燈中。2003年及2004年全球LED產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)30%的高成長率,2005-2008年繼續(xù)增長,其中,以高亮度LED與超高亮度LED最具成長潛力。從全球市場來看,高亮度LED主要的應(yīng)用領(lǐng)域仍在移動設(shè)備的背光源上,占整個市場的近60%的規(guī)模,其次是汽車和信號燈市場。單元光通量是表征LEDs、OLEDs等固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一。LED從誕生至今以每10年亮度提高20倍,價格降低為原來的1/100的速度在發(fā)展。伴隨著新材料和發(fā)光效率的提高,單個LED光源的功率和光通量也在迅速增加。原先,一般LED的驅(qū)動電流僅為20mA。到了20世紀(jì)90年代,一種代號為“水虎魚”的LED光源的驅(qū)動電流增加到50mA-70mA,而代號為“梭子魚”的LED光源的驅(qū)動電流達(dá)到300mA-500mA。我國早在上世紀(jì)60年代就開展了光電技術(shù)的研究工作,80年代進(jìn)入批量生產(chǎn),直到本世紀(jì)初才形成規(guī)模生產(chǎn)。2002年LED產(chǎn)量超過150億只,產(chǎn)值超過80億元;2003年LED產(chǎn)量約200億只,產(chǎn)值超過100億元,其中超高亮度LED有幾十億只。近幾年LED的成長率超過30%,其中超高亮度LED超過50%。目前,國內(nèi)四元系A(chǔ)lGaInp的紅、橙、黃色芯片已經(jīng)可以批量生產(chǎn),估計每年可提供8億~10億只,GaN基藍(lán)、綠色芯片已可以小批量生產(chǎn),每年可提供3億只左右,小功率白光LED封裝產(chǎn)品(芯片以進(jìn)口為主)年產(chǎn)為5億~8億只。我國早期只是引進(jìn)管芯進(jìn)行封裝,屬勞動密集型產(chǎn)業(yè),從上世紀(jì)末開始,從引進(jìn)外延片進(jìn)行加工,發(fā)展為自主研發(fā)和小批量生產(chǎn)技術(shù)含量較高的外延片。2光子引發(fā)的能量LED是一種固體光源,它是利用半導(dǎo)體P-N結(jié)制成的發(fā)光器件。在正向?qū)〞r,半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子復(fù)合,釋放出的能量以光子或部分以光子的形式發(fā)射出來。這種發(fā)光效應(yīng)也可稱為注入電致發(fā)光。由于不同半導(dǎo)體材料的帶隙能量不同,因此激發(fā)光的波長也不同。所以,采用不同的材料可制成不同顏色的發(fā)光二極管。目前實現(xiàn)照明用LED白光主要有如下三條途徑,且各有其優(yōu)缺點:2.1電流和電流聯(lián)合阻燃led將紅、綠、藍(lán)三色LED功率型芯片集成封裝在單個器件之內(nèi),調(diào)節(jié)三基色的配比,理論上可以獲得各種顏色的光。通過調(diào)整三色LED芯片的工作電流可產(chǎn)生寬譜帶白光。此法由于沒有Stocks頻移造成的能量損失,在三種方法中效率最高,色度也很好(Ra>95),同時生產(chǎn)成本也最高。其缺點是,由于三種顏色的LED量子效率不同,而且隨著溫度和驅(qū)動電流的變化不一致,隨時間的衰減速度也各不相同,紅、綠、藍(lán)LED的衰減速率依次上升。因此,為了保持顏色的穩(wěn)定,需要對三種顏色分別加反饋電路進(jìn)行補(bǔ)償,導(dǎo)致電路復(fù)雜,而且會造成10%~15%的效率損失。2.2紫外光led+z治療采用高亮度的近紫外LED(~400nm)泵浦RGB三色熒光粉,產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三基色。通過調(diào)整三色熒光粉的配比可以形成白光。相對于藍(lán)光LED+YAG熒光粉,采用這種方法更容易獲得顏色一致的白光,因為顏色僅僅由熒光粉的配比決定;此外,還可以獲得很高的顯色指數(shù)(>90)。其缺點主要有:(1)高效的功率型紫外LED不容易制作;(2)由于Stocks變換過程中存在能量損失,用高能量的UV光子激發(fā)低能量的紅綠藍(lán)光子導(dǎo)致效率較低;(3)封裝材料在紫外光的照射下容易老化,壽命縮短;(4)存在紫外線泄漏的安全隱患。2.3國內(nèi)熒光led制作工藝優(yōu)缺點以功率型GaN基藍(lán)光LED為泵浦源,激發(fā)黃色無機(jī)熒光粉或黃色有機(jī)熒光染料,由激發(fā)獲得的黃光與原有藍(lán)光混合產(chǎn)生視覺效果的白光。這種方法的優(yōu)點是:白光LED發(fā)光管結(jié)構(gòu)簡單,制作工藝相對容易,而且YAG熒光粉已經(jīng)在熒光燈領(lǐng)域應(yīng)用了許多年,工藝比較成熟。其缺點主要有:(1)藍(lán)光LED發(fā)光效率還不夠高;(2)短波長的藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生長波長的黃光,存在能量損耗;(3)熒光粉與封裝材料隨著時間老化,導(dǎo)致色溫漂移;(4)不容易實現(xiàn)低色溫(一般照明用的白光都略微偏暖色,色溫較低),顯色指數(shù)一般也不高(70~80);(5)功率型白光LED還存在空間色度均勻性等問題。3led燈氣控制和驅(qū)動技術(shù)白光LED驅(qū)動IC其功能主要是對白光LED提供高效和持久的驅(qū)動。有的不僅是簡單的控制與驅(qū)動,還具有智能管理功能。從而實現(xiàn)高效率、高性能和多種管理及保護(hù)功能。驅(qū)動IC的需求和白光LED的應(yīng)用密不可分,白光LED的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展,推動了驅(qū)動IC的發(fā)展。反過來,驅(qū)動技術(shù)又是提升LED照明應(yīng)用水平的關(guān)鍵所在。因為LED所需電源為直流、低電壓,故傳統(tǒng)的鎢絲燈泡或日光燈之電源并不適合直接推動LED燈具,必須考慮恒定的電流驅(qū)動、能源轉(zhuǎn)換的效率、功率因素(powerfactor)等各種要求。這些都對集成電路的設(shè)計、工藝及應(yīng)用等諸方面的技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。因此眾多廠商投入大量資金和人力開展結(jié)構(gòu)更加緊湊、功能更強(qiáng)、效率更高的白光LED控制、驅(qū)動IC的研發(fā)工作。從而在各個應(yīng)用領(lǐng)域中,在技術(shù)和產(chǎn)品方面都有較明顯的突破。如:德國歐司朗為新型白色LED發(fā)光效率40lm/W的LED開發(fā)出了一整套大電流LED驅(qū)動器產(chǎn)品,驅(qū)動電流為500mA時的光量為64lW。采用脈沖驅(qū)動時,電流最大可達(dá)2A,面向車載和相機(jī)閃光燈等用途。美國Linear科技公司推出了最高可將亮度調(diào)至3000:1發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動IC,主要面向車載和工業(yè)用設(shè)備的LED顯示器和背照燈。Supertex公司推出業(yè)界首個通用、高亮(HB)LED驅(qū)動器IC產(chǎn)品,效率超過93%,可減少相關(guān)元件的數(shù)量,從而降低了系統(tǒng)成本。還推出了第二代高電壓LED驅(qū)動器IC,提供精確的LED電流,輸入電壓范圍(9V-250V),用于三原色背光,汽車照明和電池驅(qū)動LED燈。微設(shè)備公司推出了低噪音LED驅(qū)動器,在一個芯片里整合了電荷泵和線性穩(wěn)壓器。4發(fā)展白色光束研究就目前白光LED發(fā)展趨勢看,今后應(yīng)在如下幾個主要方面展開研究:4.1在芯片方面(1)近紫外與紫外led泵浦y2o3、srga2s4:灰黑色譜法半高寬發(fā)生相對變化,合成白光的色度學(xué)指標(biāo)發(fā)生漂移。但用這種方式實現(xiàn)白光照明生產(chǎn)成本相對較低,容易被市場所接受。用近紫外或紫外LED泵浦Y2O3:Ru(紅色)、SrGa2S4:Ru(綠色)BaMgAl14O23:Ru(藍(lán)色)熒光粉獲得的功率型白光LED,隨著注入電流的增大(直至100~1000mA量級),三個熒光譜峰的相對強(qiáng)度和譜寬關(guān)系可基本維不變,這種色溫穩(wěn)定性使其在許多高品質(zhì)需求的應(yīng)用場合(如節(jié)能臺燈)得到應(yīng)用。(2)pla和p-chp結(jié)構(gòu)設(shè)計原有藍(lán)光LED芯片底層是sapphire襯底,上面覆蓋環(huán)氧樹脂透鏡。環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱散熱能力很差,芯片產(chǎn)生的熱量絕大部分要向下通過sapphire進(jìn)行熱傳導(dǎo)。但是sapphire襯底的熱導(dǎo)率很低,不利于熱量擴(kuò)散。因此這種正裝芯片不能滿足日益增長的功率要求。為了解決這個問題,人們正在研制倒裝焊(Flip-chip)結(jié)構(gòu),Flip-chip結(jié)構(gòu)將芯片通過焊料倒裝在硅襯底上,出射光線經(jīng)由透明的藍(lán)寶石射出,不經(jīng)過p電極,減少了被吸收量,而且沒有焊盤阻擋,出光效率得到了提高。此外,采用高反射率金屬制作進(jìn)行金屬半導(dǎo)體接觸,將向下發(fā)射的光反射回去,進(jìn)一步提高了出光效率。由于Flip-chip結(jié)構(gòu)有利于提高出光效率,因此能減少芯片的產(chǎn)熱量,提高芯片可承受的最大功率。4.2關(guān)于服裝(1)led封裝結(jié)構(gòu)超溫wsf封裝晶圓傳統(tǒng)的5mm指示型LED的封裝芯片粘在金屬管腳上。由于指示型LED工作電流小,靠兩只金屬管腳散熱。但是當(dāng)工作電流超過50mA時,這種散熱方式會導(dǎo)致器件結(jié)溫度過高,影響器件的性能和壽命。為了提高散熱能力,封裝結(jié)構(gòu)曾經(jīng)出現(xiàn)過食人魚等結(jié)構(gòu)。1998年采用厚金屬熱沉取代管腳散熱,厚金屬表面積大,散熱能力強(qiáng),并且增大了與下面電極接觸的面積,提高了熱傳導(dǎo)能力。對于當(dāng)前發(fā)展的功率型白光LED,典型的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)照明光源的要求,設(shè)計更合理的封裝結(jié)構(gòu),不僅可以解決散熱問題,提高LED的光提取效率和色度空間均勻性,而且可以提高LED的電光轉(zhuǎn)換效率,并延長其工作壽命。因此設(shè)計新的封裝結(jié)構(gòu)是改進(jìn)封裝工藝的最關(guān)鍵技術(shù)。倒裝焊功率型LED的封裝結(jié)構(gòu)芯片產(chǎn)生的光透過透明的藍(lán)寶石而出射,芯片產(chǎn)生的熱量則通過硅襯底向下傳導(dǎo)至金屬熱沉上,再對流到周圍環(huán)境中。由于硅的熱導(dǎo)率是藍(lán)寶石的3倍,所以這種結(jié)構(gòu)能大大改善器件的散熱性能。(2)紅色藍(lán)色熒光粉在制造暖色影響的單一軸系器件中的應(yīng)用采用紅綠藍(lán)三基色LED組合或紫外LED激發(fā)三基色熒光粉都可以獲得較高的顯色指數(shù),但目前這方面的技術(shù)還不成熟。在研究較多的藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉的白光技術(shù)中,由于光譜中缺少紅色成分,致使器件色溫偏高,顯色指數(shù)偏低。為了解決這一問題,可以在YAG黃色熒光粉中摻入適量的紅色熒光粉,制成色溫接近日光燈的暖色白光LED。目前的工作在于開發(fā)適合藍(lán)光LED激發(fā)的高效紅色熒光粉。(3)合成光提取材料LED的光提取效率和色度均勻性是評價LED優(yōu)劣的重要指標(biāo)。為了提高LED的光提取效率,許多手段例如倒金字塔結(jié)構(gòu)、表面粗糙技術(shù)、光子再生、改變自發(fā)輻射、光子晶體LED等都在考慮范圍之內(nèi),但截至目前,還沒有一種能夠顯著提高光提取效率的技術(shù)。同時,功率型白光LED的色度在空間的不均勻性是一個普遍存在的問題,而人眼能分辨的空間色溫差異閾值是50~100K。因此提高空間色度均勻性也是白光LED的發(fā)展趨勢之一。(4)過高的熱量對led熒光器件工作性能的影響隨著LED功率的增大,產(chǎn)生的熱量增多,如果散熱問題解決不好,熱量會集中在尺寸很小的芯片內(nèi)。過高的熱量將影響LED發(fā)光器件的性能和工作壽命。改進(jìn)LED的散熱技術(shù),也是實現(xiàn)LED照明的關(guān)鍵所在。5熱光照與led轉(zhuǎn)換率白光LED光源與傳統(tǒng)光源相比較,具有長壽命、節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富、微型化等顯著優(yōu)點,是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一次革命