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半导体照明产业技术的发展历程
第一讲半导体照明产业技术的发展历程
LED产业的发展是和半导体技术以及照明光源技术发展紧密相关的。
根据LED技术不同发展阶段,从其应用发展来看,LED产业的发展历程依次可分为大致以下几个阶段:
1.――指示应用阶段;
2.――信号、显示应用阶段;
3.――照明应用阶段。
1965年,全球第一款商用化发光二极管诞生,它是用锗材料作成的可发出红外光的LED,当时的单价约为45美元。
其后不久,Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。
这种LED的效率为每瓦大约0.1流明,比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。
1968年,LED的研发取得了突破性进展,利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦,并且能够发出红光、橙光和黄色光。
到了1971年,业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。
80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED,它能以每瓦10流明的发光效率发红光,这一技术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位刹车灯(CHMSL)设备。
1990年,业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术,这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。
当今,效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。
在1991年至2001年期间,材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。
1994年,中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二级管,由此人们看到了白光LED的曙光以及GaN基LED广阔的市场前景和巨大商机,也由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。
GaN基LED迅速发展,并逐渐进入到应用市场领域。
蓝光LED的出现大大加速了大屏幕显示应用,从20世纪90年代中期开始,许多广告、体育和娱乐场所开始应用LED大屏幕显示。
在紫外和蓝光技术上的突破使得另外一种生成白光的技术成为可能,即在单枚LED上通过蓝光激发荧光粉,生成白光,20世纪90年代后期制成了第一只这样的LED。
LED作为指示应用已经成熟,作为信号、显示等方面的应用还需要进一步发展,而作为照明应用,还属于起步阶段。
随着技术的不断进步,近年来白光LED的发展相当迅速,白光LED的发光效率已经达到30lm/W,实验室研究成果甚至可以达到60lm/W,大大超过白炽灯,而向荧光灯迫近。
白光LED的应用曙光已经显现。
第二讲半导体照明灯具及光学系统
LED小巧轻量、驱动电压低、全彩色、寿命长、效率高、耐振动、易于控光等特性,为设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。
人们习惯于看日光下的东西,对于通用照明来说,人们需要的主要是接近太阳光质量的光源,所以白光LED是半导体照明科技的重要指标。
由于单只LED功率小,光亮度低,不宜单独使用,为此必须将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明系统。
但目前白光LED与通用照明的要求还有一定的距离,还存在诸多技术与成本问题急需解决。
(1)半导体照明灯具系统的主要技术概况
1)灯具系统的热量管理
一般常称LED为冷光源,这是因为LED发光原理是电子经过复合直接发出光子,而不需要热的过程。
但由于焦耳热的存在,LED在发光的同时也有热量伴随,而且对于大功率和多个LED应用的场合,热量积少成多而不能小觑,LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源,过高的温度会缩短,甚至终止其使用寿命。
而且
LED是温度敏感器件,当温度上升时,其效率急剧下降,所以系统结构设计及散热技术开发也是LED应用需面对的课题。
由于强制空气冷却通常在光源中是不可取的,所以随着输入电功率的提高,散热片和其它增强自然对流冷却的方法就在
LED灯和光源设计中发挥日益重要的作用。
2)提高显色性
目前白光LED普遍使用发蓝光LED叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石(YAG)荧光粉,合成为白光。
由于其发光光谱中仅含蓝、黄这两个波谱,所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题,不符合普通照明要求。
人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性,对照明而言,光源的显色性往往比发光效率更重要。
所以加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要的课题。
3)灯具系统的二次光学设计
传统灯具长期以白炽灯、荧光灯光源为参照物来决定灯具的光学和形状的标准,因此LED灯具系统应考虑摒弃传统灯具加上LED发光模块的组装方式,充分考虑其光学特性,为LED光源专门设计不同的灯具。
光学系统设计内容主要包括如下几个方面:
①
根据照明对象、光通量的需求,决定光学系统的形状、LED的数目和功率的大小;②
将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”,根据组合成的二次光源,计算照明光学系统;③
构成照明光学系统设计的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要。
由于LED发出的光束集中,更易于控制,且不需要反射器聚光,有利于减少灯具的深度。
例如,利用平面镜光学系统,可以只用1~2个LED就可照亮很大的表面,而灯具深度很薄;而利用光导技术,LED直接装于光导管旁,可大大减少光源及其它组件占用的体积,制成超薄的灯具。
4)电源、电路与灯具的集成
为LED
设计灯具,需要注意白炽灯和荧光灯灯具设计师很少需要关注的一个问题就是电源。
大多数白炽灯直接由交流电线供电,因此不需要电源。
荧光灯使用镇流器来完成电源的功能。
但LED需要专门的电源与驱动电路与其配套,在设计灯具的时候应考虑电源与灯具系统集成。
半导体照明和太阳能发电的最大特点都是环保、节能、长寿命、安全。
太阳能发电和半导体照明相结合完成光电到电光的转换,是最佳的组合。
以太阳电池发电作为电源的自然能利用型独立半导体照明灯具,节能、环保、长寿命,还省去了相关的电线及配套设施,拥有巨大的市场空间。
5)提高系统的可靠性
LED光源有人称它谓长寿灯,作为固体发光器件,其理论寿命在10万小时以上,其使用寿命远比传统光源要长,因此在一些不易更换维护的场合使用,其维护成本可大为降低。
但是目前许多实际应用中却无法看到这项优点,反而给使用者看到的是光衰严重,且寿命短,根本用不到一万小时就坏了,这是因为大家所使用的
LED是电子工业界最常使用的指示功能的Ф3~Ф5mm
LED,利用简单的电子电路加大电流来增加其发光强度,但是LED只获得了短暂的高亮度,却失去了LED应有的寿命。
因此在半导体照明灯具设计上慎选
LED,应使用大功率LED作为照明设备光源。
6)提高光通量、降低价格
目前单个1W的LED器件,光通量约为25lm,质量好的售价要超过5美元,差一些的也要3美元。
而25
lm的光通量对于普通照明而言太小了,一只普通的60W白炽灯的光通量大于700
lm,也就是说,要代替传统照明需要多个LED器件,还要加上驱动电路、灯壳、灯头等,如此高的成本是白光LED在普通照明中的最大问题。
特别是效率,目前是25~45
lm/W,还有待于进一步提高。
(2)技术发展趋势
1)摒弃目前LED灯具仅仅是传统灯具加LED发光模块的设计方法,要充分考虑LED光学特性,开发LED专用灯具。
2)电源及控制电路的设计,电源方面要改变目前普遍使用的电容降压和阻抗分压的应用方式,设计出合理的小电流恒流源电路,在驱动电流方面采用时钟周期调制方式,提高LED灯具的稳定性,同时进一步提高电源的效率。
3)在控制电路电路设计方面,要向集中控制,标准模块化,系统可扩展性三方面发展。
4)在目前LED光效和光通量有限的情况下,充分发挥LED色彩多样性的特点,开发变色LED灯饰的控制电路。
5)发挥LED的优势,开发LED照明与光伏系统结合的灯具系统。
6)开发适合室内照明的集成平板光源系统,发展趋势是LED照明灯具与建筑融为一体。
7)开发LED灯具模拟仿真系统,以加快产品开发速度。
8)开发太阳能与高亮度LED集成技术,解决太阳能电池系统与LED照明系统的匹配和控制技术。
第三讲半导体照明电源及控制电路
作为一种新的光源,近年来各大公司和研究机构对LED电源和驱动电路的研究方兴未艾。
与荧光灯的电子镇流器不同,LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压,并同时完成与LED的电压和电流的匹配。
随着硅集成电路电源电压的直线下降,LED
工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间,大多数为低电压IC供电的技术也都适用于为LED,特别是大功率
LED供电。
再则,LED电源还应能利用低电压IC电源产量逐渐上升带来的规模经济。
(1)LED电源和驱动电路主要技术概况
1)电压变换技术
电源是影响LED光源可靠性和适应性的一个重要组成部分必须作重点考虑。
目前我国的市电是220V的交流电,而LED光源属半导体光源,通常是用直流低电压供电,这就要求在这些灯具中或外部设置AC-DC转换电路,以适应LED电流驱动的特征。
目前电源选择的途径有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等多种,根据电流稳定性,瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。
2)电源与驱动电路的寿命与成本
LED寿命方面,虽然单颗LED本身的寿命长达10万小时,但其应用时必须搭配电源转换电路,故LED照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。
但对照明用LED,为达到匹配要求,电源与驱动电路的寿命必须超过10万小时,使其不再成为半导体照明系统的瓶颈因素。
在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本,电源与驱动电路的寿命与成本的通常不宜超过照明系统总成本的三分之一,在半导体照明灯具产品发展的初期,必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成本的关系。
3)驱动程序的可编程技术
LED用作光源一个显著的特点就是在低驱动电流条件下仍能维持其流明效率,同时对于R.G.B.多晶型混光而形成白光来说,通过开发一种针对LED的数字
RGB混合控制系统,使用户能够在很大范围内对LED的亮度,颜色和色调进行任意调节,给人以一种全新的视觉享受。
在城市景观亮化应用方面,LED光源可在微处理器控制下可以按不同模式加以变化,形成夜晚的多姿百态的动态效果,在这方面将体现LED相对于其它光源所具有的独特的竞争优势。
4)电源与驱动电路的效率
LED电源与驱动电路,既要有一定的供LED所需的接近恒流的正向电流输出,又要有较高的转换效率,电光转化效率是半导体照明的一个重要因素,否则就会失去LED节能的优点,目前商业化的开关电源其效率约为80%左右,作为半导体照明用电源,其转换效率仍须进一步提升。
(2)技术发展趋势
1)针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路,利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在最佳电流值,使得LED能获得稳定的电流,并产生最高的输出光通量。
LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。
2)LED驱动电路具有智能控制功能,使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。
当负载电流因各种因素而产生变化时,初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。
3)在控制电路电路设计方面,要向集中控制,标准模块化,系统可扩展性三方面发展。
4)在目前LED光效和光通量有限的情况下,充分发挥LED色彩多样性的特点,开发变色LED灯饰的控制电路。
第四讲主要封装技术概况
1)LED单芯片封装
LED在过去的30多年里,取得飞速发展。
第一批产品出现在1968年,工作电流20mA的LED的光通量只有千分之几流明,相应的发光效率为0.1
lm/W,而且只有一种光色为650nm的红色光。
70年代初该技术进步很快,发光效率达到1
lm/W,颜色也扩大到红色、绿色和黄色。
伴随着新材料的发明和光效的提高,单个LED光源的功率和光通量也在迅速增加。
原先,一般LED的驱动电流仅为20
mA。
到了20世纪90年代,一种代号为“食人鱼”的LED光源的驱动电流增加到50-70mA,而新型大功率LED的驱动电流达到300—500
mA。
特别是1998年白光LED的开发成功,使得LED应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。
A功率型LED封装技术现状
功率型LED分为功率LED和瓦(W)级功率LED两种。
功率LED的输入功率小于1W(几十毫瓦功率LED除外);W级功率LED的输入功率等于或大于1W。
最早有HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED,并于1994年推出改进型的“Snap
LED”,有两种工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率可达0.3W。
接着OSRAM公司推出“PowerTOP
LED”,之后一些公司推出多种功率LED的封装结构。
这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍,热阻降为过去的几分之一。
W级功率LED是未来照明的核心,世界各大公司投入很大力量,对其封装技术进行研究开发。
单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998
年推出的LUXEON
LED,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,将倒装芯片用硅载体直接焊在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料,现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED,Lumileds公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。
OSRAM于2003年推出单芯片的Golden
Dragon”系列LED,其特点是热沉与金属线路板直接接触,具有很好的散热性能,而输入功率可达1W。
日亚的1WLED工作电流为350
mA,白光、蓝光、蓝绿光和绿光的光通量分别为23、7、28和20流明,预计其寿命为5万小时。
B功率型LED封装技术概述
半导体LED若要作为照明光源,常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比,距离甚远。
因此,LED要在照明领域发展,关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。
由于LED芯片输入功率的不断提高,功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求:
①封装结构要有高的取光效率;②热阻要尽可能低,这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。
功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构,虽然其内量子效率还需进一步提高,但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。
现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率,改善芯片的热特性,并通过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件的光电转换效率,从而获得较高的发光通量,除了芯片外,器件的封装技术也举足轻重。
功率型LED封装关键技术:
a.散热技术
传统的指示灯型LED封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达
150~250℃/W,新的功率型芯片若采用传统式的LED封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。
对于大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。
可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热;甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻;在器件的内部,填充透明度高的柔性硅胶,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象;零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。
普通LED和大功率LED封装结构分别见图2-5,图2-6。
热阻参考值见表2-1。
普通LED和大功率LED封装结构分别见图2-5,图2-6。
热阻参考值见表2-1。
图2-5普通LED封装结构图
图2-6大功率LED封装结构图
表2-1普通LED与大功率LED的热阻参考值对比
LED功率
热阻参考(℃/W)
普通LED
150~250
1WLED
<50
3WLED
<30
5WLED
<18
10WLED
<9
b二次光学设计技术
为提高器件的取光效率,设计外加的反射杯与多重光学透镜。
c.功率型LED白光技术
常见的实现白光的工艺方法有如下三种:
①蓝色芯片上涂上YAG荧光粉,蓝光激发荧光粉发出的黄绿光与蓝光合成白光。
该方法相对简单,效率高,具有实用性。
缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好;色温偏高,显色性不理想。
②RGB三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光,或者用蓝+黄色双芯片补色产生白光。
只要散热得法,该方法产生的白光较前一种方法稳定,但驱动较
③在紫外光芯片上涂RGB荧光粉,利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。
由于目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低,仍未达到实用阶段。
表2-2三条主要的白光LED制备路线比较
紫外LED+RGB荧光粉
蓝光LED+黄色荧光粉
二元互补色LED
RGB多芯片组合
芯片
显色性
最好
一般
一般
一般
好
色稳定性
最好
好
一般
一般
好
流明保持率
未有数据
一般
好
好
好
荧光材料
在研
较成熟
-
-
-
效率
最好
好
一般
一般
好
应用
白光照明
背光源
特殊照明
显示
背光源
照明用W级功率LED产品要实现产业化还必须解决如下技术问题:
①荧光粉涂敷量和均匀性控制:
LED芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法,通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。
在操作过程中,由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器精度等因素的影响,此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度,导致了白光颜色不均匀。
②芯片光电参数配合:
半导体工艺的特点,决定同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数(如波长、光强)和电学(如正向电压)参数差异。
RGB三基色芯片更是这样,对于白光色度参数影响很大,这是产业化必须要解决的关键技术之一。
③根据应用要求产生的光色度参数控制:
不同用途的产品对白光LED的色坐标、色温、显色性、光功率(或光强)和光的空间分布等要求不同,上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。
在产业化生产中,对上述因素进行控制,得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。
d.检测技术与标准
随着W级功率芯片制造技术和白光LED工艺技术的发展,LED产品正逐步进入照明市场,显示或指示用的传统LED产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。
国内外的半导体设备仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器,不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异,增加了测试应用、产品性能比较工作的难度和问题复杂化。
LED要往照明业拓展,建立LED照明产品标准是产业规范化的重要手段。
e.筛选技术与可靠性保证
由于灯具外观的限制,照明用LED的装配空间密封且受到局限,不利于LED散热,这意味着照明LED的使用环境要劣于传统显示、指示用LED产品。
另外,照明LED是处于大电流驱动下工作,这就对其提出更高的可靠性要求。
在产业化生产中,针对不同的产品用途,进行适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选试验,剔除早期失效品,保证产品的可靠性很有必要。
f.静电防护技术
由于GaN是宽禁带材料,电阻率较高,该类芯片在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失,累积到相当的程度,可以产生很高的静电电压。
当超过材料的承受能力时,会发生击穿现象并放电。
蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面,间距很小;对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结,InGaN有源层仅几十纳米,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。
GaN基LED和传统的LED相比,抗静电能力差是其鲜明的缺点,静电导致的失效问题已成为影响产品合格率和使用推广的一个非常棘手的问题。
因此,在产业化生产中,静电的防范是否得当,直接影响到产品的成品率、可靠性和经济效益。
静电的防范技术有如下几种:
①对生产使用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆放等方面实施防范。
②芯片上设计静电保护线路。
③LED上装配静电保护器件。
2)多芯片集成封装
为避免大尺寸芯片导致发光效率的下降等问题,可采用小尺寸芯片集成的方法来增加单管最大可发光通量。
由于小芯片技术相对成熟,各种高热导绝缘夹层的铝基板散热好,对提高光效和增加器件稳定性都有好处并便于芯片集成和散热,效果不错,结构和封装形式较多。
但正装小芯片固有的缺点如电极引线遮光等问题,在多片集成时会加重而影响发光效率,在基板上设计“无引线”的芯片集成可避免引线问题,是提高小芯片集成光效的途径之一。
美国UOE公司曾研制的NorLux系列。
这个系列采用六角形铝板作为衬底,衬底直径为1.25英寸,发光区位于其中央部位,直径约为0.375英寸,可容纳40个发光二极管芯片,芯片的键合引线是通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接,芯片结构可根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列管芯的数目。
LaminaCeramics公司于2003年推出了采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技术封装的大功率LED阵列。
松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED。
河北立德公司目前已具有单色、多基色、白色等各种颜色,各种工作电压,各种功率的多芯片集成LED功率光源产品,最大集成功率已分别达到12W(彩色)和6W(白色)。
图2-7多芯片集成封装产品
3)荧光粉
在白光LED的制备中,荧光粉是一个非常关键的材料,它的性能直接影响白光LED的亮度、色坐标、色温及显色性等。
利用LED芯片配合特定荧光粉产生白光的方法工艺简单,成本较低。
目前商品化白光LED产品及未来的发展趋势仍以单芯片型为主流,而开发具有良好发光特性的荧光粉是得到高亮度、高发光效率、高显色性白光LED的关键所在。
通常,选择LED用荧光粉的标准是:
①荧光粉能被与之匹配的LED芯片有效激发;②并具有高的量子效率;③化学性质稳定。
目前采用荧光粉产生白光共有三种方式:
蓝光LED配合黄色荧光粉;蓝光LED配合红色、绿色荧光粉;UV-LED配合红、绿、蓝三色荧光粉。
目前商品化的白光LED多属蓝光LED配合黄色荧光粉的单芯片型,蓝光LED配合红色、绿色荧光粉的白光产生方式只是在OSRAR、Lumileds等公司的专利上报道过,但仍未有商品化产品出现,而UV-LED配合三色荧光粉的方式目前也尚处于开发中。
不同荧光粉产生白光LED的优缺点比较见表2-3。
表2-3采用荧光粉产生白光LED各种方式的优缺点比较
白光产生类型
白光产生方式
优点
缺点
单芯片型
蓝光LED配合黄色荧光粉
单一芯片即可发白光,成本低,制作简单
效率低,显色性有待提高,低色温难以实现,光色随电流变化,容易有月晕现象
蓝光LED配合红色、绿色荧光粉
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