LED光效研究.doc

功率白光LED光效的研究发布: 2009-5-05 11:01 作者: ILight 来源: 照明工程师社区 查看: 2141次 编者按：白光LED因绿色环保、高效节能以及长寿命的优点得到人们的高度重视，但是LED照明产品的开发是一个系统工程，除了提升光源本身的亮度外，还涉及到散热、二次配光、控制电路、电源等一系列问题。目前，LED光源的亮度还不够高，所以大家把LED照明产品的功率做得较大，这样一来就带来了成本增加、散热结构复杂、电源和控制设计困难等一系列问题。如果LED光源的光效能得到大幅提升，其他如价格、散热、驱动电路、以及配光等环节的问题处理起来就更加容易，所以白光LED光效的提升至关重要，它是LED照明走向普通照明的重要环节，下面本文就LED光效的改进方法作一些讨论。 wst+sG Ta在当前能源日益短缺的情况下，以日本和欧美等为主的发达国家已经在城市公共照明领域进行半导体照明的改造工程，同时，我国政府也在倡导要大力发展LED照明产业，全力推进半导体照明工程，LED照明的国际、国内市场前景巨大。但LED要全面取代传统照明，光效的提升是一个至关重要的环节。照明工程师社区 | IL lTt6J-n/T;3UnPu白光是一种多颜色的混和光，目前白光LED的制造方法主要有以下几种方式：1.R+G+B(LEDChip)7N(jo/t.q照明工程师社区 | IL eB;o?|2.B(LEDChip)+YellowPhosphor(荧光粉)照明工程师社区 | IL oW AI5o3B%F3Ch(k$w V3.B(LEDChip)+(R+G)Phosphor(荧光粉)照明工程师社区 | IL )c0sWQ7AU)MH h o s4nu4.B(LEDChip)+(Y+R)Phosphor(荧光粉)5.B(LEDChip)+(Y+G)Phosphor(荧光粉)b#M4OO&Ch$T /B-B,rma6.UV(LEDChip)+(R+G+B)Phosphor(荧光粉)n-G/HlT&py5NO w(J!Gr(Glk,P4b4v其中第一种方法是将R、G、B三色LED晶片封装在一起，通过RGB混光的方式得到白光;第二种是蓝光LED晶片加YAG黄色荧光粉的封装方式，通常以450nm-465nm的蓝色光激发YAG黄色荧光粉产生黄光，该黄光与透过YAG荧光粉而没有被吸收的蓝光混合而产生两波长的白光，这项技术的发明者为日亚化学(美国专利：US5998925);第六种方法是通过紫外光激发R、G、B三基色荧光粉，从而产生R、G、B三色光混合的白光(美国专利：US5952681)。!qmEFBF U紫外光激发三基色荧光粉的封装方式发光原理与日光灯的相同，都是由三基色荧光粉吸收能量而发出三色光，再经混合而得到白光。这种发光模式发出的白光显色性较好，但目前这种封装模式还受到一些材料特性和制程技术的制约，例如目前尚无抗衰减、高效率的功率型紫光LED晶片;封装材料选择困难，一方面这些封装材料必须抗紫外光，不会因为紫外光的照射而产生劣化;另一方面这些封装材料还要能阻挡紫外光的外泄，以避免对人体产生伤害。目前，第一种和第二种是最常用的白光LED制造方法，尤其是以蓝光激发黄色荧光粉而得到白光的这种方法，已被用于工业化量产。这种制造技术其发光效率高低主要取决于材料(晶片、荧光粉、胶水)的优劣和生产制程的过程控制，下面我们就这几方面的问题作一些讨论：照明工程师社区 | IL 0M|TDvY J2k.lS-E%b2材料：照明工程师社区 | IL O&UY6l&| V照明工程师社区 | IL v LY;!A h1.晶片$t s9q K晶片本身的功率是白光LED光效的决定因素，目前常见的蓝光晶片制造方式有下列四种类型：照明工程师社区 | IL ,Up5eL照明工程师社区 | IL A+y_t7W)M.mA.以Cree为代表的SiC或者Si衬底(图一)这几种晶片结构都有他们独自的特点。蓝宝石衬底晶片的出光模式为正面和侧面出光，其优点是工艺相对简单、成熟，但是由于蓝宝石导热率较低，对器件的散热有一定影响。Si衬底晶片、金属衬底晶片以及倒装晶片的出光模式都是正面出光，Si衬底晶片的典型代表为Cree的EZ系列，这类晶片的特点是Si衬底背面镀有Au-Sn合金，可以进行共晶固晶以获得较低的热阻;倒装晶片的典型代表是Lumileds，其制造方法是通过刻蚀露出外延层的N区，然后将整个芯片倒装焊接在具有电路结构的Si基板上，通常，Si基板上还集成有齐纳二极管，这晶片的散热能力和抗静电能力都比较高。金属衬底晶片与Si衬底晶片结构类似，只不过相对于Si衬底来说，金属Cu衬底的热导率跟高，封装出的器件可具有更低的热阻，但缺点是Cu与GaN材料的热失配相对较大。照明工程师社区 | IL uOU0pt&pWI/|;L/y a2.荧光粉荧光粉效率的高低与其颗粒的大小有着密切的关系，目前业界使用的荧光粉直径为5m15m。研究表明，颗粒相对越粗，其发光效率相对越高，但另一方面，颗粒越粗的荧光粉是在制程中也越容易沉淀，在使用时间上不容易控制。颗粒较小的荧光粉不易沉淀，但是其光效相对较低。为此，为了解决荧光粉效率和沉淀相矛盾的问题，我们可通过缩短使用时间、增加胶水的密度等方法让较粗的荧光粉不易沉淀从而提高LED的发光效率。照明工程师社区 | IL !M7:(m m2YT8_Z+cW.H.Sb图五是不同荧光粉的效率比较：照明工程师社区 | IL Ufk&/Rp/9Kp3o_LE)T3.胶水)xJI D x2gfBt+g照明工程师社区 | IL OAm| ?+Z.kJ6k提高胶水的折射率是提升LED光效的关键，目前业界使用的胶水折射率大多在1.41.5左右，而最近有日本厂商宣称开发出了折射率高达1.9的胶水，如果这种胶水在可靠性方面能够得到业界认可，则可使LED在光效方面向前迈进一大步。照明工程师社区 | IL 2e*DX GL W EX z?#ta|)xMi)aX _d制程技术照明工程师社区 | IL r N9?v9US!Feg !N)Gk!z1.设备:m3?V| QL6T)V 1J#a$g5rY$GK G:NNqt为了防止点荧光胶过程中荧光粉的沉淀，人们开发出很多设备来解决这个难题，比如一些厂家开发出离心式搅拌设备以使荧光粉和胶水充分能够均匀地混合的，并且在搅拌的同时还能消除胶水中的气泡;为了让荧光胶点胶量均匀，人们开发出采用活塞式、螺杆式的喷胶设备;为了不让荧光粉沉淀，一些设备采用边点胶边加热的方式或者边混合边点胶的方式进行点胶作业。总之，这些先进的设备为我们解决一些制程问题提供了很多途径。照明工程师社区 | IL D/JS2qC O.e 0p8M照明工程师社区 | IL 0O?N2 N)q-oV4K!t9x8z,mGy2.过程参数照明工程师社区 | IL ,I5gn5ty R照明工程师社区 | IL ,RS zb5R)c有了先进的设备并不代表就一定能封装出高光效的白光LED，我们还需要找出每一个制程参数的最佳条件使系统得到最佳优化。有人针对不同的材料配搭采用DOE矩阵的方式来寻找设备的最佳参数条件。这种矩阵方式如表一所示：VSG+g&W&pdwIS表一、DOE矩阵0t8(W n Q)Mmj#V 照明工程师社区 | IL ? t3mZRNz9+|%I6I5?0UQ在表一中，“B”表示最佳参数条件，要获得这样的条件需要做大量的实验。5X(Kw+?6A图六是不同点胶方式的光效比较：ia8Q2YWN Vbd 3. 稳定性照明工程师社区 | IL O9z3R+u SgFK;F+ro%QkYa/C-L所谓稳定性也就是我们常说的制程能力的高低了，一般用Cpk来表示，Cpk表示制程能力的判定标准如下：I/miC3J aA.当1.67CPK1.33，表示制程OK，无须做任何的变更。照明工程师社区 | IL t4c vEo-l照明工程师社区 | IL .l NA:m gw,m ?-y cB.当CPK1.33，则需开立矫正预防措施单，以利于针对问题点进行改善。C.当CPK1.67，则需列入观察。)SP0tc#4z N5tV;C9r)YH E.当CPK2.3，则说明设计成本过高，需进行设计变更或规格变更之确认。小结：LED照明的道路光明而又充满艰辛，还希望业界的广大科技工作者不断的研究以寻找更多的突破点，为人类的光明事业做出更大的贡献。TAG: LED照明 光效 工艺 材料 白光LED 窗体顶端LED 照明 灯具设计 照明设计 LED照明 设计 灯光 灯光设计 光源 镇流器 夜景照明 荧光灯 景观照明 室内照明 【产品热点】.(图) 【名词解释】.(图) 梦回唐朝.(图) 点亮精彩.(图) 2009“LED照.(图)查看全部1条评论 最新评论 删除 引用 wanban (2009-6-17 10:51:41, 评分: 0 ) 中国将彻底摆脱国外对高端LED的垄断近年来，随着能源危机的日益突现，环境污染日趋严重，发展高效节能产业成为了国家优先的发展战略。LED照明作为第四代照明，具有高效节能、绿色环保、寿命长、光色易控制等诸多优点，更受到了国家的高度重视。中国大陆从事LED的芯片50多家，LED的封装有1000多家，从事应用的3000多家，但总体没有摆脱水平低，重复开发的问题，虽说我国大陆与世界几个LED产业比较发达的国家和地区（如德国、美国、日本、韩国和台湾）同时起步，但技术却相差甚远，德国西门子集团子公司欧司朗已开发出白光LED150LM/瓦的大功率，美国科瑞开发出小功率161LM/瓦的白光LED，而国内普遍的水平才80-1