Bílé světlo LED s dlouhou životností, vysokým výkonem a nízkou spotřebou energie
V minulosti, aby bylo dosaženo plného zisku z paprsku, průmysl vyvinul velkou velikost a snažil se dosáhnout požadovaného cíle touto metodou, ale ve skutečnosti, když aplikovaný výkon bílé LED stále přesahuje 1W, paprsek se sníží a světelná účinnost se relativně sníží o 20~30 procent. Jinými slovy, pokud je jas bílých LED několikrát větší než jas tradičních LED a charakteristiky spotřeby energie mají překonat charakteristiky zářivek, je třeba nejprve překonat následující čtyři hlavní problémy: a. potlačení nárůstu teploty; b. zajištění životnosti; C. zlepšení světelné účinnosti d. Vyrovnání světelných vlastností.
Specifickou metodou pro problém nárůstu teploty je snížení tepelné impedance obalu; specifickou metodou pro zachování životnosti LED je zlepšení tvaru čipu a použití malého čipu; specifickou metodou ke zlepšení světelné účinnosti LED je zlepšení struktury čipu a použití malého čipu; pokud jde o jednotné světelné charakteristiky Specifickou metodou je zlepšit způsob balení LED. Obecně se má za to, že se očekává, že bílé LED přijmou výše uvedená opatření v letech 2005~2006.
Vývoj Jingwei ke zvýšení výkonu způsobí, že tepelná impedance pouzdra prudce klesne pod 10K/W. Zahraniční společnosti proto vyvinuly bílé LED diody odolné vůči vysokým teplotám, aby se pokusily výše uvedené problémy zlepšit. Skutečná výhřevnost je však desítkykrát vyšší než u nízkopříkonových LED. Výše uvedené a zvýšení teploty také výrazně sníží světelnou účinnost. I když technologie balení umožňuje vysoké teplo, teplota lepení LED čipu může překročit povolenou hodnotu. Nakonec si průmysl konečně uvědomil, že základním řešením je řešení problému rozptylu tepla obalů.
Pokud jde o životnost LED, například použití silikonových těsnících materiálů a keramických obalových materiálů může zvýšit životnost LED o 10 procent, zejména světelné spektrum bílých LED obsahuje krátkovlnné světlo s vlnovými délkami pod 450 nm, tradiční epoxid pryskyřičné těsnící materiály Velmi snadno se poškodí krátkovlnné světlo. Velké množství světla vysoce výkonných bílých LED urychluje poškození těsnících materiálů. Podle výsledků testů v tomto odvětví se jas vysoce výkonných bílých LED diod snížil o více než polovinu po dobu kratší než 10,000 hodin nepřetržitého svícení, což nemůže uspokojit zdroj světla. Základní požadavky na dlouhou životnost.
Pokud jde o světelnou účinnost LED, zlepšení struktury čipu a obalové struktury může dosáhnout stejné úrovně jako u nízkoenergetických bílých LED. Hlavním důvodem je, že když se proudová hustota zvýší více než 2krát, je nejen obtížné extrahovat světlo z velkých čipů, ale povede to ke světelné účinnosti. Není to tak dobré jako dilema bílých LED s nízkou spotřebou. Pokud se zlepší elektrodová struktura čipu, lze teoreticky vyřešit výše zmíněný problém s extrakcí světla.
Pokud jde o rovnoměrnost světelných charakteristik, obecně se má za to, že pokud se zlepší rovnoměrnost koncentrace fosforového materiálu bílé LED, měla by být výrobní technologie fosforu schopna překonat výše uvedené problémy.
Jak bylo uvedeno výše, při zvyšování aplikovaného výkonu je nutné pokusit se snížit tepelnou impedanci a zlepšit problém rozptylu tepla. Konkrétní obsah je:
①Snižte tepelný odpor od čipu k obalu
②Potlačit tepelnou impedanci z obalu do tištěného obvodu
③Zlepšete hladkost odvodu tepla čipu
Aby se snížila tepelná impedance, mnoho zahraničních výrobců LED umisťuje LED čipy na povrch chladičů vyrobených z mědi a keramických materiálů a poté pomocí pájecích metod spojuje vodiče pro odvod tepla na desce s plošnými spoji s použitím chladicích ventilátorů. Na chladicích žebrech s nuceným chlazením vzduchem lze podle experimentálních výsledků OSRAM Opto Semiconductors Gmb v Německu snížit tepelnou impedanci od LED čipu k pájenému spoji výše uvedené struktury o 9K/W, což je asi 1/ 6 tradiční LED a přibalená LED používá 2W Při vysokém výkonu je teplota spojování LED čipu o 18 K vyšší než teplota pájeného spoje. I když teplota desky s plošnými spoji stoupne na 500 C, teplota lepení je maximálně jen asi 700 C. Naproti tomu, jakmile se tepelná impedance sníží, bude teplota spojování LED čipu vyšší. Vlivem teploty desky plošných spojů je nutné pokusit se snížit teplotu LED čipu, jinými slovy snížit tepelný odpor od LED čipu k pájenému spoji, což může účinně snížit zátěž chlazení LED čip. Naopak, i když má bílá LED strukturu potlačující tepelný odpor, pokud teplo nelze odvést z obalu na desku plošných spojů, světelná účinnost LED prudce poklesne v důsledku zvýšení teploty VEDENÝ. Společnost zapouzdří 1mm čtvercovou modrou LED na keramický substrát ve formě flip čipu a poté vloží keramický substrát na povrch měděné desky s plošnými spoji. Podle Panasonicu je tepelná impedance celého modulu včetně desky plošných spojů cca 15K/W. o.
Protože adheze mezi žebrem pro odvod tepla a deskou s plošnými spoji přímo ovlivňuje účinek vedení tepla, návrh desky s plošnými spoji se stává velmi komplikovaným. S ohledem na to výrobci osvětlovacích zařízení a LED obalů, jako je Lumi ve Spojených státech a CITIZEN v Japonsku, postupně vyvinuli vysoce výkonné LED diody. Pomocí jednoduché technologie rozptylu tepla může bílý LED balíček, který CITIZEN začal testovat v roce 2004, přímo vypouštět teplo z žeber pro odvod tepla o tloušťce asi 2~3 mm ven bez speciální technologie lepení. Podle společnosti je sice lepení LED čipů tepelná impedance 30K/W od bodu k chladicímu žebru větší než 9K/W OSRAM a pokojová teplota zvýší tepelnou impedanci asi o 1W v normálním prostředí, ale i když tradiční deska plošných spojů nemá žádný chladicí ventilátor pro nucené chlazení vzduchem, bílé světlo může být také použito pro nepřetržité osvětlení.
Vysoce výkonný LED čip, který Lumileds začala testovat v roce 2005, má vyšší lepicí teplotu plus 1850 C, což je o 600 C vyšší než u produktů jiných společností na stejné úrovni. Při použití tradičního pouzdra s plošnými spoji RF4 může být okolní teplota na vstupu v rozsahu 400 C, což odpovídá 1,5 W napájecího proudu (asi 400 mA).
Jak bylo uvedeno výše, Lumileds a CITIZEN se rozhodly zvýšit přípustnou teplotu přechodu, zatímco německý OSRAM nastavil LED čip na povrchu žebra pro odvod tepla tak, aby dosáhl rekordu ultra nízké tepelné impedance 9K/W, což je vyšší než tepelná impedance předchozího vývoje podobných produktů OSRAM. snížení o 40 procent. Za zmínku stojí, že modul LED je zabalen pomocí stejné metody překlápěcího čipu jako tradiční metoda, ale když je modul LED připojen k tepelnému žebru, je jako lepicí povrch vybrána vrstva vyzařující světlo nejblíže k čipu LED, aby světlo vyzařovalo Teplo vrstvy může být rozptýleno vedením na nejkratší vzdálenost.
V roce 2003 Toshiba Lighting Co., Ltd. jednou položila bílou LED se světelnou účinností 60 lm/W nízkou tepelnou impedancí na povrch z hliníkové slitiny o 400 mm čtverečních, bez speciálních komponent pro odvod tepla, jako jsou chladicí ventilátory, a pokusila se vyrobit LED modul s paprskem 300lm. Vzhledem k tomu, že společnost Toshiba Lighting Co., Ltd. má bohaté zkušenosti se zkušební výrobou, společnost uvedla, že díky pokroku v technologii simulační analýzy lze snadno použít bílé LED diody přesahující 60 lm/W po roce 2006, tepelná vodivost rámu může být snížena. vylepšené, nebo lze osvětlovací zařízení navrhnout s nuceným chlazením vzduchem chladicími ventilátory. Modulová struktura, která nevyžaduje speciální technologii chlazení, může využívat i bílé LED.
Pokud jde o životnost LED, současným protiopatřením výrobců LED je změna těsnicího materiálu a zároveň rozptýlení fluorescenčního materiálu v těsnicím materiálu, zejména silikonový těsnící materiál je lepší než těsnicí materiál z epoxidové pryskyřice nad tradiční modré a téměř ultrafialové LED čipy. Je efektivnější potlačit rychlost zhoršování stavu materiálu a snížení propustnosti světla.
Protože procento epoxidové pryskyřice absorbující světlo s vlnovou délkou 400~450nm je až 45 procent, silikonový těsnicí materiál je menší než 1 procento a doba pro snížení jasu epoxidové pryskyřice na polovinu je kratší než 10,{{ 5}} hodin a silikonový těsnící materiál lze prodloužit na přibližně 40,000 hodin, což je téměř stejná jako konstrukční životnost osvětlovacího zařízení, což znamená, že bílé LED diody není třeba vyměňovat během používání osvětlovacího zařízení. Silikonová pryskyřice je však vysoce elastický a měkký materiál a při zpracování je nutné použít technologii výroby, která nepoškrábe povrch silikonové pryskyřice. Silikonová pryskyřice se navíc během procesu snadno přichytí k prachu. Proto je nutné vyvinout technologie, které mohou v budoucnu zlepšit vlastnosti povrchu.
Přestože silikonový těsnící materiál může zajistit životnost LED diod po dobu 40,{1}} hodin, průmysl osvětlovacích zařízení má různé názory. Hlavní debata je, že životnost tradičních žárovek a zářivek je definována jako „jas snížený na 30 procent nebo méně“. Pokud je doba zkrácení LED na polovinu 40,000 hodin, pokud se jas sníží na méně než 30 procent, zbývá jen asi 20,000 hodin. V současnosti existují dvě protiopatření k prodloužení životnosti komponentů, a to:
1. Potlačit celkový nárůst teploty bílých LED;
2. Přestaňte používat zapouzdření do pryskyřice.
Obecně se má za to, že pokud budou důkladně implementována výše uvedená dvě opatření k prodloužení životnosti, lze dosáhnout požadavku na 30 procent jasu po dobu 40,000 hodin. Pro potlačení nárůstu teploty bílých LED lze použít metodu chlazení obalové desky plošných spojů LED. Hlavním důvodem je to, že obalová pryskyřice se rychle znehodnotí při vysoké teplotě a silném ozáření světlem. Podle Arrheniova zákona se životnost prodlouží 2krát, pokud se teplota sníží o 100C.
Ukončení používání zapouzdření pryskyřicí může zcela eliminovat faktor zhoršení, protože světlo generované LED se odráží v zapouzdřené pryskyřici. Pokud použijete pryskyřičný reflektor, který může změnit směr světla na straně čipu, reflektor světlo pohltí, takže množství odváděného světla bude ostré. To je hlavní důvod, proč výrobci LED důsledně používají keramické a kovové obalové materiály.
Existují dva způsoby, jak zlepšit světelnou účinnost bílých LED čipů. Jedním z nich je použití velkého LED čipu s plochou, která je 10krát větší než u malého čipu (asi 1 mm2); Jediný modul. Ačkoli velký LED čip může získat velký paprsek, zvětšení plochy čipu bude mít nevýhody, jako je nerovnoměrné elektrické ohraničení vrstvy emitující světlo v čipu, omezené části vyzařující světlo a vážné zeslabení světla generovaného uvnitř čipu. když je vyzařován ven. V reakci na výše uvedené problémy dosáhli výrobci LED světelné účinnosti 50 lm/W zlepšením struktury elektrody, přijetím metody balení čipů a integrací dovedností zpracování povrchu čipu.
Pokud jde o elektrickou rovnost celého čipu, od doby, kdy se před dvěma nebo třemi lety objevily hřebenovité a síťovité (síťované) elektrody typu p, počet výrobců používajících tuto metodu stále roste a elektrody jsou také vyvíjející se směrem k optimalizaci.
Pokud jde o způsob balení čipu, protože vrstva vyzařující světlo je blízko konce obalu, je snadné emitovat teplo a světlo z vrstvy vyzařující světlo je vyzařováno ven bez problémů s jeho stíněním elektrodami. Proto americké Lumileds a Japonsko Toyoda Gosei oficiálně přijaly metodu flip chip balení. V roce 2005 následovaly také společnosti Matsushita Electric, Matsushita Electric Works a Toshiba, které zahájily sériovou výrobu LED ve velkém měřítku. Společnost Nichia, která v minulosti používala obaly pro spojování drátů, a 50lm/W zákaznicky specifické LED diody vydané v roce 2004 také používaly obaly s flip čipy.
Pokud jde o povrchové zpracování čipu, může zabránit odrazu světla od vnitřku čipu na vnější stranu čipu, aby se odráželo na rozhraní. Podle japonského výrobce LED, pokud je při balení čipu flip, pokud je na safírovém substrátu v části pro extrakci světla nastavena konkávně-konvexní struktura, nedojde k vytažení vnější strany čipu. Paprsek lze zvýšit o 30 procent.
