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高亮度LED制程技术仍需不断改善创新

来源:电子发烧友 发布日期:2014-12-02 14:33:07 查看次数:
【九正建材网】 LED光源具备多项环保优势,但早期产品在散热处理与高亮度设计方面,仍存在某些技术瓶颈无法突破,但在LED芯片制程持续改善下,现有照明用LED的亮度输出流明更趋近于日常照明需求,加上IC固态形式的元件设计,让LED的光源设计增加更多应用弹性与

LED光源具备多项环保优势,但早期产品在散热处理与高亮度设计方面,仍存在某些技术瓶颈无法突破,但在LED芯片制程持续改善下,现有照明用LED的亮度输出流明更趋近于日常照明需求,加上IC固态形式的元件设计,让LED的光源设计增加更多应用弹性与优势。

尤其是LED光源不易损坏、寿命长的优点,若不计单组成本问题,相较于传统高耗能的钨丝灯(白炽灯)/卤素灯/高压钠灯、有汞污染疑虑的CCFL萤光灯具,LED是表现相当优异的替代性光源新选择。

但为了因应不同日常照明应用,还须针对发光效率、光形、散热设计与整体使用成本等多项应用问题,持续改善LED的产品设计,让LED照明更具实用价值,而不再只是展现环保诉求的装饰品。

80W高亮度LED可具备6,400~8,000流明亮度,灯具可达100lm-W,元件寿命超过50,000小时。

LED照明光源,因本身元件的材料特性差异,加上发光原理异于传统照明设备,若未加处理光形与改善照明质量,欲直接以LED取代一般日常应用的光源,仍有多项限制,尤其是演色性、照明光形、照明颜色、电源转换效率…等关键问题,都需要透过芯片的制程改善或是灯具的光学物理设计强化,进一步满足一般照明的需求。

LED固态照明仍存在成本偏高问题

在实际的照明应用市场,LED固态照明本身仍存在高单价、高成本限制,想要在短时间内加速LED照明应用普及,相关业者仍须在元件成本、制作技术、验证标准…等关键项目,逐一改善成本效率。

而在生产技术方面,还得让最终产品于色温表现、演色性和光电转换效率进行规格强化与性能提升,同时还要改善AC-DC电源转换、高功率驱动控制、光源散热和光形处理等相关技术,这些都是LED照明技术能否快速普及的重要关键。

高亮度LED较一般传统高亮度卤素灯、钠灯具备更长使用寿命,可制成户外用灯具,节省维护成本

前面也有提到,LED照明光源的设计必须先改善照明模块的散热设计,散热机制的集成是LED照明产品能否维持长寿命、低光衰的关键。例如,采用COB LED多晶灯板,将LED芯片固定在印刷电路板之上,LED芯片可直接透过PCB接触增加热传导效率,进而改善LED照明应用常见的散热问题。

LED载板设计形式 可改善元件散热效率

为了因应高功率、高亮度的照明应用设计,原有的PCB载版会改采金属核心的PCB材料来增加LED元件的散热效率,因为驱动过程所产生的热,均可藉由PCB的金属核心来降低热阻抗,进而强化散热表现。

金属核心PCB多使用MCPCB(Metal 酷睿 Printed Circuit Board)来降低载板热阻设计,而MCPCB为求降低成本,多选用铝为载板核心,具成本低廉、散热能力佳及更好的抗腐蚀特性。

LED要获得日常光源大量应用的优势,就必须深入发展芯片的核心技术,其中影响LED元件发光特性、效率的关键更在其基底材料与长晶的技术差异。LED基底材料除传统蓝宝石基底之外,矽、碳化硅、氧化锌、氮化镓…等都是目前LED的应用重点。而薄膜芯片技术则是开发高亮度LED芯片的重点技术。

Thin film重点在减少晶粒的侧向光耗损,搭配底部反射面集成,可将芯片本身97%由电产生的光输出直接自LED正面输出,避免光耗损,如此自然可提高LED的单位发光效率。除提高LED芯片的光电效率外,亦可透过改变芯片结构,如芯片表面粗化设计,透过多重改善电光效率制程方法,进行产品改良。

利用封装技术 全面强化LED元件照明性能

在高功率LED封装技术方面,可分单颗芯片封装、多芯片集成封装、芯片板封装…等项目,透过改善封装技术,则可让LED发光效率、散热、产品可靠度获得全面性的改善。

单颗芯片封装应用方面,可利用封装来改善发光效率、散热热阻,或开发SMT形式量产元件,另在封装阶段还能利用萤光粉体混入封装体的处理手段,改善LED的输出色温,或是控制LED的照明光色与提升照明质量。

除晶粒本身的制程或是利用封装设计来改善之外,LED灯具的设计形式或搭配光学透镜,皆可利用光学物理特性来改善产品质量。例如,LED搭配光学矽胶封填即可使元件具备较大的照明光束角度,而经过封装处理的元件也能搭配二次光学透镜强化底部反光杯的设计形式,大幅强化LED元件的光学特性。

在众多高亮度照明用的LED设计方案中,也有采用大量LED元件利用平面排布的形式,以数量来达到增加灯具光输出的效果,而在LED元件封装上也是同样道理,将多个LED芯片1次封装在载板平面,也是LED照明应用的常见设计方案。

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