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高亮度LED之「封装光通」原理技术探析

  • 发布日期:2007-01-31 浏览次数380

前言:毫无疑问的,这个世界需要高亮度发光二极管(High Brightness Light-Emitting Diode;HB led),不仅是高亮度的白光led(HB WLED),也包括高亮度的各色LED,且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED(Ultra High Brightness LED,简称:UHD LED)。

    用led背光取代手持装置原有的EL背光、CCFL背光,不仅电路设计更简洁容易,且有较高的外力抗受性。用led背光取代液晶电视原有的CCFL背光,不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用led照明取代白光灯、卤素灯等照明,不仅更光亮省电,使用也更长效,且点亮反应更快,用于煞车灯时能减少后车追撞率。

     所以,LED从过去只能用在电子装置的状态指示灯,进步到成为液晶显示的背光,再扩展到电子照明及公众显示,如车用灯、交通号志灯、看板讯息跑马灯、大型影视墙,甚至是投影机内的照明等,其应用仍在持续延伸。

 更重要的是,LED的亮度效率就如同摩尔定律(Moore''s Law)一样,每24个月提升一倍,过去认为白光LED只能用来取代过于耗电的白炽灯、卤素灯,即发光效率在1030lm/W内的层次,然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后,就连萤光灯、高压气体放电灯等也开始感受到威胁。

 虽然LED持续增强亮度及发光效率,但除了最核心的萤光质、混光等专利技术外,对封装来说也将是愈来愈大的挑战,且是双重难题的挑战,一方面封装必须让LED有最大的取光率、最高的光通量,使光折损降至最低,同时还要注重光的发散角度、光均性、与导光板的搭配性。

 另一方面,封装必须让LED有最佳的散热性,特别是HB(高亮度)几乎意味著HP(High Power,高功率、高用电),进出LED的电流值持续在增大,倘若不能良善散热,则不仅会使LED的亮度减弱,还会缩短LED的使用寿命。

 所以,持续追求高亮度的LED,其使用的封装技术若没有对应的强化提升,那么高亮度表现也会因此打折,因此本文将针对HB LED的封装技术进行更多讨论,包括光通方面的讨论,也包括热导方面的讨论。

 附注:大陆方面称为「发光二极管」。

 附注:一般而言,HB LED多指8lm/W(每瓦8流明)以上的发光效率。

 附注:一般而言,HP LED多指用电1W(瓦)以上,功耗瓦数以顺向导通电压乘以顺向导通电流(Vf×If,f=forward)求得。

■裸晶层:「量子井、多量子井」提升「光转效率」

 虽然本文主要在谈论led封装对光通量的强化,但在此也不得不先说明更深层核心的裸晶部分,毕竟裸晶结构的改善也能使光通量大幅提升。

 首先是强化光转效率,这也是最根源之道,现有LED的每瓦用电中,仅有15%20%被转化成光能,其余都被转化成热能并消散掉(废热),而提升此一转换效率的重点就在p-n接面(p-n junction)上,p-n接面是LED主要的发光发热位置,透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。

▲量子井(Quantum Well;QW)的结构图。(郭长佑制图)

 关于此,目前多是在p-n接面上开凿量子井(Quantum Well;QW),以此来提升用电转换成光能的比例,更进一步的也将朝更多的开凿数来努力,即是多量子井(Multiple Quantum Well;MQW)技术。

■裸晶层:「换料改构、光透光折」拉高「出光效率」

 如果光转效率难再要求,进一步的就必须从出光效率的层面下手,此层面的作法相当多,依据不同的化合材料也有不同,目前HB LED较常使用的两种化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN,前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光,后者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光,以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光。

 至于作法有哪里些?这包括改变实体几何结构(横向转成垂直)、换用基板(substrate,也称:衬底)的材料、加入新的材料层、改变材料层的接合方式、不同的材料表面处理等。不过,无论如何变化,大体都不脱两个要则:一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。

 举例来说,过去AlGaInP的LED,其基板所用的材料为GaAs,然黑色表面的GaAs使p-n接面散发出的光有一半被遮挡吸收,造成光能的浪费,因此改用透明的GaP材料来做基板。又如日本日亚化学工业(Nichia)在GaN的LED中,将p型电极(p type)部分做成网纹状(Mesh Pattern),以此来增加p极的透明度,减少光阻碍同时提升光透量。

 至于增加折反射上,在AlGaInP的结构中增加一层DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层,将另一边的光源折向同一边。GaN方面则将基板材料换成蓝宝石(Sapphire,Al2O3,三氧化二铝)来增加反射,同时将基板表面设计成凹凸纹状,藉此增加光反射后的散射角度,进而使取光率提升。或如德国欧司朗(OSRAM)使用SiC材料的基板,并将基板设

 

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