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白光LED是一種照明光源，其耗能少、穩(wěn)定性高。它是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的裝置，通過將藍(lán)光LED與熒光粉結(jié)合，可以產(chǎn)生出白光。與傳統(tǒng)的照明光源相比，白光LED具有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、環(huán)保、體積小、穩(wěn)定性高等。因此，白光LED逐漸成為目前主流的照明光源。
基本信息
| 中文名 | 白光LED |
| 材料 | |
| 類型 | 單晶型和多晶型 |
| 方式 | LED發(fā)光二極管 |
發(fā)光原理
白光LED發(fā)光的方式主要按使用LED發(fā)光二極管的使用數(shù)量可以分為單晶型和多晶型兩種類型。
一種是多晶型，即使用兩個或兩個以上的互補(bǔ)的2色LED發(fā)光二極管或把3原色LED發(fā)光二極管做混合光而形成白光。采用多晶型的產(chǎn)生白光的方式，因?yàn)椴煌纳实腖ED發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓、發(fā)光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此在使用多晶型LED發(fā)光二極管的方式產(chǎn)生白光，比單晶型LED產(chǎn)生白光的方式復(fù)雜，也因LED發(fā)光二極管的數(shù)量多，也使得多晶型LED的成本亦較高；若采用單晶型，則只要用一種單色LED發(fā)光二極管元素即可，而且在驅(qū)動電路上的設(shè)計(jì)會較為容易。
另一種是單晶型，即一只單色的LED發(fā)光二極管加上相應(yīng)的熒光粉，就如同日光燈的發(fā)光方式一樣，采用LED發(fā)光二極管激發(fā)熒光粉發(fā)光。通常采用兩種方式，一種方式是藍(lán)光LED發(fā)光二極管激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光，另一種方式是紫外光LED激發(fā)RGB三波長熒光粉來產(chǎn)生白光。許多廠商主要從事白光LED的研究，通常都先從藍(lán)光LED開始研發(fā)及量產(chǎn)，有了藍(lán)光LED的技術(shù)之后再開始研發(fā)白光LED，然而目前最常用藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉來產(chǎn)生白光，但是用藍(lán)光LED來發(fā)白光的方式的發(fā)光效率仍然不足，許多廠商開始向另外一個方向就是往紫外光LED來發(fā)展，利用紫外光LED加RGB三波長熒光粉來達(dá)到白光的效果，其發(fā)光效率比藍(lán)光好上許多。而紫外光LED加RGB三波長熒光粉的方法，則關(guān)鍵技術(shù)在高效率的熒光體合成法，也就是如何把熒光粉有效的附著在晶粒上的一項(xiàng)技術(shù)。
材料的影響
晶片
從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，晶片對光衰的影響分為兩大類：第一是晶片的材質(zhì)不同導(dǎo)致衰減不同，常用的藍(lán)光晶片襯底材質(zhì)為碳化硅和藍(lán)寶石，碳化硅一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單電極，其導(dǎo)熱效果比較好，藍(lán)寶石一般設(shè)計(jì)為雙電極，熱量較難導(dǎo)出，導(dǎo)熱效果較差；第二是晶片的尺寸大小，在晶片材質(zhì)相同時，尺寸大小不同衰減差距也不同。
固晶
在白光LED封裝行業(yè)中通常用到的固晶膠有環(huán)氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊，在選用時要綜合考慮。環(huán)氧樹脂絕緣膠導(dǎo)熱性差，但亮度高；硅樹脂絕緣膠導(dǎo)熱效果比環(huán)氧樹脂稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片時旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環(huán)氧樹脂相結(jié)合時會產(chǎn)生隔層現(xiàn)象，經(jīng)過冷熱沖擊后將產(chǎn)生剝離導(dǎo)致死燈；銀膠的導(dǎo)熱性比前兩者都好，可以延長LED芯片的壽命，但銀膠對光的吸收比較大，導(dǎo)致亮度低。對于雙電極藍(lán)光晶片在用銀膠固晶時，對膠量的控制也很嚴(yán)格，否則容易產(chǎn)生短路，直接影響到產(chǎn)品的良品率。
熒光粉
實(shí)現(xiàn)白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過在藍(lán)光晶片上涂抹一層黃色熒光粉，使藍(lán)光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質(zhì)對白光LED的衰減影響很大。市場最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍(lán)光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同廠商的熒光粉對光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關(guān)系密切。
支架
LED支架主要有銅支架和鐵支架。銅支架導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好，價格高。而鐵支架的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能相對較差，更容易生銹，但價格便宜。市場上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對LED的性能影響也不同，特別是對光衰的影響尤為突出。這主要是由于銅的導(dǎo)熱性能比鐵的好很多，銅的導(dǎo)熱系數(shù)398W（m.k）,而鐵的導(dǎo)熱系數(shù)只有50W（m.k）左右，僅為前者的1/8，還有支架的電鍍層厚度也密切相關(guān)。在選用支架時，還要注意支架的碗杯大小是否與發(fā)光芯片以及模粒匹配，其匹配質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響白光LED的光學(xué)效果，否則容易造成光斑形狀不對稱、有黃圈，以及黑斑等，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。
光譜關(guān)系
眾所周知，可見光光譜的波長范圍為380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如LED發(fā)的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因?yàn)榘坠獠皇菃紊猓怯啥喾N單色光合成的復(fù)合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機(jī)中的白色光也是由三基色紅、綠、藍(lán)合成。由此可見，要使LED發(fā)出白光，它的光譜特性應(yīng)包括整個可見的光譜范圍。但要制造這種性能的LED，現(xiàn)在的工藝條件下是不可能的。根據(jù)人們對可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長發(fā)光(藍(lán)色光+黃色光)或三波長發(fā)光(藍(lán)色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍(lán)色光，所以攝取藍(lán)色光已成為制造白光的關(guān)鍵技術(shù)，即當(dāng)前各大LED制造公司追逐的“藍(lán)光技術(shù)”。國際上掌握“藍(lán)光技術(shù)”的廠商僅有少數(shù)幾家，所以白光LED的推廣應(yīng)用，尤其是高亮度白光LED在我國的推廣還有一個過程。
工藝和光源
對于一般照明，在工藝結(jié)構(gòu)上，白光LED通常采用兩種方法形成，第一種是利用“藍(lán)光技術(shù)”與熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產(chǎn)生白光器件。
白光LED照明新光源的應(yīng)用前景。為了說明白光LED的特點(diǎn)，先看看所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為12～24流明/瓦；熒光燈和HID燈的光效為50～120流明/瓦。對白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已達(dá)到15流明/瓦，這一指標(biāo)與一般家用白熾燈相近，而在2000年時，白光LED的光效已達(dá)25流明/瓦，這一指標(biāo)與鹵鎢燈相近。2012年，白光LED的光效已達(dá)120流明/瓦，白光LED作家用照明光源開始推廣普及。預(yù)計(jì)到2020年時，LED的光效可望達(dá)到200流明/瓦。
普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低(燈的熱效應(yīng)白白耗電)，壽命短，維護(hù)工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長(連續(xù)工作時間10000小時以上)，幾乎無需維護(hù)。德國Hella公司利用白光LED開發(fā)了飛機(jī)閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明；我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈。可以預(yù)見不久的將來，白光LED定會進(jìn)入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。
LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、對環(huán)境無污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)，雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認(rèn)為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。
高功率白光LED散熱與壽命問題改善設(shè)計(jì)
高功率白光LED應(yīng)用于日常照明用途，其實(shí)在環(huán)保光源日益受到重視后，已經(jīng)成為開發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實(shí)際上白光LED仍有許多技術(shù)上的瓶頸尚待克服，已有相關(guān)改善方案，用以強(qiáng)化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強(qiáng)化等各方面設(shè)計(jì)瓶頸，進(jìn)行重點(diǎn)功能與效能之改善。
環(huán)保光源需求增加 高功率白光LED應(yīng)用出線
LED光源受到青睞的主因，不外乎產(chǎn)品壽命長、光電轉(zhuǎn)換效率高、材料特性可在任意平面進(jìn)行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面，由于需達(dá)到實(shí)用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無法直接對應(yīng)照明應(yīng)用，必須從芯片、封裝、載板、制作技術(shù)與外部電路各方面進(jìn)行強(qiáng)化，才能達(dá)到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。
就市場需求層面觀察，針對照明應(yīng)用市場開發(fā)的白光LED，可以說是未來用量較高的產(chǎn)品項(xiàng)目，但為達(dá)到使用效用，白光LED必須針對照明應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)功能改善。其一是針對LED芯片進(jìn)行強(qiáng)化，例如，增加其光-電轉(zhuǎn)換效率，或是加大芯片面積，讓單個LED的發(fā)光量(光通量)達(dá)到其設(shè)計(jì)極限。其二，屬于較折衷的設(shè)計(jì)方案，若在持續(xù)加大單片LED芯片面積較困難的前提下，改用多片LED芯片封裝在同一個光源模組，也是可以達(dá)到接近前述方法的實(shí)用技術(shù)方案。
就產(chǎn)業(yè)實(shí)務(wù)需求檢視，礙于量產(chǎn)彈性、設(shè)計(jì)難度與控制產(chǎn)品良率/成本問題，LED芯片持續(xù)加大會碰到成本與良率的設(shè)計(jì)瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會碰到的設(shè)計(jì)困難，并非技術(shù)上與生產(chǎn)技術(shù)辦不到，而是在成本與效益考量上，大面積之LED芯片成本較高，而且對于實(shí)際制造需求的變更設(shè)計(jì)彈性較低。
反而是利用多片芯片的整合封裝方式，讓多片LED小芯片在載板上的等距排列，利用打線連接各芯片、搭配光學(xué)封裝材料的整體封裝，形成一光源模組產(chǎn)品，而多片封裝可以在進(jìn)行芯片測試后，利用二次加工整合成一個等效大芯片的光源模組，但卻在制作彈性上較單片設(shè)計(jì)LED光源用元件要更具彈性。
同時，多片之LED芯片模組解決方案，其生產(chǎn)成本也可因?yàn)樾酒杀径蠓档停扔谠讷@得單片式設(shè)計(jì)方案同等光通量下，擁有成本更低的開發(fā)選項(xiàng)。
多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化
另一個發(fā)展方向，是將LED芯片面積持續(xù)增大，透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED芯片面積也會出現(xiàn)不如設(shè)計(jì)預(yù)期之問題，常見的改進(jìn)方案為修改復(fù)晶的結(jié)構(gòu)，在芯片表面進(jìn)行制作改善；但相關(guān)改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率，尤其在光源應(yīng)用的LED模組，大多要求在高功率下驅(qū)動以獲得更高的光通量，這會造成芯片進(jìn)行發(fā)光過程中芯片接面所匯集的高熱不容易消散，影響模組產(chǎn)品的應(yīng)用彈性與主/被動散熱設(shè)計(jì)方案。
一般設(shè)計(jì)方案中，據(jù)分析采行7mm2的芯片尺寸，其發(fā)光效率為最佳，但7mm2大型芯片在良率與光表現(xiàn)控制較不易，成本也相對較高；反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進(jìn)行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開發(fā)所需亮度、功率表現(xiàn)之LED光源模組產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。
例如Philips、OSRAM、CREE等光源產(chǎn)品制造商，就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產(chǎn)品。但這類利用多片LED芯片架構(gòu)的高亮度元件方案也引起了一些設(shè)計(jì)問題，例如：多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內(nèi)置絕緣材料，用以避免各別LED芯片短路現(xiàn)象；這樣的制程相對于單片式設(shè)計(jì)多了許多程序，因此即使能較單片式方案節(jié)省成本，也會因額外絕緣材料制程而縮小了兩種方案的成本差距。
應(yīng)用芯片表面制程改善 也可強(qiáng)化LED光輸出量
除了增加芯片面積或數(shù)量是最直接的方法外，也有另一種針對芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如，可在LED藍(lán)寶石基板上制作不平坦的表面結(jié)構(gòu)，利用此一凹凸不規(guī)則之設(shè)計(jì)表面強(qiáng)化LED光輸出量，即為在芯片表面建立Texture表面結(jié)晶架構(gòu)。
OSRAM即有利用此方案開發(fā)Thin GaN高亮度產(chǎn)品，于InGaN層先行形成金屬膜材質(zhì)、再進(jìn)行剝離制程，使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱此技術(shù)可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。
另一方面，日本OMRON的開發(fā)思維就相當(dāng)不同，一樣是致力榨出芯片的光取出效率，OMRON即嘗試?yán)闷矫婀庠醇夹g(shù)，搭配LENS光學(xué)系統(tǒng)為芯片光源進(jìn)行反射、引導(dǎo)與控制，針對傳統(tǒng)炮彈型封裝結(jié)構(gòu)的LED產(chǎn)品常見的光損失問題，進(jìn)一步改善其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，利用雙層反射效果進(jìn)而控制與強(qiáng)化LED的光取出量，但這種封裝技術(shù)相對更為復(fù)雜、成本高，因此大多僅用于LCD TV背光模組設(shè)計(jì)。
LED照明應(yīng)用仍須改善元件光衰與壽命問題
如果期待LED光源導(dǎo)入日常照明應(yīng)用，其應(yīng)用需克服的問題就會更多！因?yàn)槿粘Ｕ彰鞴庠磿虚L時間使用之情境，往往一開啟就連續(xù)用上數(shù)個小時、甚至數(shù)十小時，那長時間開啟的LED將會因?yàn)樵母邿嵩斐尚酒?/span>發(fā)光衰減、壽命降低現(xiàn)象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便于減緩光衰問題過早發(fā)生，影響產(chǎn)品使用體驗(yàn)。
LED光源導(dǎo)入日常應(yīng)用的另一大問題是，如傳統(tǒng)使用的螢光燈具，使用超過數(shù)十小時均可維持相同的發(fā)光效率，但LED就不同了。因?yàn)長ED發(fā)光芯片會因?yàn)樵邿岫鴮?dǎo)致其發(fā)光效率遞減，且此一問題不管在高功率或低功率LED皆然，只是低功率LED多僅用于指示性用途，對使用者來說影響相當(dāng)小；但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強(qiáng)單顆元件的驅(qū)動功率下越形加劇，一般會在使用過幾小時后出現(xiàn)亮度下滑，必須進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)改善才能達(dá)到光源應(yīng)用需求。
LED封裝材料需因應(yīng)高溫、短波長光線進(jìn)行改善
在光源設(shè)計(jì)方案中，往往會利用增加驅(qū)動電流來換取LED芯片更高的光輸出量，但這會讓芯片表面在發(fā)光過程產(chǎn)生的熱度持續(xù)增高，而芯片的高溫考驗(yàn)封裝材料的耐用度，連續(xù)運(yùn)行高溫的狀態(tài)下會致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現(xiàn)劣化，且材料劣化或質(zhì)變也會進(jìn)一步造成透光度下滑，因此在開發(fā)LED光源模組時，亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質(zhì)。
增加LED光源模組元件散熱方法相當(dāng)多，可以從芯片、封裝材料、模組之導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、PCB載板設(shè)計(jì)等進(jìn)行重點(diǎn)改善。例如，芯片到封裝材料之間，若能強(qiáng)化散熱傳導(dǎo)速度，快速將核心熱源透過封裝材料表面逸散也是一種方法。或是由芯片與載板間的接觸，直接將芯片核心高熱透過材料的直接傳導(dǎo)熱源至載板逸散，進(jìn)行LED芯片高熱的重點(diǎn)改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設(shè)計(jì)，也可因?yàn)闇p少熱傳導(dǎo)的熱阻，達(dá)到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
另在封裝材料方面，以往LED元件多數(shù)采環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝，其實(shí)環(huán)氧樹脂本身的耐熱性并不高，往往LED芯片還在使用壽命未結(jié)束前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)因?yàn)殚L時間高熱運(yùn)行而出現(xiàn)劣化、變質(zhì)的變色現(xiàn)象，這種狀況在照明應(yīng)用的LED模組設(shè)計(jì)中，會因?yàn)樾酒吖β黍?qū)動而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。
不只是高熱問題，環(huán)氧樹脂這類塑料材質(zhì)，對于光的敏感度較高，尤其是短波長的光會讓環(huán)氧樹脂材料出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，而高功率的LED光源模組，其短波長光線會更多，對材料惡化速度也會有加劇現(xiàn)象。
針對LED光源應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，多數(shù)業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料，例如矽樹脂即具備較環(huán)氧樹脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹脂可達(dá)到處于150~180°C環(huán)境下仍不會變色的材料優(yōu)勢。
此外，矽樹脂亦可分散藍(lán)色光與紫外線，矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題，減緩封裝材料因?yàn)樽冑|(zhì)而導(dǎo)致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說，矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槲鶚渲旧砜垢邿崤c抗短波長光線優(yōu)點(diǎn)，在封裝材料可抵御LED長時間使用產(chǎn)生的持續(xù)高熱與光線照射，材料的壽命相對長許多，也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。
發(fā)展現(xiàn)狀
光效
LED自上世紀(jì)60年代誕生以來，以每10年亮度提高30倍，價格下降10倍的“海茲定律”般的速度發(fā)展。其理論光效達(dá)到260LM/W。據(jù)報(bào)道，白光LED光效的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)已超過100lm/W，而進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域的大功率白光LED也達(dá)到40lm/W。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，未來大功率LED的光效仍具有很大的上升空間，最高有可能達(dá)到150～200lm/W。
光通量
隨著大功率LED的面世和封裝、散熱等關(guān)鍵技術(shù)的突破，5WLED的商業(yè)化進(jìn)程已初具規(guī)模，這使LED模塊的光通量得到很大提高。來自日亞公司最新的研究數(shù)據(jù)表明，功率分別為5.5W和11W，光通量分別為250lm和400lm的大功率LED集成模塊已經(jīng)研制成功。這使LED用于普通照明的進(jìn)程又向前邁進(jìn)了一大步。
色溫和顯色性
白光LED的色溫和顯色性與白光LED的制備方案密切相關(guān)。1996年日亞公司首先采用InGaN藍(lán)光芯片加YAG(釔鋁石榴石) 熒光粉的方法制成白光LED。此后，人們又采用R、G、B三色芯片混光和近紫外芯片激發(fā)R、G、B三色熒光粉混光制成了白光LED。
采用藍(lán)光LED加YAG熒光粉的方式因其工藝較為簡單，技術(shù)成本較低，是目前制備白光LED最常用的方式，但其顯色指數(shù)也相對較低。添加一定的紅光熒光粉和綠光熒光粉雖能提高顯色指數(shù)，但由于紅光熒光粉的相對轉(zhuǎn)化率較低，通常會引起總體光通量的衰減，即光效的下降。采用近紫外的LED加RGB三基色熒光粉理論上可以獲得任意色溫及較高顯色指數(shù)的白光LED，但用于紫外LED熒光粉的技術(shù)尚未成熟。單芯片涂熒光粉的方法根據(jù)熒光粉的涂敷技術(shù)的不同，通常具有80~800K的色溫差異。多芯片的LED理論上可以獲得任意色溫和高顯色性的白光LED，但由于多芯片LED的正向電壓和光輸出不同，另外它們的溫度特性和光維持特性也不相同，因而對電路設(shè)計(jì)的要求較高，技術(shù)還不成熟，模塊間色溫差異較大。
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作者
