分析怎样提高LED照明的可靠性

2015-02-11编辑:探路者 关键字:LED照明
随着蓝光和白光发光二极管(LED)在1990年大举迈向实用化阶段后,无论是利用LED所进行的全彩显示,或是在近年来社会大众对节能议题所展现的高度重视下,LED所普及到的智能手机、个人电脑(PC)、电视背光、照明、白色家电产品或交通号志等多样化的产品应用领域愈来愈广。为满足市场需求,业界针对各种产品系列,包括能够实现高演色性与高可靠性的照明用LED、以PICOLED为代表产品的小型薄型LED,以及车用客制化色彩LED等倾注了相当的研发资源。

照明用白光LED产值急速成长

受到世界节能趋势以及日本东北大地震所引发的节能意识高涨,日本市场对于照明用白光LED的需求量大增,促使LED照明市场产值正不断急遽成长,然而,若要让照明光源完全从传统的白炽灯泡照明方式转换为LED照明,在产品特性上仍有些亟待解决的问题存在,其中,业界研发重点尤以LED灯的高演色性与高可靠性为主,以下将分别就业者针对高Ra值与发光效率的技术做分享。

兼顾高Ra值与发光效率

平均演色性评价指数(Ra)就是光源使物体表现或重现真实颜色的一种指数,指数愈高,代表颜色重现性愈佳(太阳光的Ra为100),市场上期盼照明用白光LED能够兼具高发光效率与高演色性(Ra≧80),但发光效率与Ra值两者之间却存在着效益权衡(Trade-off)特性。由于市场上对于发光效率有更高的要求,因此目前市场上多为Ra≒70的高发光效率LED.

一般白光LED灯的封装结构是将蓝光LED晶片安装在基板上,再以含有萤光体的树脂进行封装。在LED元件的发光色(蓝色)与萤光体的发光色(黄色、红色或绿色等)混合后,便会形成白光。

从发光效率的观点上来看,一般大多以蓝光+黄光来形成白光,但这样会造成红光的重现性不佳,因此不适合照明用途。一般所采用的解决方法就是增加红光的成分,藉此改善红光的重现性,但如此会有导致发光效率不理想的问题。

为兼顾高发光效率与高Ra值,业者将萤光体有效率地配置于封装内部,以两全其美的技术做为解决对策,成功地研发出Ra≧80且发光效率极高的产品。该系列产品无论在Ra或R9(红色)指数上的表现均十分良好,与Ra值相同的其他厂牌产品相较之下,该系列产品的R9值更高,红色的重现性也更佳。随着此项技术的突破,LED灯不但能降低色度的不均,还能因应更细致的色度等级。

高可靠度

近年来,市场上对于可靠性的相关需求也变得日益高涨。尤其是由于LED封装反射率较高,一般大多采用镀银的方式,不过银会因为硫化(因与硫磺产生反应而变黑的一种现象)而造成LED光束劣化,该现象对于户外LED灯造成严重问题,因此各家厂商莫不提出各种镀银方案的因应对策,但目前此问题仍无法完全获得改善。

有监于此,业界舍弃镀银方式,改采镀镍/镀金的方式。将LED封装镀银改为镀镍/镀金后,虽然会导致成本增加,并因反射率的降低而造成发光效率不佳,但经由封装结构的改善后,目前这些问题都已成功地被克服。

新封装结构既能维持高发光效率,又能实现高可靠性的LED发光表现,该系列产品即使在硫化试验中也展现出绝佳的表现,可完全避免光束劣化的现象。

LED小型/薄型化

随着行动装置体积轻薄短小化,市场上对于小间距产品的需求逐年强烈,零件也面临着更多降低高度及缩小尺寸之要求。此外,由于户外全彩显示装置大多采用LED,为提高表现效果,全彩型LED封装亦朝向更高密度发展。

元件技术

为让封装更小、更薄,内部的LED元件也必须同时采用小型薄型规格。因此,业者从晶圆上的发光层成膜到晶片化均采用自行研发的制程技术,终于成功地将磷化铝镓铟(AlGaInP)发光LED的元件尺寸缩小至边角0.13毫米(mm)、厚度t=50微米(μm),一举实现小型化目标。

铸模技术

为确保产品的强度,业者提出针对半导体元件进行树脂封止的加工方法。树脂封止加工系采用移转成形(TransferMold)法,但铸模模具的模穴会愈来愈薄(模穴厚度0.10毫米),因此必须确保树脂的流动性。此外,为确保LED的光学特性,无法对其添加用来确保零件强度的填充材料,如此一来,便会造成产品在机械性强度上的降低,但上述问题目前皆已解决。

组装技术

在LED晶片的制作上,必须在厚度t=0.10毫米的封止树脂中对LED元件进行焊线,因此业者采用自行研发的焊线机,成功缩小间距并降低回路。

目前,世界最小的超小型LED体积仅1006尺寸,厚度仅0.2毫米,此产品不受设置空间的限制,并采用高亮度LED元件,透过LED发光,能够让光线从行动电话的外壳内部进行穿透照明。

不但如此,超小型LED还可适用于点矩阵显示器。传统的1608尺寸产品最小间距为2毫米,而超小型LED却能以最小间距1.5毫米进行高密度安装,因此能展现出更细致的表现效果。

在其他特色方面,由于该方案的封装尺寸极小,因此可以用在七段显示器、点矩阵显示器模组上,并省略在晶片直接封装(COB)技术上所必须的晶粒黏着(Die-bonding)、焊线、树脂接合(Bonding)等制程。

车用LED照明受瞩目

随着LED灯泡及照明用途急速普及化,车用LED照明较以往更受到市场的青睐。在车辆内装用途上,无论是汽车音响、汽车导航系统或是空调面板等主要背光,目前几乎已全面采用LED光源。接下来,像是目前仍采用传统灯泡的室内灯及警示灯,以及采用冷阴极管的仪表板背光等也将渐渐地面临汰换的命运。

在车辆外装上,近年来像是尾灯、转向灯、定位灯等传统灯泡也已逐步被汰换,甚至连头灯也都由传统的卤素灯、高亮度放电(HID)灯转而被LED灯所取代。若从环境辨识性的观点上来看,采用LED灯作为昼行灯(Daytime Running Lamps,DRL)的趋势更是值得关注。

为因应多样化的车用需求,业界在车用LED技术研发上,将以下列两项为研发重点。

色度及亮度之客制化需求

在汽车内装方面,像是空调面板等仪表板周边的光源大多由车厂来指定颜色。业者所推出的磷化铝镓铟元件型LED系列产品,挟元件自制优势,无论是色彩、光度皆可依客户要求自行客制化。

其他像是利用氮化铟镓(InGaN)及含有萤光体的树脂所成功创造出的白光及粉色LED系列,也能提供色彩客制化功能。像是主要按键的背光等使用频率较高的按键,即可藉由微妙的颜色差异突显其与相邻按键之相异性,藉此唤起使用者的注意。这种磷化铝镓铟元件采用在磊晶成长(Epitaxial Growth)阶段上抑制波长差异的技术,因此能够满足客户严格的规格要求。

研发耐硫化对策/扩充新品

另一方面,市场对于尾灯等车辆外装用途的LED灯最大要求莫过于耐热性及对严苛气候的耐受性,但由于传统的LED封装的导线架为镀银材料,容易产生硫化及光束劣化问题,目前这个问题也开始受到重视。

鉴于此,业界改镀镍/镀钯/镀金做为导线架材料,成功解决因硫化所造成的光束劣化问题。另外,对于镀镍/镀钯/镀金所引起的光度降低缺点,业者亦研发出新的一系列产品,藉由提高元件本身输出效率的方式来解决,展现出毫不逊于镀银产品的光束强度。未来,业界将采镀镍/镀钯/镀金做为封装硫化改善对策,并积极扩充新的产品系列,以满足客户的多样化需求。

关键字:LED照明

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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