LED-levensduur met wit licht, hoog vermogen en technologie met laag stroomverbruik
In het verleden heeft de industrie, om volledig te profiteren van de straal, een groot formaat ontwikkeld en geprobeerd het gewenste doel met deze methode te bereiken, maar in feite, wanneer het toegepaste vermogen van de witte LED 1W blijft overschrijden, de straal zal afnemen en de lichtopbrengst zal relatief worden verminderd met 20 ~ 30 procent. Met andere woorden, als de helderheid van witte LED's meerdere malen groter is dan die van traditionele LED's en de stroomverbruikskarakteristieken die van fluorescentielampen moeten overtreffen, moeten eerst de volgende vier belangrijke problemen worden opgelost: a. het onderdrukken van temperatuurstijging; b. levensduur verzekeren; c. verbetering van de lichtopbrengst d. Egalisatie van lichteigenschappen.
De specifieke methode voor het temperatuurstijgingsprobleem is het verminderen van de thermische impedantie van het pakket; de specifieke methode om de levensduur van de LED te behouden, is om de vorm van de chip te verbeteren en een kleine chip te gebruiken; de specifieke methode om de lichtopbrengst van de LED te verbeteren is om de chipstructuur te verbeteren en een kleine chip te gebruiken; wat betreft de uniforme lichteigenschappen De specifieke methode is om de verpakkingsmethode van LED te verbeteren. Algemeen wordt aangenomen dat witte LED's naar verwachting de bovengenoemde maatregelen in 2005-2006 zullen aannemen.
De ontwikkeling van Jingwei om het vermogen te vergroten, zal ervoor zorgen dat de thermische impedantie van het pakket sterk daalt tot onder 10K/W. Daarom hebben buitenlandse bedrijven hoge temperatuurbestendige witte LED's ontwikkeld om te proberen de bovenstaande problemen te verbeteren. De werkelijke calorische waarde is echter tientallen keren hoger dan die van low-power leds. Het bovenstaande en de temperatuurstijging zullen ook de lichtopbrengst aanzienlijk verminderen. Zelfs als de verpakkingstechnologie hoge hitte toelaat, kan de bindingstemperatuur van de LED-chip de toegestane waarde overschrijden. Ten slotte realiseerde de industrie zich eindelijk dat het oplossen van het warmteafvoerprobleem van de verpakking de fundamentele oplossing is.
Wat betreft de levensduur van LED's, bijvoorbeeld, kan het gebruik van siliconen afdichtingsmaterialen en keramische verpakkingsmaterialen de levensduur van LED's met 10 procent verlengen, vooral het lichtspectrum van witte LED's bevat kortgolvig licht met golflengten onder 450nm, traditionele epoxy harsafdichtingsmaterialen Het is heel gemakkelijk om beschadigd te raken door licht met een korte golflengte. De grote hoeveelheid licht van krachtige witte LED's versnelt de aantasting van afdichtingsmaterialen. Volgens de testresultaten van de industrie is de helderheid van krachtige witte LED's met meer dan de helft verminderd gedurende minder dan 10,000 uur ononderbroken verlichting, die de lichtbron niet kan bevredigen. Basisvereisten voor een lange levensduur.
Wat betreft de lichtopbrengst van LED's, kan het verbeteren van de chipstructuur en verpakkingsstructuur hetzelfde niveau bereiken als witte LED's met een laag vermogen. De belangrijkste reden is dat wanneer de stroomdichtheid met meer dan 2 keer wordt verhoogd, het niet alleen moeilijk is om licht uit grote chips te halen, maar het zal ook leiden tot lichtopbrengst. Het is niet zo goed als het dilemma van witte LED's met een laag vermogen. Als de elektrodestructuur van de chip wordt verbeterd, kan het bovengenoemde lichtextractieprobleem theoretisch worden opgelost.
Met betrekking tot de uniformiteit van de lichteigenschappen wordt algemeen aangenomen dat zolang de uniformiteit van de concentratie van het fosformateriaal van de witte LED wordt verbeterd, de fabricagetechnologie van de fosfor de bovenstaande problemen zou moeten kunnen overwinnen.
Zoals hierboven vermeld, is het, terwijl het toegepaste vermogen wordt verhoogd, noodzakelijk om te proberen de thermische impedantie te verminderen en het warmtedissipatieprobleem te verbeteren. De specifieke inhoud is:
①Verminder de thermische weerstand van chip tot verpakking
②Onderdruk de thermische impedantie van de verpakking naar de printplaat
③Verbeter de gladheid van de warmteafvoer van de chip
Om de thermische impedantie te verminderen, plaatsen veel buitenlandse LED-fabrikanten LED-chips op het oppervlak van koellichamen gemaakt van koper en keramische materialen en gebruiken vervolgens soldeermethoden om de warmteafvoerdraden op de printplaat aan te sluiten op het gebruik van koelventilatoren. Op de koelvinnen met geforceerde luchtkoeling kan volgens de experimentele resultaten van OSRAM Opto Semiconductors Gmb in Duitsland de thermische impedantie van de LED-chip naar de soldeerverbinding van de bovenstaande structuur worden verminderd met 9K/W, wat ongeveer 1/ 6 van de traditionele LED, en de verpakte LED past 2W toe. Wanneer het vermogen hoog is, is de bindingstemperatuur van de LED-chip 18K hoger dan die van de soldeerverbinding. Zelfs als de temperatuur van de printplaat oploopt tot 500C, is de bondingtemperatuur slechts ongeveer 700C. Daarentegen, zodra de thermische impedantie is verminderd, zal de bindingstemperatuur van de LED-chip hoger zijn. Beïnvloed door de temperatuur van de printplaat, is het noodzakelijk om te proberen de temperatuur van de LED-chip te verlagen, met andere woorden, de thermische weerstand van de LED-chip naar de soldeerverbinding te verminderen, wat de last van het koelen van de LED-chip. Omgekeerd, zelfs als de witte LED een structuur heeft die de thermische weerstand onderdrukt, als de warmte niet van de verpakking naar de printplaat kan worden geleid, zal het lichtrendement van de LED sterk dalen als gevolg van de stijging van de temperatuur van de LED. Het bedrijf kapselt de vierkante blauwe LED van 1 mm in op het keramische substraat in de vorm van een flip-chip en plakt het keramische substraat vervolgens op het oppervlak van de koperen printplaat. Volgens Panasonic is de thermische impedantie van de hele module inclusief de printplaat ongeveer 15K/W. wat betreft.
Omdat de hechting tussen de warmteafvoervin en de printplaat direct het warmtegeleidingseffect beïnvloedt, wordt het ontwerp van de printplaat erg ingewikkeld. Met het oog hierop hebben fabrikanten van verlichtingsapparatuur en LED-verpakkingen, zoals Lumi in de Verenigde Staten en CITIZEN in Japan, achtereenvolgens high-power LED's ontwikkeld. Met behulp van eenvoudige warmtedissipatietechnologie kan het witte LED-pakket dat CITIZEN in 2004 begon te bemonsteren, de warmte van warmtedissipatievinnen met een dikte van ongeveer 2 ~ 3 mm direct naar buiten afvoeren zonder speciale hechttechnologie. Volgens het bedrijf, hoewel de hechting van LED-chips De thermische impedantie van 30K/W van het punt tot de koelvin groter is dan de 9K/W van OSRAM, en de kamertemperatuur zal de thermische impedantie verhogen met ongeveer 1W in een normale omgeving, maar zelfs als de traditionele printplaat geen koelventilator heeft voor geforceerde luchtkoeling, kan het witte licht ook worden gebruikt voor continue verlichting.
De krachtige LED-chip die Lumileds in 2005 begon te testen, heeft een hogere bindingstemperatuur van plus 1850C, wat 600C hoger is dan die van producten van andere bedrijven op hetzelfde niveau. Bij gebruik van het traditionele RF4-printplaatpakket, kan de omgevingstemperatuur worden ingevoerd binnen het bereik van 400 ° C, wat overeenkomt met een stroomstroom van 1,5 W (ongeveer 400 mA).
Zoals hierboven vermeld, hebben Lumileds en CITIZEN aangenomen om de toegestane temperatuur van de junctie te verhogen, terwijl OSRAM uit Duitsland de LED-chip op het oppervlak van de warmteafvoervin heeft geplaatst om een ultralage thermische impedantie van 9K/W te bereiken, wat hoger is dan de thermische impedantie van OSRAM's eerdere ontwikkeling van vergelijkbare producten. 40 procent reductie. Het is vermeldenswaard dat de LED-module is verpakt met dezelfde flip-chip-methode als de traditionele methode, maar wanneer de LED-module is gebonden aan de thermische vin, wordt de lichtgevende laag die zich het dichtst bij de LED-chip bevindt, geselecteerd als het hechtoppervlak, om het licht te laten stralen. De warmte van de laag kan door geleiding over de kortste afstand worden afgevoerd.
In 2003 legde Toshiba Lighting Co., Ltd. ooit een witte LED met een lichtrendement van 60 lm/W lage thermische impedantie op het aluminiumlegeringsoppervlak van 400 mm in het vierkant, zonder speciale warmteafvoercomponenten zoals koelventilatoren, en probeerde een LED module met een lichtbundel van 300lm. Omdat Toshiba Lighting Co., Ltd. een rijke ervaring heeft met proefproductie, zei het bedrijf dat door de vooruitgang van simulatie-analysetechnologie, witte LED's van meer dan 60 lm/W na 2006 gemakkelijk kunnen worden gebruikt, de thermische geleidbaarheid van het frame kan worden verbeterd, of de verlichtingsapparatuur kan worden ontworpen met geforceerde luchtkoeling door koelventilatoren. De modulestructuur die geen speciale koeltechnologie vereist, kan ook witte LED's gebruiken.
Wat betreft de levensduur van LED's, zijn de huidige tegenmaatregelen van LED-fabrikanten om het afdichtingsmateriaal te veranderen en tegelijkertijd het fluorescerende materiaal in het afdichtingsmateriaal te verspreiden, vooral het siliconen afdichtingsmateriaal is beter dan het epoxyhars afdichtingsmateriaal boven de traditionele blauwe en bijna-ultraviolette LED-chips. Het is effectiever om de snelheid van materiaalverslechtering en vermindering van de lichtdoorlatendheid te onderdrukken.
Aangezien het percentage epoxyhars dat licht absorbeert met een golflengte van 400 ~ 450 nm zo hoog is als 45 procent, is het siliconen afdichtingsmateriaal minder dan 1 procent en is de tijd voor het halveren van de helderheid van de epoxyhars minder dan 10,{{ 5}} uur, en het siliconen afdichtingsmateriaal kan worden verlengd tot ongeveer 40,000 uur, wat bijna hetzelfde is als de ontwerplevensduur van de verlichtingsapparatuur, wat betekent dat de witte LED's niet hoeven te worden vervangen tijdens het gebruik van de verlichtingsapparatuur. Siliconenhars is echter een zeer elastisch en zacht materiaal en tijdens de verwerking moet een productietechnologie worden gebruikt die het oppervlak van de siliconenhars niet bekrast. Bovendien hecht de siliconenhars tijdens het proces gemakkelijk aan stof. Daarom is het noodzakelijk om technologieën te ontwikkelen die de oppervlakte-eigenschappen in de toekomst kunnen verbeteren.
Hoewel het siliconen afdichtingsmateriaal de levensduur van LED's voor 40,000 uur kan garanderen, heeft de verlichtingsindustrie verschillende opvattingen. Het belangrijkste debat is dat de levensduur van traditionele gloeilampen en fluorescentielampen wordt gedefinieerd als "helderheid verminderd tot 30 procent of minder". Als de halveringstijd van LED's 40,000 uur is, als de helderheid wordt teruggebracht tot minder dan 30 procent, zijn er nog maar ongeveer 20,000 uur over. Er zijn momenteel twee tegenmaatregelen om de levensduur van componenten te verlengen, namelijk:
1. Onderdruk de algehele temperatuurstijging van witte LED's;
2. Stop met het gebruik van harsinkapseling.
Algemeen wordt aangenomen dat als de bovenstaande twee maatregelen om de levensduur te verlengen grondig worden uitgevoerd, de vereiste van 30 procent helderheid voor 40,000 uur kan worden bereikt. Om de temperatuurstijging van witte LED's te onderdrukken, kan de methode van koeling van de LED-verpakkingsprintplaat worden gebruikt. De belangrijkste reden is dat de verpakkingshars snel zal verslechteren onder de hoge temperatuur en sterke lichtstraling. Volgens de wet van Arrhenius wordt de levensduur met 2 keer verlengd als de temperatuur met 100C wordt verlaagd.
Het stoppen van het gebruik van harsinkapseling kan de verslechteringsfactor volledig elimineren, omdat het door de LED gegenereerde licht wordt gereflecteerd in de inkapselingshars. Als je een harsreflector gebruikt die de richting van het licht aan de zijkant van de chip kan veranderen, zal de reflector het licht absorberen, zodat de hoeveelheid licht die eruit wordt gehaald scherp is. Dit is de belangrijkste reden waarom LED-fabrikanten consequent keramische en metalen verpakkingsmaterialen gebruiken.
Er zijn twee manieren om de lichtopbrengst van witte LED-chips te verbeteren. Een daarvan is het gebruik van een grote LED-chip met een oppervlak dat 10 keer groter is dan dat van een kleine chip (ongeveer 1 mm2); Enkele module. Hoewel een grote LED-chip een grote bundel kan verkrijgen, zal het vergroten van het chipoppervlak nadelen hebben, zoals een ongelijke elektrische grens van de lichtemitterende laag in de chip, beperkte lichtemitterende delen en ernstige verzwakking van het licht dat in de chip wordt gegenereerd wanneer het naar buiten wordt uitgestraald. Als reactie op de bovenstaande problemen hebben LED-fabrikanten een lichtrendement van 50 lm/W bereikt door de elektrodestructuur te verbeteren, de flip-chip-verpakkingsmethode toe te passen en de verwerkingsvaardigheden van het chipoppervlak te integreren.
Wat betreft de elektrische gelijkheid van de hele chip, sinds het verschijnen van kamvormige en maasvormige (gaas) p-type elektroden twee of drie jaar geleden, is het aantal fabrikanten dat deze methode gebruikt blijven toenemen, en de elektroden zijn ook ontwikkelen in de richting van optimalisatie.
Wat betreft de flip-chip-verpakkingsmethode, omdat de lichtemitterende laag zich dicht bij het uiteinde van de verpakking bevindt, is het gemakkelijk om warmte uit te stralen en wordt het licht van de lichtemitterende laag naar buiten uitgestraald zonder de moeite om te worden afgeschermd door elektroden. Daarom hebben de VS Lumileds en Japan Toyoda Gosei officieel de flip-chip-verpakkingsmethode aangenomen. In 2005 volgden ook Matsushita Electric, Matsushita Electric Works en Toshiba, die begonnen met massaproductie van grootschalige LED's. Nichia, dat in het verleden wire bonding-verpakkingen gebruikte, en klantspecifieke LED's van 50 lm/W die in 2004 werden uitgebracht, maakten ook gebruik van flip-chip-verpakkingen.
Wat betreft de oppervlakteverwerking van de chip, kan worden voorkomen dat het licht van de binnenkant van de chip naar de buitenkant van de chip wordt gereflecteerd op de interface. Volgens een Japanse LED-fabrikant zal bij het verpakken van een flip-chip, als een concaaf-convexe structuur op het saffiersubstraat bij het lichtextractiegedeelte wordt geplaatst, de extractie van de buitenkant van de chip niet plaatsvinden. De straal kan met 30 procent worden vergroot.
