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LED的发展、分类和散热

文章来源:本站人气:769发表时间:2015-09-24 09:23:35

                                   LED的发展、分类和散热

内容目录:

第一章,    LED的发展历史

第二章,    LED的分类

1, 常见LED的分类

2, 白光LED介绍

3, R、GB三基色组成

4, 大功率LED封装结构

第三章,    LED驱动技术原理

1,超高亮LED的特性  

第四章,    LED散热解决方案

1, LED铝基板设计选择

2, 散热参考设计方法:

1) 为什么要进行热设计?

2) 热设计的目的

 

第一章  LED的发展历史

1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗,不适合实际应用;更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应,研究被摒弃了。二十年代晚期Bernhard GuddenRobert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。

 

1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识,最终出现了电致发光这个术语。 二十世纪50年代,英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。据说在早期的试验中,LED需要放置在液化氮里,更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光,但迅速应用于感应与光电领域。 60年代末,在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮,甚至产生出橙色的光。

 

70年代中期,磷化镓被使用作为发光光源,随后就发出灰白绿光。LED采用双层磷化镓蕊片(一个红色另一个是绿色)能够发出黄色光。就在此时,俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。尽管它不如欧洲的LED高效。但在70年代末,它能发出纯绿色的光。

 

80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生,先是红色,接着就是黄色,最后为绿色。到20世纪90年代早期,采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期,再一次利用金钢砂早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量,它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。

 

90年代中期,出现了超亮度的氮化镓LED,随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心,在这个发光蕊片上抹上荧光磷,然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色,如浅绿色和粉红色。有科学思想的读者到现在可能会意识到LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。事实上,最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的黑色紫外光。那么LED发展史到低能走多远,不得而知。也许某天就能开发出能发X射线的LED。早期的LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表。而现在开始出现在超亮度的领域。将会在接下的一段时间继续下去。

 

第二章  LED的分类

一,常见LED的分类

1. 按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。

 

2. 按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1;把φ5mm的记作T-13/4);把φ4.4mm的记作T-11/4[6-8]。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类:

1)高指向性。一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。

2)标准型。通常作指示灯用,其半值角为20°~45°。

3)散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为45°~90°或更大,散射剂的量较大。

 

3. 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

 

4. 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度小于10mcd);超高亮度的LED(发光强度大于100mcd);把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。

 

二,白光LED介绍

   白光LED的合成途径大体上有2条路可以走,第一条是RGB,也就是红光LED+绿光LED+蓝光LEDLEDRGB合成白光的这种办法主要的问题是绿光的转换效率底,现在红绿蓝LED转换效率分别达到30%10%25%,白光流明效率可以达到60lm/w。 通过进一步提高蓝绿光LED的流明效率,则白光流明效率可达到200lm/w。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同,对合成白光的各色LED流明效率有不同的。随着白光LED的深入发展,人们希望用作照明光源的白光LED的光谱、色品坐标、显色性及相关色温等均能满足国际CIE和我国的有关标准,否则应认为不合格。我们对相关色温8000 4000K白光LED的光色特性及其与正向电流的关系进行了总结。长期以来,低色温(<4000K)、高显色性的白光LE D按照当前主流方案InGaN蓝色LED芯片和ce激活的稀土石榴石黄色荧光体组合的方案实现难度大,成为人们攻关的难题。因为黄色荧光体的发射光谱中缺少红成份。故目前大多数报告限于有关5000K以上的高色温白光LED的工作。

 

尽管白光LED已有商品,但缺少低色温白光LED5000K以上的高色温商品,显色性差,难以满足市场,目前,由蓝色芯片和荧光体组合的低色温白光LED的报告极少。因此,无论从学术上研究,还是应用需要,发展低色温(<4000K)高显色性白光LED具有重要意义。

 

第二条路是LED+不同色光荧光粉:第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED,这种工作原理和日光灯是类似的,但是比日光灯的性能要优越,其中紫光LED的转换系数可达80%,各色荧光粉的量子转换效率可以达到90%,还有一个办法是用蓝光LED+红绿荧光粉,蓝光LED效率60%,荧光粉效率70%;还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光。

 

两种途径相比较之下,RGB三色LED合成白光综合性能好,在高显色指数下,流明效率有可能高到200lm/w,要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率,目前只有13%左右,同时成本高。

 

三, RGB三基色组成:

 

配色、白平衡:

白色是红绿蓝三基色按亮度比例混合而成,当光线中绿色的亮度为69%,红色的亮度为21%,蓝色的亮度为10%时,混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED 红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果,而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光,称为配色。当为全彩色LED 显示屏进行配色前,为了达到最佳亮度和最低的成本,应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1 比例的LED 器件组成像素。白平衡要求三种原色在相同的调配值下合成的仍旧为纯正的白色。

 

原色、基色:

原色指能合成各种颜色的基本颜色。色光中的原色为红、绿、蓝,色度图中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差,则可合成颜色的区域会减小,光谱表中的三角形会缩小,从视觉角度来看,色彩不仅会有偏差,丰富程度减少,见下图。

 

LED 发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性可大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等,橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要,因为绿色占据了白色中69%的亮度,且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时,绿色是着重考虑的对象。


四,大功率LED封装结构:

随着半导体材料和封装工艺的提高,LED的光通量和出光效率逐渐提高, 从而使固体光源成为可能, 已广泛应用于交通灯、汽车照明、广告牌等特殊照明领域, 并且逐渐向普通照明领域过渡, 被公认为有望取代白炽灯、荧光灯的第四代光源。

 

不同应用领域对LED光源提出更高要求, 除了对LED出光效率、光色有不同的要求, 而且对出光角度、光强分布有不同的要求。这不但需要上游芯片厂开发新半导体材料, 提高芯片制作工艺, 设计出满足要求的芯片, 而且对下游封装厂提出更高要求, 设计出满足一定光强分布的封装结构, 提高LED外部的光利用率。

 

目前封装多种多样,封装将随着今后的发展,不断改进和迎合实际需要,为LED今后在各个领域应用奠定基础。


第三章  LED驱动技术原理

 

超高亮LED的特性  

下图为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线,由曲线可知,当正向电压超过某个阈值(2V),即通常所说的导通电压之后,可近似认为,IFVF成正比。见表是当前主要超高亮LED的电气特性。由表可知,当前超高亮LED的最高IF可达1A,而VF通常为24V


由于LED的光特性通常都描述为电流的函数,而不是电压的函数,光通量(φV)IF的关系曲线,因此,采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外,LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上),而由上图中的VF-IF曲线可知,VF的微小变化会引起较大的,IF变化,从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此,超高亮LED通常采用恒流源驱动。

 

下图是 LED的温度与光通量(φV)关系曲线,由下图可知光通量与温度成反比,85℃时的光通量是25℃时的一半,而一40℃时光输出是25℃时的18倍。温度的变化对LFD的波长也有一定的影响,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。


下图是LED的温度与光通量关系曲线。


第四章  LED散热解决方案

一,LED铝基板设计选择

LED线路设计为了更好的解决散热问题,LED和有些大功率IC需要用到铝基线路板。

 

铝基板pcb由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成。电路层要求具有很大的载流能力,从而应使用较厚的铜箔,厚度一般35μm~280μm;导热绝缘层是PCB铝基板核心技术之所在,它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成,热阻小,粘弹性能优良,具有抗热老化的能力,能够承受机械及热应力。IMS-H01IMS-H02LED-0601等高性能PCB铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术,使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能;金属基层是铝基板的支撑构件,要求具有高导热性,一般是铝板,也可使用铜板(其中铜板能够提供更好的导热性),适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。工艺要求有:镀金、喷锡、osp抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。

 

基材:铝基板产品特点:绝缘层薄,热阻小;无磁性 ;散热好;机械强度高产品标准厚度:0.81.01.21.52.02.53.0mm 铜箔厚度:1.8um 35um 70um 105um 140um 特点: 具有高散热性、电磁屏蔽性,机械强度高,加工性能优良。 用途: LED专用 功率混合ICHIC)。

铝基板是承载LED及器件热传导,散热主要还是靠面积,集中导热可以选择高导热系数的板材,比如美国贝格斯板材;慢导热或散热国产一般材料即可。价格相差较大,贝格斯板材生产出成品大概需要4000多元平米,一般国产材料就1000多元平米。LED一般使用电压不是很高,选择1mil厚度绝缘层耐压大于2000V即可。

 

二,散热参考设计方法:

1)为什么要进行热设计?

高温对电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

温度对元器件的影响:一般而言,温度升高电阻阻值降低;高温会降低电容器的使用寿命;高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降, 一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C;温度过高还会造成焊点合金结构的变化IMC增厚,焊点变脆,机械强度降低;结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温进一步升高,最终导致组件失效。

 

2)热设计的目的:

控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的 工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。


LED散热设计一般按流体动力学软件仿真和做基础设计。

 

流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响,使流体在流动过程中受到阻力,这个阻力称为流动阻力,可分为沿程阻力和局部阻力两种。

沿程阻力:在边界沿程不变的区域,流体沿全部流程的摩檫阻力。

 

局部阻力:在边界急剧变化的区域,如断面突然扩大或突然缩小、弯头等局部位置,是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。

 

通常LED是采用散热器自然散热,散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计处轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。

散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法

 

考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果齿间距太小,两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流,所以一般情况下,建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

 

自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热齿表面不加波纹齿。

 

自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热。

 

由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,建议大于5mm以上。


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