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主題目錄
Part 1
LED器件的種類及進化史
按照LED器件具體的應(yīng)用場合進行區(qū)分,可分為4大類:背光、顯示、照明、裝飾。
有哪些LED的器件可以用在背光的場合?
我們比較熟悉的,最開始是在手機背光下所使用的Display LED,包含我們現(xiàn)在目前主要使用的SMD類的LED器件是用在電視背光上,或者在一些其他的背光場合利用。還有一個目前火熱的解決方案,CSP在背光領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了廣泛認可。
在顯示類的產(chǎn)品應(yīng)用上主要是SMD類的RGB產(chǎn)品,還有一些直插的Display直插產(chǎn)品。這類應(yīng)用主要關(guān)注的是在顏色的集中性和多彩顏色的使用。
照明類產(chǎn)品主要是一些功率型器件,功率器件里面有High power類,還有SMD類的一些中功率和大功率的產(chǎn)品。這類器件目前主要在照明產(chǎn)品使用較多。隨著照明產(chǎn)品的模組化,可能有更多的模組化的產(chǎn)品逐漸推廣。
裝飾類應(yīng)用主要也是一些區(qū)分顏色的,主要是單色的。有Display,還有SMD類,同時還包含一些柔性的小型模組。
以下這長圖展示的是LED不同時期所具有代表性的一些器件。
1962年以來首個紅光LED投入市場,這標志LED產(chǎn)業(yè)工業(yè)化的開始。
1971年隨著新的半導(dǎo)體材料的發(fā)展,LED有了更新的顏色,如綠色、橙色和黃色,LED的各類性能都在不斷地得到改善。
1993年,日本的科學(xué)家中村修二首先發(fā)明了第一個高亮的藍色LED,它具有非常有效率的一個藍色的出光效率,并且在綠色光譜范圍內(nèi)淡化加音的LED也開始出現(xiàn)。隨后通過熒光粉的一些改善和搭配,他設(shè)計了第一顆白色的LED。我們的LED從此開始進入到白光時代,正式白光的LED是在1997年左右產(chǎn)生。
2007年,大功率的LED開始出現(xiàn),最開始是由飛利浦公司開發(fā)大功率的第一顆K2產(chǎn)品。
在2008年—2009年左右,一些新型的LED封裝出現(xiàn),比如COB,圖中所展示的這顆COB是夏普公司在2007年就已經(jīng)開始研發(fā),2008年、2009年開始正式推入市場的一顆非常具有代表性的LED。
在2010年的時候白光的出光效率可以達到100流明每瓦,到2013年各類器件的發(fā)展種類就特別多,其中具有代表性的就是超大功率的LED。它不僅在功率上有所提升,在出光效率上的提升也非常明顯。
在2013年的時候CREE公司所生產(chǎn)的一些LED,當時就已經(jīng)具有150流明每瓦的出光效率。
2014、2015年,LED光源在不斷的提升效率,我們今年可以看得到各大廠家爭相報道的第一件事就是光效的提高。目前各大產(chǎn)生均報道200lm/W的產(chǎn)品開始量產(chǎn)。
直插式LED的發(fā)展過程
最開始直插式的LED主要使用在電子產(chǎn)品的指示上面有一些8字節(jié)的LED產(chǎn)品。
隨著顯示屏的發(fā)展,一些點陣類產(chǎn)品就開始出現(xiàn)。最開始出現(xiàn)的是單色的點陣,然后就帶動了多彩的點陣,最終還有一些RGB的點陣的產(chǎn)生。
直插類比較有代表性的產(chǎn)品第一個就是草帽型的LED,它在指示上面使用的比較廣泛;第二就是功率更大一些的食人魚的LED,我相信大家都特別熟悉這一類的產(chǎn)品。
這一類的產(chǎn)品主要用在電腦鍵盤指示燈上面的一些紅、黃、綠色。在食人魚產(chǎn)品開發(fā)的過程當中,用在汽車的高位剎車燈上面。
[NT:PAGE]SMD類產(chǎn)品的發(fā)展
大家可能對SMD類LED特別熟悉,主要第一個就是LED3528產(chǎn)品,這是幾乎所有的封裝廠都做過的一種產(chǎn)品。
隨著照明和電視背光的產(chǎn)品這種應(yīng)用場合的出現(xiàn),有5630的出現(xiàn);為了提升產(chǎn)品的散熱又有SMD3014。SMD3014產(chǎn)品主要是在底部的支架有更好的散熱特性。
在2012年左右,3528產(chǎn)品通過支架的改良,形成了SMD的2835器件。目前由于材料特性的耐溫越來越高,并且LED芯片技術(shù)的提升越來越高,單顆器件的功率和光效都有大幅提升。
5050產(chǎn)品,包含7070產(chǎn)品會有一個更大功率的提升。同時ORASM S5產(chǎn)品可以做到5瓦—8瓦,CREE 7070最高可以做到15瓦。
通過這些的產(chǎn)品的演變我們可以看得出來,在SMD類的產(chǎn)品上面功率會越來越大,并且其他輔助材料的技術(shù)開發(fā)會越來越強。隨著輔助材料的技術(shù)在提升,LED器件的整體性能也在提升。
大功率產(chǎn)品的發(fā)展
圖中列出了幾款比較具有代表性意義的產(chǎn)品,第一款是由飛利浦開發(fā)的K2,然后飛利浦的Rebel ES,包含它現(xiàn)在的LUXEON系列,底下是科銳公司有典型代替性的產(chǎn)品。
我們來看一下飛利浦公司兩款產(chǎn)品的對比,在前后飛利浦公司到底有一個什么樣的技術(shù)變化。
在K2產(chǎn)品上面我們可以看得到,在LED解剖圖上有銅柱,這是嵌入式的支架結(jié)構(gòu)。我們在底下這張圖上可以看出,LED采用的是植金球倒裝焊接。同時是采用了金線的鏈接方式,實現(xiàn)了電性導(dǎo)通。并且在倒裝芯片下面是有一個黑色的,我們在圖中看是黑色的,這是一個硅系的基底。
在Rebel ES這個系列上面我們可以非常清楚的看到,第一個明顯的特征是沒有了金線;第二個是沒有了底下的這個灰色的硅襯底。
再來看一下科銳公司前后非常具有代表性的兩款產(chǎn)品。
第一個是XRE系列的,我們在XRE系列同樣和飛利浦一樣使用打金線的方式實現(xiàn)了鏈接。同時也是有一款硅的襯底來連接LED。在圖中可以看出,在其他的區(qū)域之內(nèi),都有LED熒光粉的分布。
再看一下XML這款產(chǎn)品,熒光粉涂附特別均勻,只是在LED芯片的正上方。通過XML這款產(chǎn)品的切面圖我們可以看出芯片的底也是沒有硅襯底。器件實現(xiàn)了更低熱阻和更輕薄化。
來看一下C0B產(chǎn)品的發(fā)展歷程
C0B產(chǎn)品如果按照分類來說,主要是以基板的材質(zhì)分類比較多。
我們在圖中可以看出4大類的產(chǎn)品,第一類是陶瓷基板,陶瓷基板主要是直接在陶瓷基板上面形成線路,采用正裝或者倒裝芯片進行封裝。
第二類是壓合鏡面鋁基板,采用鏡面鋁基板和上面的FR4或者BT板進行壓合在鏡面鋁上面進行芯片的固定,采用芯片到芯片之間的焊接方式。首尾兩端焊接在上層PCB板上,最終實現(xiàn)電路的導(dǎo)通。
第三類是傳統(tǒng)的鋁基板上直接進行封裝,這類封裝可能在目前中山一帶比較廣泛的盛行。目前也有看到采用倒裝芯片進行直接在鋁基板上封裝的COB。
第四類算是集成類,有支架型的大功率COB集成封裝。采用銅和工程塑料形成支架,對不同的大功率芯片進行集成封裝,形成單科50瓦,或者100瓦的器件。
[NT:PAGE]Part 2
LED器件的評估方法
有很多器件廠商說,我們都通過了LM-80的測試報告,那是不是LM-80的測試報告就代表不需要再進行評估?
個人覺得LM-80報告有3個不足之處:
1、未檢測器件的芯片尺寸。
2、未報備所用原料的批次號。
3、測試周期長和技術(shù)更新快的矛盾。
如果只是看LM-80的報告,個人覺得只能是一個壽命的測試,并不代表這個器件就是最適合我們所使用的。
作為使用者該如何評估?
LED器件我們最開始測試可能就能看得到這樣一張圖片,它包含了光圖、色差、以及其他參數(shù)。
在這些參數(shù)當中我們需要關(guān)注的是:首先是光;其次是電;再其次是色。
當然對于普通的運用這個關(guān)注的順序有可能不同。那我們這張圖可能在行業(yè)內(nèi)流傳的比較多,大家看這個報告看的也比較多,就不再一一解釋。
有條件的公司建議同時在測這個LED光譜測試報告時,測不同的溫度情況下的光譜,這樣可以看到LED在不同溫度情況下,它所表現(xiàn)出來的特性有哪些差異。我們可以通過這種穩(wěn)定性、或者熱態(tài)的測試來評估LED的熱穩(wěn)定特性。
評估LED的一些基礎(chǔ)的方法,或者說常規(guī)的方法有以上幾種。
高溫的工作壽命測試和高溫高濕的工作壽命測試,其次還有一個耐熱測試和冷熱沖擊,有條件的公司建議在這4類測試上面要著重加強。
高溫工作壽命測試主要是想模擬LED器件在整燈的環(huán)境上面所表現(xiàn)出來的個性參數(shù),高溫高濕是有一些特殊場合應(yīng)用。比如說在一些有水汽的場合,我們可以看一下器件它對濕度的耐濕性。因為濕度對封裝的性能主要表現(xiàn),可能是說在材料的吸水性和熒光粉的特性可以表現(xiàn)的比較多。
耐熱測試主要采用回流焊的方法,一般回流焊三次我們看它的功能區(qū)是否有黑化,或者說有環(huán)變。再看材料,支架之材料有沒有一些環(huán)變,有沒有一些剝離。同時可建議該器件的可使用性和可維修性。
所有的封裝廠可能最不愿意看到的就是發(fā)黑,發(fā)黑主要分為幾大類,第一類就像圖中所展示的,支架底部全面發(fā)黑;另外一類只有芯片一小部分發(fā)黑,其他地方并沒有發(fā)黑。這兩種發(fā)黑在我的工作經(jīng)驗當中都有曾遇到,產(chǎn)生的方式是不一樣的。
我們可以看得到發(fā)黑的最根本的原因有兩種,第一個就是說LED的支架底部是含銀的。同時輔料中可能會有一些易揮發(fā)性的有機物,易揮發(fā)性的有機物有一個特性,可能是說它在LED芯片上面散發(fā)或者周圍產(chǎn)生的聚集特性比較多。
所以在封裝廠我們?nèi)绻幚磉@一類的事件時,首先要看整燈企業(yè)是否在輔料中有一些可揮發(fā)性的物質(zhì),主要檢測粘接劑,也就是膠水類的產(chǎn)品;第二在電源的一些元器件深入也一要著重檢驗,看主要是否有硫。
為了避免事后再來檢驗,建議最開始對LED器件進行一個拆解。那如何拆解才是比較好的,或者說拆解能看得到哪些東西?
通過切片實驗或者說暴力的拆解,直接把膠水剝開??梢郧宄吹絃ED芯片的情況,LED支架的材質(zhì)。LED支架的金屬材質(zhì),它是鐵支架還是銅支架,一看便知。
另外就是LED金線或者連接線的尺寸,如果有高倍的顯微鏡我們還可以看得到LED熒光粉的顆粒到底有多大。
這些報備起來才能我們保證根據(jù)使用的一個正確途徑。
[NT:PAGE]Part 3
如何正確使用LED器件
一道多解題
怎么樣去解這道題?或者說我們來看一看大家在各個不同時間段采用了何種技術(shù)方法來實現(xiàn)。
這一顆燈泡是李嘉誠所投資的,采用的器件出乎我們所有人的預(yù)料,全部采用1瓦的大功率產(chǎn)品,實現(xiàn)了全周光,這顆光效也是被業(yè)界稱為最高光效的燈泡。
松下公司的實現(xiàn)方案是采用了一顆特殊的C0B。科銳公司也是用了它自己特有的大功率器件。飛利浦采用的是遠程熒光粉激發(fā),并且在加藍色的LED器件來實現(xiàn)這顆全周光的燈泡。
另外一個可能是我們最常見的在中山或深圳一帶,最常見的LED燈泡。
采用的一些SMD的器件。同時我們目前還有更大的方案,在燈絲上面,采用LED燈絲實現(xiàn)的全周光燈泡是目前比較火熱的一個燈泡。
一顆燈泡都有如此的解法,那對應(yīng)具體的燈具,我們到底該如何選器件,這個問題又擺在了我們的頭上。對于線性燈具,或者面出光的燈具。
燈具的類型有一些明顯的特點,它的出光面積比較廣,采用一些透光罩。這些透光罩由于要對光進行一些打散的作用,同時會產(chǎn)生一些色散。
那我們對器件的要求有哪些?我們這些器件要求色度集中度特別高,光譜一致性也比較高,不能出現(xiàn)有偏色和同色異譜的情況。
電壓的差異要小,因為我們尤其在面板燈上面,我們可能采用的是多并的方案,如果電壓差異比較大,不同的并會有一些不同的電流大小,這樣會明暗不均,單顆亮度會有一些偏低。這類燈具建議使用SMD類的低功率產(chǎn)品,采用多顆的布局可以實現(xiàn)。
對于筒燈、天花燈、或者吸頂燈這些泛光類的照明燈具。我們又該如何來挑選合適的器件?
線性燈具和面出光燈具:出光面廣、透光罩(面板)易產(chǎn)生色散。
器件要求:色溫集中度高,光譜一致性高、電壓差異小、單顆亮度低。
適用器件:SMD類低功率器件
Part 4
LED器件將有怎樣的“勢”
SMD類的逆勢上揚(集成化、材料提升)
支架材料耐溫提升
芯片集成
個人覺得SMD類的產(chǎn)品,它是屬于逆勢上揚的一個趨勢。SMD類的最開始是一個支架里面放一顆芯片,然后目前一個支架里面可以放兩顆甚至更多。
歐司朗的S8、H10,現(xiàn)在單顆都可以到15瓦,可以直接組成一個燈,這樣的發(fā)展是突破了SMD類的原本的一些特征,所以我給它定義為逆勢上揚。
同時在SMD支架最開始是由PPA過渡到PCT,然后目前EMC支架使用比較廣泛,SMC產(chǎn)品會逐步得到更廣泛的使用。
這些材料的特性,耐溫性會越來越高,這也驅(qū)動了我們單顆SMD類可以使用更高功率。
COB類的造勢而動
高光通密度
高色品質(zhì)
COB可以省去回流焊接和不同顆器件的貼片工序,以及它可以省去一個PCB板的設(shè)計,單顆燈只采用一個光源,它的色差也非常好控制。
那COB運用到今天它會擁有一個什么樣的發(fā)展趨勢?
我們可以看一下科銳的產(chǎn)品,通過科銳的產(chǎn)品來看得出COB類主要的一個方向。
第一,發(fā)光面會越來越小,發(fā)光面小就如同我們上面所說,是為了匹配更好的光學(xué)設(shè)計,二次光學(xué)的透鏡,更省成本、更容易實現(xiàn)小角度。第二,功率可能會越來越高,單位面積可輸出的光通量也會越來越高。
另外由于COB類主要是用在商業(yè)用途,對于色品質(zhì)的要求會越來越高。目前有部分公司它實現(xiàn)了一些專業(yè)的細分。比如歐朗特有專門照紅木家具、專門照蔬菜的,并且在鮮肉類的照明燈具也會用的越來越多。
COB類產(chǎn)品目前還有一個潛在的競爭對手,就是我們剛剛所說的,像歐司朗和飛利浦推出的一些中高功率的器件,單顆的SMD。
未來的COB可能在小瓦數(shù)上沒有太大的優(yōu)勢。
CSP出現(xiàn)的順勢而為
有無基板
出光角度
單顆、集成
應(yīng)用場合
CSP產(chǎn)品如果按照分類來說,主要可以分為兩類,第一類是有基板的;第二類是沒有基板的。那同時CSP產(chǎn)品的出現(xiàn),也得益于LED芯片的發(fā)展。
CSP產(chǎn)品首先要采用倒裝芯片,這樣更利于它的貼裝和使用。三星公司推出的CSP,目前已經(jīng)有單顆往集成化方向發(fā)展。
同時CSP產(chǎn)品根據(jù)不同的應(yīng)用場合會有廣角度的和窄角度的CSP不同,目前也有部分廠家將CSP貼合成類似于COB的產(chǎn)品在應(yīng)用。
個人覺得這類應(yīng)用可能是一個方向,但不一定都能成功。主要取決于CSP的制造成本和貼裝的工藝,同時我相信CSP它是一個符合光源發(fā)展趨勢的。因為CSP更小、更薄,這就如同我們?nèi)魏坞娮赢a(chǎn)品它都會越來越小、越來越薄、越來越輕。期待未來CSP產(chǎn)品會給照明業(yè)界帶來更多的驚喜。
燈絲類的借勢發(fā)力
倒裝芯片的想象空間
基材的選擇
倒裝芯片的發(fā)展會讓燈絲具有了更多的想象空間,同時燈絲的基材選擇有藍寶石、有白陶瓷、有玻璃,甚至有一些柔性的PCB板,這樣會給我們更多的一些創(chuàng)意。
LED發(fā)展向來不是一個孤立的,它不論是材料的更替,還有元器件尺寸的更替以及封裝工藝的發(fā)展都會影響LED的一些發(fā)展。
但隨著LED的發(fā)展我們可以看得到,之前是在藍寶石襯底上面,或者說硅襯底,還有一些是氮化硅襯底。在這些襯底上面,LED再氮化鎵基可能會產(chǎn)生量子缺陷。
現(xiàn)在有一些公司在做氮化鎵襯底上面生產(chǎn)氮化鎵,可能大家也都知道,中村修二他目前的公司就在做這件事。那做這件事的好處是什么?減少了缺陷,它就能在外延層可以驅(qū)動更大的功率。
隨著線型燈具,線型電源的發(fā)展對于LED器件,尤其是單顆器件要求電壓越來越高。
采取高壓芯片的方法是非常值得借鑒的。
那LED從外延芯片端的發(fā)展會帶動下游的器件發(fā)展,我們目前可以看得到市面上有很多18伏、甚至45伏的單顆器件就采用了一顆芯片實現(xiàn)。并且隨著外延層的缺陷會減少,外延產(chǎn)生的光效率會越來越高,未來LED的光效會越來越高,甚至是否有一天LED全部都在發(fā)光,不再發(fā)熱也未可知。
[NT:PAGE]除了基礎(chǔ)材料,在封裝工藝上面的發(fā)展,也會讓LED產(chǎn)生許多不同。最開始就如同直插類的產(chǎn)品,還有一些采用的是鋁線的鍵合,鋁線的超聲波楔形鍵合,這種焊接方法容易導(dǎo)致LED漏電產(chǎn)生。
隨著科技的發(fā)展和進步,產(chǎn)生了球形的金絲焊接。這種焊接方法避免了LED芯片的漏電產(chǎn)生概率,具有更高的焊接可靠性。
目前還有一些公司采用的是倒裝焊接,倒裝焊接也分為兩類。第一類是植金球的倒裝焊;第二就是直接的金錫倒裝焊;還有一些采用是錫膏倒裝焊。
這些焊接方法為LED器件帶來的選擇也會越來越多,所以LED的種類也會越來越多。
在白光器件上面熒光粉的涂覆對LED器件會有很大的影響,那熒光粉主要的涂附方法可分為三種。第一類是灌封;第二類是噴涂;第三類采用熒光膜的方法。
第一類灌封我們可以看得到,在芯片的正上方熒光粉分布的較多在側(cè)邊分布的就很少。這個時候就容易產(chǎn)生色彩,熒光粉噴涂工藝就克服了灌封這種側(cè)邊會比較少,正邊比較多這樣的特性。
噴涂可以實現(xiàn)熒光粉在芯片的側(cè)邊和正面同厚度的一個技術(shù),當然采用熒光膜的方法可能會對器件的色品質(zhì)、顏色一致性會更好。不同種的熒光粉涂附方法會對器件的顏色產(chǎn)生不一樣的效果。
那LED器件最終會有一個怎么樣發(fā)展,目前可能看得到有很多不同的關(guān)鍵詞來概括LED器件的發(fā)展,模組化或者說CSP是否能一統(tǒng)天下,以及倒裝的C0B,光引擎或者高壓器件,有不同的應(yīng)用場合就會有不同的LED器件。
隨著應(yīng)用場合的細分,LED器件可能會變得越來越多,但通用化的產(chǎn)品種類會越來越少。細分會決定我們器件的未來,在圖片上最后一張是我們之前看到的松下的那一顆燈泡所采用的LED光源,如果按照標準化來說它完全就不是任何一個標準化的東西,它是一個特別定制化的器件。
所以細分才是決定LED器件發(fā)展的未來,不同的技術(shù),不同的應(yīng)用場合最終會決定我們LED的發(fā)展。
鄧玉倉
具有9年LED封裝器件研發(fā)經(jīng)驗,對LED封裝產(chǎn)品和照明應(yīng)用的結(jié)合具有豐富的經(jīng)驗。關(guān)注LED可靠性分析和失效分析。在大型上市公司歷任光源工程師、研發(fā)部經(jīng)理等職位。
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