《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LED照亮一切:使每個封裝實現(xiàn)1萬lm的光通量
摘要: 于“光通量的大小”,計劃一個封裝實現(xiàn)1000lm以上的光通量。對產(chǎn)品廠商而言,在采用多個白色LED的用途方面,具有可減少部件數(shù)量、提高產(chǎn)品設(shè)計自由度等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞: LED LED照明 LED封裝 白光LED
Abstract:
Key words :

  白光LED在100℃下工作時發(fā)光效率只降低3%左右。要求白色LED具有“溫度穩(wěn)定性”是為了使發(fā)光效率在實際使用環(huán)境下不發(fā)生大幅變化。

  白色LED目錄值的發(fā)光效率大多是在25℃的環(huán)境溫度下,施加脈沖狀電流測量所得。此時,藍色LED芯片發(fā)光部的溫度(接合溫度)約為25℃。不過,實際用于產(chǎn)品中時,接合溫度會上升至85~100℃。在普通白色LED中,溫度上升后的發(fā)光效率與25℃時相比會降低10~15%。

  在部分最新產(chǎn)品中,已經(jīng)有抑制了發(fā)光效率變化的品種。例如,飛利浦流明的照明用途白色LED在接合溫度為100℃時,其發(fā)光效率只比25℃時降低3%左右。為提高散熱性,將LED芯片在陶瓷基板上進行倒裝芯片封裝,另外,為減輕溫度對內(nèi)部量子效率的影響,還采用了量子阱構(gòu)造等。

  夏普2011年3月開始供貨的照明用白色LED,其發(fā)光效率隨溫度發(fā)生的變化也比較小(圖1)。盡管輸入功率高達25W,降低接合溫度比較困難,但在白色LED表面溫度(外殼溫度)為70℃時,其發(fā)光效率和光通量與25℃時相比只下降了5~6個百分點。該公司表示,與其他公司的同等產(chǎn)品相比,將降幅控制在約一半。通過采用性能隨溫度變化較小的熒光材料等,實現(xiàn)了較高的溫度穩(wěn)定性。

減弱熒光材料性能的溫度依賴性
圖1:減弱熒光材料性能的溫度依賴性

  “顯色指數(shù)”是將白色LED作為普通照明器具光源廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)之上的重要指標。目的是為了與原光源不產(chǎn)生不協(xié)調(diào)感。此前,白色LED的顯色指數(shù)大多以平均顯色指數(shù)(Ra)為基準。不過,隨著用于照明用途的情況增加,僅Ra已經(jīng)不能滿足使用,還要求具有較高的特殊顯色指數(shù),例如彩度較高的紅色和綠色等。

  白光LED在100℃下工作時發(fā)光效率只降低3%左右。要求白色LED具有“溫度穩(wěn)定性”是為了使發(fā)光效率在實際使用環(huán)境下不發(fā)生大幅變化。

  白色LED目錄值的發(fā)光效率大多是在25℃的環(huán)境溫度下,施加脈沖狀電流測量所得。此時,藍色LED芯片發(fā)光部的溫度(接合溫度)約為25℃。不過,實際用于產(chǎn)品中時,接合溫度會上升至85~100℃。在普通白色LED中,溫度上升后的發(fā)光效率與25℃時相比會降低10~15%。

  在部分最新產(chǎn)品中,已經(jīng)有抑制了發(fā)光效率變化的品種。例如,飛利浦流明的照明用途白色LED在接合溫度為100℃時,其發(fā)光效率只比25℃時降低3%左右。為提高散熱性,將LED芯片在陶瓷基板上進行倒裝芯片封裝,另外,為減輕溫度對內(nèi)部量子效率的影響,還采用了量子阱構(gòu)造等。

  夏普2011年3月開始供貨的照明用白色LED,其發(fā)光效率隨溫度發(fā)生的變化也比較?。▓D1)。盡管輸入功率高達25W,降低接合溫度比較困難,但在白色LED表面溫度(外殼溫度)為70℃時,其發(fā)光效率和光通量與25℃時相比只下降了5~6個百分點。該公司表示,與其他公司的同等產(chǎn)品相比,將降幅控制在約一半。通過采用性能隨溫度變化較小的熒光材料等,實現(xiàn)了較高的溫度穩(wěn)定性。

減弱熒光材料性能的溫度依賴性
圖1:減弱熒光材料性能的溫度依賴性

  “顯色指數(shù)”是將白色LED作為普通照明器具光源廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)之上的重要指標。目的是為了與原光源不產(chǎn)生不協(xié)調(diào)感。此前,白色LED的顯色指數(shù)大多以平均顯色指數(shù)(Ra)為基準。不過,隨著用于照明用途的情況增加,僅Ra已經(jīng)不能滿足使用,還要求具有較高的特殊顯色指數(shù),例如彩度較高的紅色和綠色等。

  顯色指數(shù)通過改進熒光材料來提高。不過,提高顯色指數(shù)也會出現(xiàn)發(fā)光效率降低的問題。例如,假設(shè)Ra為70的普通白色LED的發(fā)光效率為100%,則Ra80時會降低10%,Ra90時會降低20%。“以前在Ra為90以上時,發(fā)光效率會降低30%”(日亞化學(xué)工業(yè))。因此與以前相比,現(xiàn)在已經(jīng)改善了很多,不過今后還有很大的改進余地。

  改進的重點是,“減少可視范圍以外的發(fā)光”(飛利浦流明日本)(圖2)。一般情況下,白色LED為提高Ra和紅色顯色指數(shù)(R9)會添加紅色熒光材料,紅色熒光材料的發(fā)光光譜可到達700nm以上的近紅外領(lǐng)域。由于肉眼看不見可視范圍以外的光,因此這部分的能源全部浪費了。所以該公司采用了可減少這部分光的紅色熒光材料。

減少可視范圍以外的發(fā)光

圖2:減少可視范圍以外的發(fā)光


  采用紅色熒光材料的話,在700nm以上的長波長側(cè)也能觀測到發(fā)光。這種在可視范圍以外的光肉眼并看不到,因此會造成能源效率的浪費。所以,通過采用可抑制可視范圍以外發(fā)光的紅色熒光材料,能抑制發(fā)光效率降低。

  為兼顧高顯色指數(shù)和發(fā)光效率,還有廠商考慮使用非極性GaN基板。三菱化學(xué)為提高Ra和特殊顯色指數(shù),沒有使用藍色LED芯片,而是采用紫色LED芯片來開發(fā)組合使用藍色、綠色和紅色熒光材料的白色LED(圖3)。該公司計劃采用非極性GaN基板大幅提高目前只有50lm/W左右的發(fā)光效率注1)。

實現(xiàn)高顯色指數(shù)特性

圖3:實現(xiàn)高顯色指數(shù)特性


  三菱化學(xué)開發(fā)的組合使用紫色LED(發(fā)光波長為405nm)和藍色、綠色及紅色熒光材料的白色LED,可大幅提高各個顏色的顯色指數(shù)。(圖由本站根據(jù)三菱化學(xué)在“Green Device論壇2010”上的演講資料制作)


  麥克亞當橢圓在2級以內(nèi)

  認為“均勻性”現(xiàn)在也是白色LED課題的照明器具廠商絕不在少數(shù)。組合使用多個白色LED時,如果白色LED之間的白色光色度不同,就無法獲得均勻的光。白色LED的均勻性采用名為“麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)”的色度差評價法。各廠商一般在該評價的6級以內(nèi)開發(fā)白色LED,不過也有在4級以內(nèi)和2級以內(nèi)開發(fā)產(chǎn)品的LED廠商。例如,美國科銳就開發(fā)出了號稱在2級以內(nèi)的產(chǎn)品。

  降低白色LED產(chǎn)品間色度不均的方法有很多種(圖4)。其中,科銳選擇的是在藍色LED芯片上鋪設(shè)熒光材料層使之成為白色LED芯片后,將多個白色LED芯片收納在封裝內(nèi)的方法(圖4(b))。封裝整體的發(fā)光光譜與全白色LED芯片的發(fā)光光譜重合。為了使白色LED芯片發(fā)光光譜的平均值接近,組合使用了封裝內(nèi)的LED芯片??其J利用該方法,實現(xiàn)了2級以內(nèi)的產(chǎn)品供貨。

可降低色調(diào)不均的各種方法

圖4:可降低色調(diào)不均的各種方法


  最經(jīng)常采用的是,為使發(fā)光光譜的平均值相同,安裝多個藍色LED芯片,將其封裝在采用熒光材料的樹脂封裝中(a)。此外還具有組合使用多個白色LED芯片的方法(b)、在每個藍色LED芯片上組合使用與發(fā)光光譜重合的熒光材料的方法(c)、以封裝的狀態(tài)安裝多個藍色LED,然后組合使用熒光板的“remote phosphor”(d)方法等。


  計劃使每個封裝實現(xiàn)1萬lm的光通量

  關(guān)于“光通量的大小”,計劃一個封裝實現(xiàn)1000lm以上的光通量。對產(chǎn)品廠商而言,在采用多個白色LED的用途方面,具有可減少部件數(shù)量、提高產(chǎn)品設(shè)計自由度等優(yōu)點。

  光通量超過1000lm的白色LED已經(jīng)有幾款產(chǎn)品面世(圖5)。例如,西鐵城電子將銷售能夠輸入41.9W的大電力、光通量達到4390lm的產(chǎn)品。通過配備200個藍色LED芯片,獲得了高光通量。藍色LED芯片采用小型品,通過將芯片側(cè)面發(fā)出的光有效輸出到封裝外,提高了發(fā)光效率。該公司還計劃采用最多可配備400個芯片的設(shè)計,以使一個封裝獲得1萬lm的光通量。

迎來了一個封裝的光通量超過1000lm的時代

圖5:迎來了一個封裝的光通量超過1000lm的時代


  西鐵城電子開發(fā)的高輸出白色LED“CL-L340系列”中有最大光通量為4390lm的品種(輸入功率為41.9W,Ra為67,色溫為5000K)(a)。夏普2011年3月上市的高輸出白色LED“照明用LED元件”中,色溫為3000K的產(chǎn)品在輸入25.9W電力時的光通量為2370lm(b)。

  夏普開發(fā)出了輸入25.9W電力時可獲得2370lm光通量的產(chǎn)品。在室內(nèi)照明一般要求的色溫為3000K、Ra為83的條件下,實現(xiàn)了91.5lm/W發(fā)光效率。該產(chǎn)品大量使用了內(nèi)部量子效率得到提到的自主開發(fā)藍色LED芯片。

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