揮之不去的陰霾 拷問(wèn)LED缺點(diǎn)及成因
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LED，就是當(dāng)今IT界最熱門的話題。只要加了LED兩個(gè)字，產(chǎn)品就會(huì)身價(jià)倍增。看廠商的宣傳，媒體的極力炒作，幾乎讓LED達(dá)到了登峰造極的境界。然而，就沒(méi)有人對(duì)LED這個(gè)神圣名詞產(chǎn)生過(guò)疑問(wèn)嗎？我們對(duì)此作了個(gè)小專訪，希望能對(duì)大家有所幫助。
LED前途漫漫
現(xiàn)實(shí)中的LED究竟有多火？
可以形容為，火的一塌糊涂。
上海世博會(huì)
2008年北京奧運(yùn)會(huì)，2010年上海世博會(huì)，讓世人認(rèn)識(shí)到LED工程照明的無(wú)限商機(jī)。
2009年中國(guó)照明銷售額超過(guò)2000億元，面對(duì)半導(dǎo)體市場(chǎng)的良好前景和巨大誘惑，一場(chǎng)搶占半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)在全球悄然打響。
LED和我們的關(guān)系有多近？
LED就在我們身邊的各個(gè)角落。在民用領(lǐng)域，LED主要應(yīng)用于以下幾大方面：
LED點(diǎn)陣
A、 顯示屏、交通訊號(hào)顯示光源的應(yīng)用。
應(yīng)用的是LED 燈具有抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
B、汽車工業(yè)上的應(yīng)用。汽車用燈包含汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開(kāi)關(guān)的背光源、閱讀燈和外部的剎車燈、尾燈、側(cè)燈以及頭燈等。
利用LED長(zhǎng)壽命、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。
C、LED背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源。主要應(yīng)用在LED背光源電視，LED光源投影機(jī)。
利用LED的廣色域、薄型、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。
D、LED照明。
利用LED光源節(jié)能省電的特點(diǎn)。
LED“玩具”
E、裝飾、指示。主要應(yīng)用在玩具、裝飾燈、服飾等。
利用LED體積小、無(wú)污染、色彩豐富、不易碎破以及低壓使用的安全性的優(yōu)點(diǎn)。
LED燈泡
F、家用室內(nèi)照明。
利用LED省電、無(wú)污染、長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)。
LED是否有缺點(diǎn)？
LED有缺點(diǎn)，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是售價(jià)太高。
LED的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被各大媒體大肆炒作。甚至連國(guó)家的宣傳都是，LED只有優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有缺點(diǎn)。然而，現(xiàn)今LED普及率依然不高，究其原因，還是售價(jià)問(wèn)題。
LED售價(jià)為何會(huì)居高不下？
低亮度的LED產(chǎn)品，售價(jià)較低。
由于技術(shù)和制作工藝所限，高亮度的LED售價(jià)很難降低成本。
LED的缺點(diǎn)又可細(xì)分為發(fā)光效率低、封裝成本高、高性能材料售價(jià)高，最終導(dǎo)致LED的制造成本高，市場(chǎng)售價(jià)自然也高。
不是都說(shuō)LED節(jié)能嗎？為啥說(shuō)LED發(fā)光效率低？
節(jié)能，即指光效能高，熱量低。然而，所謂節(jié)能的LED，主要表現(xiàn)在，低亮度的LED產(chǎn)品上，高亮度的LED并不節(jié)能。現(xiàn)今應(yīng)用LED產(chǎn)品主要采用多個(gè)，點(diǎn)陣等方式，而且應(yīng)用的都是低亮度的LED產(chǎn)品。
LED點(diǎn)陣
由于LED本身的發(fā)光效率比較低，大約有70%的輸入功率要轉(zhuǎn)化為熱能。這是lW功率LED光效隨輸入電流的變化趨勢(shì)圖，我們得知LED隨著電流的升高，光效能逐漸下降，其中白光下降最明顯。伴隨光效能的下降，隨之就會(huì)產(chǎn)生大量的熱能。
lW功率LED光效隨輸入電流的變化趨勢(shì)圖
說(shuō)LED發(fā)光效率低，主要指高亮度LED，在現(xiàn)實(shí)中，高亮度的LED，才更具有使用價(jià)值。例如，LED光源投影機(jī)，需要單體高亮度LED產(chǎn)品�，F(xiàn)階段，高亮度的、成熟的LED投影機(jī)產(chǎn)品較少，而且售價(jià)都不菲，采用的是特殊的高端材質(zhì)，用高成本實(shí)現(xiàn)了高亮度，在民用市場(chǎng)失去了實(shí)用價(jià)值。
難道LED也不便宜？
低端的、低亮度的LED固然便宜，但是高亮度的、高光能效的LED售價(jià)都不菲，現(xiàn)階段幾乎就沒(méi)有性價(jià)比而言。要想了解LED，就要從其結(jié)構(gòu)說(shuō)起。
半導(dǎo)體發(fā)光器件包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱LED）、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏（簡(jiǎn)稱矩陣管）等。事實(shí)上，數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及矩陣管中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管。
LED，英文全稱Light Emitting Diode，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的核心是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。
各式各樣的LED
我們常見(jiàn)的LED，有草帽形，橢圓形，平頭形，貼片式等。發(fā)光二極管的文字符號(hào)為“VD”，圖形符號(hào)是在普通二極管符號(hào)旁增加兩個(gè)向外的小箭頭，三角表示正極，短杠表示負(fù)極。發(fā)光二極管也是多種多樣：
1，從光色上分有發(fā)紅、綠，黃等多種顏色可見(jiàn)光的以及發(fā)紅外光的；
2，從形狀上分有圓柱形、方形以及各種特殊形狀的；
3，從體積上分有大、中、小等多種規(guī)格。
LED工作原理
發(fā)光二極管的工作原理是用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的PN結(jié)二極管。其發(fā)光機(jī)理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程。按光輸出的位置不同，發(fā)光二極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型。我們最常用的LED是 InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光二極管。
LED材料特性分析
發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)�，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。
假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在*近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。
理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即
λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光�，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍。
又是材料問(wèn)題，LED實(shí)現(xiàn)高亮度真就這么困難嗎？
LED，實(shí)現(xiàn)高亮度確實(shí)有一定技術(shù)難度。
LED有極限參數(shù)：
（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，LED發(fā)熱、損壞。
（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過(guò)此值可損壞二極管。
（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。
（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。
不改變材質(zhì)的前提下，在LED的極限范圍內(nèi)，提高亮度的手段就是提高電流，隨著電流升高，LED發(fā)熱量會(huì)劇增。使用過(guò)LED光源便攜投影機(jī)的，或微投的朋友，一定都深有體會(huì)，LED光源的投影機(jī)，非常熱，而且普遍會(huì)有明顯的噪音。這些產(chǎn)品，機(jī)身小是一方面，關(guān)鍵還是其自身發(fā)熱量較大所致。
高熱的微投產(chǎn)品
如果這些熱不能很好地散發(fā)出去，LED的結(jié)溫就會(huì)升高，于是LED的壽命就會(huì)隨之降低。所以延長(zhǎng)LED壽命的根本辦法就是改進(jìn)其散熱。改進(jìn)散熱要從LED本身做起。
兩種貼片式發(fā)光二極管的散熱示意圖
這款3014，就是靠增加底板金屬面積二改善了散熱，使其熱阻降低到只有51°C/W.。只要散熱器做得足夠好，可以保證接腳溫度在60°C以下，那么其壽命可以達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)以上。
1W功率LED熱阻隨環(huán)境溫度變化趨勢(shì)圖
經(jīng)多家大學(xué)專業(yè)機(jī)構(gòu)的測(cè)試，隨著功率的增加，LED的散熱問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，大量實(shí)際應(yīng)用表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，使管芯結(jié)溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性能變化與衰減，非輻射復(fù)合增加，器件的漏電流增加，半導(dǎo)體材料缺陷增長(zhǎng)，金屬電極電遷移，封裝用環(huán)氧樹(shù)脂黃化等等，嚴(yán)重影響LED的光電參數(shù)。甚至使功率LED失效。因此，對(duì)于LED器件，降低熱阻與結(jié)溫、對(duì)發(fā)光二極管的熱特性進(jìn)行研究顯得日趨重要。
注：以上材料，參考了幾位碩士、博士的論文內(nèi)容。
LED實(shí)現(xiàn)高亮度，還有那些困難？
制造高亮度LED，使用新材質(zhì)是一個(gè)重要的難題。
LED材料發(fā)展
我們可以查看一下，近20年來(lái)，LED材料發(fā)展史：
1991年，日亞公司研制成功同質(zhì)結(jié)GaN基藍(lán)光LED，峰值波長(zhǎng)430nm，光譜半寬55rim，其光輸出功率為當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上SiC LED的10倍，外量子效率約為0．18％。
1995年，日亞公司，又研制成功InGaN／AIGaN雙異質(zhì)結(jié)的燭光級(jí)超高亮度藍(lán)色LED，在20mA的正向電流下，輸出功率為1．5mW，外量子效率為2．7％，波長(zhǎng)和半寬分別為450nm和70rim。
1997年，Schlotter等人和Nakamura等人先后發(fā)明了用藍(lán)光管芯加黃光熒光粉封裝成白光LED。
2001年，Kafmann等人，用UV LED激發(fā)三基色熒光粉得到白光LED。過(guò)去的幾年中，白光LED引起了LED產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視。
2006年，Cree公司，宣布推出一款新的冷白光LED—“XP．G”，發(fā)光效率和亮度都創(chuàng)下新的記錄，其在驅(qū)動(dòng)電流為350mA時(shí)，光通量達(dá)1391m，光效為1321m／W，亮度和光效分別比Cree最亮的XR．E LED提高37％和53％，被稱之為“業(yè)界最亮且具有最高效率的照明級(jí)LEDt211”。
2007年，日亞公司，發(fā)布了其新型LED，該實(shí)驗(yàn)型產(chǎn)品在順向電流為350mA的條件下，光通量可達(dá)1451m，發(fā)光效率約為1341m／W，芯片的大小為lmm2，色溫為4988K(在Ir=20mA的情況下，發(fā)光效率更高達(dá)169 lm／W)。近兩年，日亞公司生產(chǎn)的GaN基LED，無(wú)論是藍(lán)光、紫光、紫外還是白光LED均為國(guó)際上最高水平，其中460nm的藍(lán)光LED的外量子效率可以達(dá)到34．9％。
2007年，美國(guó)的Cree公司，在SiC襯底上生長(zhǎng)雙異質(zhì)結(jié)，制作的器件同樣很出色，SiC襯底可以把Gabl基LED的金屬電極制造在襯底的底部，電流能夠通過(guò)低阻導(dǎo)電襯底的垂直流動(dòng)，也為發(fā)展其它光電子器件奠定了基礎(chǔ)。此公司在SiC上生長(zhǎng)GaN基LED無(wú)論是小尺寸芯片藍(lán)光LED和紫光LED還是大尺寸藍(lán)光LED和紫光LED均屬國(guó)際頂級(jí)水平。
高端LED電筒
看過(guò)之后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，近幾年，還是美國(guó)Gree公司和日本日亞公司在繼續(xù)深入研究，并取得了一定成果。但，LED的材料和工藝，并沒(méi)有技術(shù)性的突破。雖然有很多機(jī)構(gòu)在研究，只有少數(shù)公司成功了，LED的技術(shù)難度可想而知。
LED結(jié)構(gòu)不是很簡(jiǎn)單嗎？為啥還說(shuō)，封裝技術(shù)成本高呢？
理論上簡(jiǎn)單的東西，往往技術(shù)上最難突破。現(xiàn)有LED封裝存在缺陷，也是一個(gè)影響售價(jià)的關(guān)鍵因素，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，甚至決定了產(chǎn)品成本。
各式LED
由于LED本身不具有抗?jié)駳�、防氧化、防短路、保護(hù)芯片等保護(hù)作用，因此需經(jīng)過(guò)不同型式的組裝打線、膠體封裝等制程。
目前主要的發(fā)光二極管，依其后段封裝結(jié)構(gòu)與工藝的不同，分為下列幾類：
第一種，LED燈【LED LEMP】型式。
將發(fā)光二極管芯片先行固定于具接腳之支架上，再打線膠體封裝，將LED燈的接腳插設(shè)焊固于預(yù)設(shè)電路的電路基板上，完成最終的LED燈的光源制作。
第二種，表面粘貼式的LED【SMD LED】。
將芯片先行固定到細(xì)小基板上，再進(jìn)行打線的動(dòng)作，接著進(jìn)行膠體封裝，最后再將該封裝后的LED焊在印刷電路板上，并最終完成制作。
第三種，覆晶式LED。
完成芯片制作后，將芯片覆設(shè)于覆晶轉(zhuǎn)接板上，并利用金球、銀球、錫球等焊接方式，以高周波方式焊接，然后做成LAMP或SMD進(jìn)行膠體封裝，最后再將成品焊在印刷電路板上，然后進(jìn)行最后制作。
第四種，另一種覆晶式LED。
利用金球、銀球、錫球等焊接制作，以高周波方式將芯片焊設(shè)于覆晶轉(zhuǎn)接板后封成LAMP或SMD、高功率LED，再進(jìn)一步焊設(shè)于印刷電路板上，進(jìn)行最后制作成光源結(jié)構(gòu)。
第五種，CHIP ON BORD。
將芯片固設(shè)于印刷電路板上，再進(jìn)行打線的動(dòng)作，接著進(jìn)行膠體封裝，直至最后完成。
以上五種方式，其共同缺點(diǎn)是工序多，封裝繁瑣，設(shè)備昴貴，封裝后的LED散熱效果不佳；而且其成品，LED照度會(huì)因封裝材料受熱產(chǎn)生變質(zhì)及其它種種原因阻擋而減低。
其中與高周波機(jī)有關(guān)的工序和技術(shù)，主要在國(guó)外，或在臺(tái)灣省進(jìn)行。高周波機(jī)用到的高周波與超聲波是不同的兩個(gè)概念，高周波是指頻率大于100Khz的電磁波，超聲波是指頻率超過(guò)20千赫茲的聲波。高周波的焊接原理、熔接原理與超聲波也是不一樣的，高周波是利用高頻電磁場(chǎng)使物料內(nèi)部分子間互相激烈碰撞產(chǎn)生高溫達(dá)到焊接和熔接的目的，而超聲波是利用摩擦生熱的原理產(chǎn)生大量的熱量達(dá)到焊接和熔接的目的。
LED目前的封裝制程材料、膠（環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠）、支架、芯片、金（鋁）線而有以下缺失及待克服問(wèn)題：
1， 成本高。
2， 散熱不佳。
3， 因散熱不良而導(dǎo)改LED壽命減低。
4， 封膠不僅造成熱的蓄積及膠的黃化造成光衰。
5， 因接線與支架封膠之良率及應(yīng)力造成穩(wěn)定度及可靠度的降低。
6， LED在加工過(guò)程，只能在280℃，5秒以內(nèi)完成。
7， 不耐冷熱沖擊。
LED亮度要再突破，必須在磊晶芯片的內(nèi)部及外部，進(jìn)一步提升量子效率，并減少封裝后亮度的衰減，屬于磊晶及晶粒工藝有待加強(qiáng)改善。
難道LED的售價(jià)問(wèn)題，就很難改善嗎？
綜上所述，我們可以總結(jié)為，現(xiàn)在所流傳的LED的諸多優(yōu)點(diǎn)，真實(shí)存在，但是僅限于低亮度的LED產(chǎn)品。低亮度的LED要靠數(shù)量取勝，而高亮LED才是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)在大力宣傳低亮度LED的優(yōu)勢(shì)有以點(diǎn)蓋面、以偏概全的炒作嫌疑。
我們可以這樣認(rèn)為，LED最大的缺點(diǎn)還是價(jià)格太高，高亮LED尚處在有價(jià)無(wú)市的層面上。
三色LED
按照Haitz定律，LED的價(jià)格每十年將降低十倍。若沒(méi)有新的替代產(chǎn)品出現(xiàn)，我們還是有希望，看見(jiàn)高亮度LED繁榮的那一天。
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