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封装技术与材料推动LED发光效能

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2008-02-27         
阅读:49     
 
 
          LED照明的革命性变迁,就像真空管到晶体管,及CRT到Flat Panel Display是革命性的突破一样,照明从1980年开始是一个很大的革命,自1830年爱迪生发明灯泡,到目前为止,大部分还是气体放电,将近100多年,一直没有太大的改变,虽然效率有所提升,但在基本的材料技术上并没有多太多的变化,但是在固态照明(Solid State Light)出现后,才是照明技术真正的革命性的突破,所以看待固态照明这样的变化,就像晶体管及Flat Panel Display都是跨革命的成就。
    
       因为技术与材料的突破,整个照明产业慢慢的起了微妙的变化。在过去,提到照明组件业者,大家会想到GE、欧司朗(OSRAM)、飞利浦等,这些都是生产照明组件相当大的业者之一,但是固态照明被开发出来后,产业就出现一些改变,例如,飞利浦(Philips)和Aglent合资成立了Lumileds,而Osram就成立了Osram照明等新公司慢慢向半导体产业倾斜。
    
     ■2007年高亮度LED市场规模将达到1,200亿
    
       全球2005年LED市场规模大概在新台币1,700亿元左右,可见光(Visible)LED的市场比例大约占了68%,另外的32%的市场比例属于红外光。2003年∼2007年间,红外光的市场年平均规模约在新台币500∼600亿元左右,但可见光的市场规模,因为高亮度的成长,将会从2003年的928亿元成长到2007年的1,500亿元,而整个Growth Rate的部分,可见光 LED 5年年平均大概是在12%左右,Infrared则是相当稳定的维持在5%,整体LED的市场成长率约在10%左右。
    
       在市场中成长幅度最大的是属于高亮度(High Brightness)LED,在2004年的1,600亿元市场规模中,高亮度LED的部分大约为800亿元左右,预计到2007年的时候,将成长到1,200亿元的市场规模。
    
       目前一般对于高亮度的定义,仍旧是指发光亮度在8流明以上、以4元发光材料生产的LED,例如AlGaInN、GaN等,每年平均成长率(Average Growth Rate)大概是在14%左右,另外,在一般亮度的LED市场成长的部分,预计在未来将维持相当平稳300亿元规模的市场规模,不容易有大幅度成长或衰退的情况。
    
       Mobile phone是带动高亮度 LED成长的一个重要动力,从2003∼2005年,高亮度LED有相当大成长在Mobile phone这个应用上应用,目前手机上的背光源及按键灯源大多都是使用高亮度LED。
    
       不过,到2005年为止,高亮度 LED在手机上的应用已经到了一个成长瓶颈,由于LED的发光效率愈来愈高,所以,未来使用的LED的数量反而会越来越少,甚至价格也越来越激烈。在应用用途上,除了会因为照相功能而增加一个闪光用LED以外,基本上市场的规模已经到了饱和的程度,预计2005年约为450亿元,与2004年相差无几,相信未来这两年不会有太大的变化。
    
       对于未来的发展,大多数人最看好、成长速度最快的应该是车用市场,不过,以目前的应用状况来看至少还需要二、三年才能普及到整个市场。现在整体使用LED为光源的大概还是概念车,但基本上,就发展的趋势来看,从汽车的内装到外部灯源在未来将是很大的一块市场。
    
     ■高亮度LED将抢占白热灯泡照明市场
    
       对于白光High Power LED来说,照明市场将会是非常大的一个市场,预计在3∼5年后达到一个产业规模,预估 2005年的照明市场规模,约在130亿美元(新台币4,000亿元)左右,虽然白光High Power LED的5年市场规模总额达到了4亿美元(新台币120亿元),但是相对于整个照明的市场来说,还是非常的小。
    
       以发光亮度及效率来看,虽然LED的效率是高于白热灯泡(白热灯泡大概8∼10流明/瓦),但是,就发光亮度来看还是低于荧光灯或者卤素灯。不过,单纯Replace白热灯的市场就已经是一个相当大的市场,2005年全球总规模约130亿美元的照明市场中,白热灯泡的比例约占了27%白热灯泡,所以在照明的这一项应用中,白光High Power LED是有相当的市场发展空间。
    
       而就灯源的取代角度来看,以目前LED的技术以及价格情况,在10流明/瓦以下的应用,LED有立即取代的条件,例如红绿灯、小型灯泡等等的应用。
    
     ■2007年预计可降到0.02美元/流明
    
       从(图五)可以看出LED成本与发光效率的演变,在过去20年中LED的发光效率一直维持很稳定且快速的进步,而在流明价格比的方面,也是维持在一定的减低速度,以2005年来讲,大约0.2美元/流明,2006、2007年预计可以降到0.02美元/流明,如果期望应用在照明市场,最终降到0.01美元/流明,在未来的几年内是很有可能的,在中国大陆是以节能为目标也极力的在推动LED的照明,目标在2007年达到0.02美元/流明。所以可以说,价格是技术进步的原动力,因为技术永远比不上价钱上的压力。
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封装技术与材料推动LED发光效能
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 66 更新时间:2007-9-21 21:26:34 | 【字体:
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       就市场的竞争力而言,流明价格比降低的速度越快越好,但是要如何去做到,这是有相当多的门坎存在,核心技术还是在LED封装上面,虽然现在LED封装制程已经是相当成熟了,但是,因为价格这样的驱动力量,使得LED的封装包括材料等等都需要再做革命。  
    
     长久以来,LED封装的制程没有太大的转变,其实材料是很大的一个因素,因为封装材料一直没有革命性的突破。但是,在面对多样化应用的今天,LED封装材料已经开始进行一些改善。
    
     ■热处理是LED封装的关键
    
       LED的亮度部分,材料是相当重要的一个关键,不管是Epitaxy或芯片,先天上已经决定了LED 50%的亮度,而另外的50%就会取决在LED的封装技术及封装材料。对于LED封装来讲,大家所追求的是怎样把一个LED封装流明数做得越大越好?
    
       经过封装的过程,一个LED能达到几百个流明,这基本上不是一个很大的问题,主要的问题是如何去处理散热,然后接下来,在产生这么大的流明后,如何维持他的流明,这又是另外一个问题,如果热处理(Thermal Management)没有做好的话,LED的亮度和寿命下降的会很快,所以对于LED来说,如何做到有效的可靠度和Thermal Management,是非常重要。
    
       因为手机应用市场的原因,这两年台湾高亮度LED发展的非常快,这是因为手机的应用要求不是很高,所以,以今天台湾的封装技术而言,在手机上的应用还是足以负荷的,但是,在未来面对户外看板、车用外部灯源,这对台湾的LED封装业者来说就是一个很大的挑战,所以,从这方面来看,国外的LED大厂,在技术上还是有一些领先的地位。
    
     ■如何去消除因为追求高亮度所产生的Thermal
    
       在LED的PN Junction中,光的效率越高,相对的热产生就会越少,但是很不幸的,大部分光的取出效率只有20∼30%,其它部分都变成热了,Thermal Resistance Management是怎样从Junction中所产生的热送到LED封装中的Pad,对于高取光效率封装来说是很重要的一件事。
    
       而在这个过程中,怎么样去消除LED的Temperature,不要造成太大的Thermal效应,对于LED封装来讲,基本上都是在做Thermal的Conduction。而如何把Junction Temperature能够降低(因为对半导体来讲最致命的就是Thermal),这是一
个重要的课题。
    
       目前所有的LED封装材料都是树脂,树脂1玻璃转化温度约在100∼120℃左右,在Maintain Junction Temperature时,最好不要超过100℃,如果超过110∼120℃,那么这样的封装就会有一些risk。 
    
      最近有一些新的封装观念和技术出现,例如Lumileds的Luxeon第二代k2,比LuxeonⅠ大幅提高了光功率。透过改量芯片,将光效能提高了10∼30%。而在温度的方面将Junction Temperature由135℃提高至185℃。对材料的概念会被颠覆,所以说树脂是不是最佳的LED封装材料呢?在面对未来的应用环境及产品,还有相当多可以讨论的地方,其实在整个LED封装里面,如果可以利用玻璃或是其它材料的话,Junction Temperature还可以再做更好的控制。  
    
     怎么去降低热阻抗?实际上Flip芯片的封装方式是一个很好的方式和例子,AlGaInP是一个非常不好的热导体,差不多大概只有35℃左右而已,而GaN是一个比较好的热导体,大概有200℃左右,利用Flip芯片的封装方式可以把Thermal降到更低。在中可以看到,红色的部分就是LED部分,大概有83℃左右的Junction Temperature,其实比较好的Thermal Solution还可以加上一片薄膜,例如加上一个Heat Sink。
    
       而封装业者就需要增加这样的Solution给系统厂商,然而,对于这片Heat Sink如何去做optimum design,怎么去改变他们的形状、高度、厚度,得到一个最佳的状况?都可以利用软件去做simulation。其实有一个不变的概念就是把Temperature Grading越均匀越好。升降的幅度不要过大,如果没办法很均匀的分散到LED封装结构上去,Grading如果比较大将会造成Junction Temperature比较高。
 

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