HB-LED的效能也许会广受宣扬,但封装却是该市场中值得注意的方面。从晶粒中获得光,让它经过密封剂和透镜,以均匀可靠的颜色照射到应用目标的表面,并保持很长的寿命,这的确是一项挑战。LED制造商通过为这些器件采用创新封装来完成这项任务。HB-LED用户也许并未意识到:四大制造商Cree、Nichia、Osram和Philips Lumileds公司控制着几乎全部HB-LED芯片。虽然中国是数百家LED芯片制造商的所在地,但这些厂商只生产10 mA~70 mA电流的器件,它们最终是被用作指示器,不能用作照明器件。其余的HB-LED厂商多半是微型HB-LED芯片封装商,而这些芯片购自四大制造商。

图1. 制造商一般将SMT封装用于1W至3W和功率更高的HB-LED,这是因为与底部PCB的紧密接触能更快散热(左)。他们一般将通孔封装用于0.5W LED(右)。SMT HB LED包含LED芯片、基底、密封剂和初级透镜。
LED晶粒研发不断追求更多流明,正在促成LED在新市场与新应用中的使用。而同样重要的,是制造商的封装方法。这些方法可提高效率,来满足固态照明、汽车、标牌和医疗等独特应用的需要。如需为自己的应用选择最佳HB-LED,你需要了解它的封装以及它的制造商用于“排列”并精确放置尽可能多的光子的方法。封装会影响光提取、热提取和流明维护率,这些都是LED的重要特征。光提取决定了发射的光线有多少将到达预定应用;热提取会影响LED芯片将经受多少热量,因此影响它的寿命和性能;流明维护率表明LED的寿命。HB-LED封装决定(或至少强烈影响)了上述所有三个特征,而它们又会影响LED的性能、寿命和可靠性。
HB-LED目前没有标准化的封装尺寸。与IC、MOSFET和多数无源部件等其它电子元件不同的是,所有HB-LED制造商都使用独有的封装。对于那些希望为自己的产品准备第二货源的LED设计者而言,这种做法可能让其心烦,但LED封装包含了LED芯片、密封剂、初级光学器件和基底的复杂组合。20 mA~70 mA指示器型LED的封装通过其引线散热。环氧树脂密封剂充当透镜,并为晶粒和引线提供刚性保护结构。与低功率LED相比,HB-LED必须依靠为其封装准备的更强散热能力,并且它们一般采用SMT或通孔封装(图1)。SMT往往用于1W或功率更高的HB-LED,这是因为它直接装在散热片上,而通孔封装一般适合于0.5W~1W的中等HB-LED。
LED芯片在取向附生结构中产生光。理想状况下,所有的孔/电子组合都会带来光子。但材料特征与缺陷会导致某些组合产生的热多于光。下一个难题是从晶粒获得光子,这是因为芯片各层、密封剂和透镜之间在折射率方面有所不同。空气的折射率约为1,而某些晶粒材料的折射率约为1.4。两种材料的折射率差异导致光线在超过特定角度时,会在边界反射回去。在从LED芯片提取光方面,总体内部反射是最大的阻碍。
为了制造白光HB-LED,制造商们用一种磷光体覆盖蓝光LED,该磷光体在受到蓝光照射时,会发出白区的光。以最高效率把蓝光转变成白光的磷光体开发工作是一些LED厂商的IP的一部分,他们从其他厂商购买LED芯片,然后把它们与自己研制的磷光体混合物放入封装中。由于LED芯片的折射率很高,因此封装需要在空气与芯片/磷光体组合之间设置过渡层。该过渡层还充当保护层和透镜。Avago公司光电子产品部固态照明与显示器产品营销经理Kee Yean Ng指出:低功率指示用LED使用环氧树脂密封剂,但环氧树脂在暴露于高热和紫外线照射时往往会变黄。他说:“硅酮目前几乎是通用材料,兼作HB-LED封装的透镜和密封剂。”硅酮既帮助提取光,也帮助保护芯片免受空气和湿气的影响。
一些HB LED是表面发射型,意味着多数光来自晶粒顶面。但是,许多HB-LED,特别是HB-LED封装商采购的那些器件,是边缘发射型,并且封装必须改变光的方向,使它从封装顶部出来。存在几种专有方法来改变边缘发射光的方向。一种方法是表面打毛,它是一种次级制造工艺,可使表面粗糙,来使它对内部光的反射率降低。Lumex公司采用初级光学器件(它们是HB-LED封装的一部分),它们精确地改变光的方向,使其到达顶部(图2)。

图2. Lumex HB SuperBeam LED使用内部初级反光器来把边缘发射光从晶粒反射到封装顶部。
多数不产生光子的电子-孔组合会产生热量,这是LED寿命面临的最大缺陷。LED越热,产生的光越少。另外,所有制造商都在室温制定其LED的规格并做测试,使用测试脉冲代替连续电流,因此LED从不会变热。但实际上,当LED处于接通状态时,LED的结温并不会处于室温。散热性能也会影响LED寿命:结温越高,LED寿命将会越短。温度较低的LED由于发热低而损失的光线较少,具有更高效的光输出,寿命更长。
你可以查看热阻额定值,来比较各种LED的散热性能。额定值越低,结和焊点之间的温差越小。任何LED系统的散热路径都始于焊点,并包括LED的外壳、它所在的PCB,以及它的热界面材料。这些散热设计步骤正是工程师们用于确定电源MOSFET工作点的那些步骤。尽管你无法测量LED芯片的结温,但你可以测量焊点温度,确定经过LED的功率,并用它来计算结温。结温有助于理解流明维护率,即预计LED在其工作温度能保持正常工作状态多长时间。
流明维护率是LED在其工作寿命内能保持初始光输出的时长百分比。LED的主要失效方式不是像白炽灯那样烧坏,而是随时间推移变暗。流明维护率是一个商定的数字,它定义了LED的寿命终止,一般为L70,意思是LED最终发射的光是它刚投入使用时在最大输出所发光线的70%。Energy Star对固态照明的要求也把寿命设为L70。Cree公司产品营销经理Paul Scheidt说:“我们做了许多高温测试,发现HB-LED的首要退化方式在于封装本身。如果你使封装保持低温,则芯片不会随时间退化那么严重,也许只退化2%~3%,与若干年内总共退化30%相比,不算是很大的作用因素。”主要失效方式在于硅酮和塑料等封装内部材料的退化。在不同温度和光强度,两种材料随时间退化的程度不同。
LED的老化、可靠性和寿命问题不是简单问题:高功率LED问世时间不够长,不能提供寿命测试数据。常见的LED寿命数据是5万小时,即将近6年,这比最近推出的高功率LED及其封装问世的时间还长。但是,如果制造商是在不同于实际应用的环境中测量出5万小时寿命,那么知道LED的这个寿命又有多大用处呢?例如,闪光灯也许只需要1千~2千小时寿命。那些不需要5万小时完整寿命的用户想知道如何计算不同工作条件下的寿命数据。Scheidt说:“我们有4个所谓的关键参数:结温、驱动电流、焊点温度、环境温度。知道这些参数,用户就能很好地估算寿命会有多长,而不仅是估计它们是否会达到5万小时。”(作者:Margery Conner, 来源: EDN China) |