挥之不去的阴霾 拷问LED缺点及成因
编辑：叶子 [ 2010-8-9 9:59:58 ] 文章来源：LED大屏网
LED，就是当今IT界最热门的话题。只要加了LED两个字，产品就会身价倍增。看厂商的宣传，媒体的极力炒作，几乎让LED达到了登峰造极的境界。然而，就没有人对LED这个神圣名词产生过疑问吗？我们对此作了个小专访，希望能对大家有所帮助。
LED前途漫漫
现实中的LED究竟有多火？
可以形容为，火的一塌糊涂。
上海世博会
2008年北京奥运会，2010年上海世博会，让世人认识到LED工程照明的无限商机。
2009年中国照明销售额超过2000亿元，面对半导体市场的良好前景和巨大诱惑，一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战在全球悄然打响。
LED和我们的关系有多近？
LED就在我们身边的各个角落。在民用领域，LED主要应用于以下几大方面：
LED点阵
A、 显示屏、交通讯号显示光源的应用。
应用的是LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等优点。
B、汽车工业上的应用。汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。
利用LED长寿命、响应速度快的优点。
C、LED背光源以高效侧发光的背光源。主要应用在LED背光源电视，LED光源投影机。
利用LED的广色域、薄型、低功耗的优点。
D、LED照明。
利用LED光源节能省电的特点。
LED“玩具”
E、装饰、指示。主要应用在玩具、装饰灯、服饰等。
利用LED体积小、无污染、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性的优点。
LED灯泡
F、家用室内照明。
利用LED省电、无污染、长寿命的优势。
LED是否有缺点？
LED有缺点，简单说，就是售价太高。
LED的优势，已经被各大媒体大肆炒作。甚至连国家的宣传都是，LED只有优点，没有缺点。然而，现今LED普及率依然不高，究其原因，还是售价问题。
LED售价为何会居高不下？
低亮度的LED产品，售价较低。
由于技术和制作工艺所限，高亮度的LED售价很难降低成本。
LED的缺点又可细分为发光效率低、封装成本高、高性能材料售价高，最终导致LED的制造成本高，市场售价自然也高。
不是都说LED节能吗？为啥说LED发光效率低？
节能，即指光效能高，热量低。然而，所谓节能的LED，主要表现在，低亮度的LED产品上，高亮度的LED并不节能。现今应用LED产品主要采用多个，点阵等方式，而且应用的都是低亮度的LED产品。
LED点阵
由于LED本身的发光效率比较低，大约有70%的输入功率要转化为热能。这是lW功率LED光效随输入电流的变化趋势图，我们得知LED随着电流的升高，光效能逐渐下降，其中白光下降最明显。伴随光效能的下降，随之就会产生大量的热能。
lW功率LED光效随输入电流的变化趋势图
说LED发光效率低，主要指高亮度LED，在现实中，高亮度的LED，才更具有使用价值。例如，LED光源投影机，需要单体高亮度LED产品。现阶段，高亮度的、成熟的LED投影机产品较少，而且售价都不菲，采用的是特殊的高端材质，用高成本实现了高亮度，在民用市场失去了实用价值。
难道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售价都不菲，现阶段几乎就没有性价比而言。要想了解LED，就要从其结构说起。
半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
LED，英文全称Light Emitting Diode，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
各式各样的LED
我们常见的LED，有草帽形，椭圆形，平头形，贴片式等。发光二极管的文字符号为“VD”，图形符号是在普通二极管符号旁增加两个向外的小箭头，三角表示正极，短杠表示负极。发光二极管也是多种多样：
1，从光色上分有发红、绿，黄等多种颜色可见光的以及发红外光的；
2，从形状上分有圆柱形、方形以及各种特殊形状的；
3，从体积上分有大、中、小等多种规格。
LED工作原理
发光二极管的工作原理是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。
LED材料特性分析
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在*近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即
λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
又是材料问题，LED实现高亮度真就这么困难吗？
LED，实现高亮度确实有一定技术难度。
LED有极限参数：
（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
不改变材质的前提下，在LED的极限范围内，提高亮度的手段就是提高电流，随着电流升高，LED发热量会剧增。使用过LED光源便携投影机的，或微投的朋友，一定都深有体会，LED光源的投影机，非常热，而且普遍会有明显的噪音。这些产品，机身小是一方面，关键还是其自身发热量较大所致。
高热的微投产品
如果这些热不能很好地散发出去，LED的结温就会升高，于是LED的寿命就会随之降低。所以延长LED寿命的根本办法就是改进其散热。改进散热要从LED本身做起。
两种贴片式发光二极管的散热示意图
这款3014，就是靠增加底板金属面积二改善了散热，使其热阻降低到只有51°C/W.。只要散热器做得足够好，可以保证接脚温度在60°C以下，那么其寿命可以达到5万小时以上。
1W功率LED热阻随环境温度变化趋势图
经多家大学专业机构的测试，随着功率的增加，LED的散热问题显得越来越突出，大量实际应用表明，LED不能加大输入功率的基本原因，是由于LED在工作过程中会放出大量的热，使管芯结温迅速上升，热阻变大。输入功率越高，发热效应越大。温度的升高将导致器件性能变化与衰减，非辐射复合增加，器件的漏电流增加，半导体材料缺陷增长，金属电极电迁移，封装用环氧树脂黄化等等，严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此，对于LED器件，降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。
注：以上材料，参考了几位硕士、博士的论文内容。
LED实现高亮度，还有那些困难？
制造高亮度LED，使用新材质是一个重要的难题。
LED材料发展
我们可以查看一下，近20年来，LED材料发展史：
1991年，日亚公司研制成功同质结GaN基蓝光LED，峰值波长430nm，光谱半宽55rim，其光输出功率为当时市场上SiC LED的10倍，外量子效率约为0．18％。
1995年，日亚公司，又研制成功InGaN／AIGaN双异质结的烛光级超高亮度蓝色LED，在20mA的正向电流下，输出功率为1．5mW，外量子效率为2．7％，波长和半宽分别为450nm和70rim。
1997年，Schlotter等人和Nakamura等人先后发明了用蓝光管芯加黄光荧光粉封装成白光LED。
2001年，Kafmann等人，用UV LED激发三基色荧光粉得到白光LED。过去的几年中，白光LED引起了LED产业界和学术界的广泛重视。
2006年，Cree公司，宣布推出一款新的冷白光LED—“XP．G”，发光效率和亮度都创下新的记录，其在驱动电流为350mA时，光通量达1391m，光效为1321m／W，亮度和光效分别比Cree最亮的XR．E LED提高37％和53％，被称之为“业界最亮且具有最高效率的照明级LEDt211”。
2007年，日亚公司，发布了其新型LED，该实验型产品在顺向电流为350mA的条件下，光通量可达1451m，发光效率约为1341m／W，芯片的大小为lmm2，色温为4988K(在Ir=20mA的情况下，发光效率更高达169 lm／W)。近两年，日亚公司生产的GaN基LED，无论是蓝光、紫光、紫外还是白光LED均为国际上最高水平，其中460nm的蓝光LED的外量子效率可以达到34．9％。
2007年，美国的Cree公司，在SiC衬底上生长双异质结，制作的器件同样很出色，SiC衬底可以把Gabl基LED的金属电极制造在衬底的底部，电流能够通过低阻导电衬底的垂直流动，也为发展其它光电子器件奠定了基础。此公司在SiC上生长GaN基LED无论是小尺寸芯片蓝光LED和紫光LED还是大尺寸蓝光LED和紫光LED均属国际顶级水平。
高端LED电筒
看过之后我们会发现，近几年，还是美国Gree公司和日本日亚公司在继续深入研究，并取得了一定成果。但，LED的材料和工艺，并没有技术性的突破。虽然有很多机构在研究，只有少数公司成功了，LED的技术难度可想而知。
LED结构不是很简单吗？为啥还说，封装技术成本高呢？
理论上简单的东西，往往技术上最难突破。现有LED封装存在缺陷，也是一个影响售价的关键因素，在某些应用领域，甚至决定了产品成本。
各式LED
由于LED本身不具有抗湿气、防氧化、防短路、保护芯片等保护作用，因此需经过不同型式的组装打线、胶体封装等制程。
目前主要的发光二极管，依其后段封装结构与工艺的不同，分为下列几类：
第一种，LED灯【LED LEMP】型式。
将发光二极管芯片先行固定于具接脚之支架上，再打线胶体封装，将LED灯的接脚插设焊固于预设电路的电路基板上，完成最终的LED灯的光源制作。
第二种，表面粘贴式的LED【SMD LED】。
将芯片先行固定到细小基板上，再进行打线的动作，接着进行胶体封装，最后再将该封装后的LED焊在印刷电路板上，并最终完成制作。
第三种，覆晶式LED。
完成芯片制作后，将芯片覆设于覆晶转接板上，并利用金球、银球、锡球等焊接方式，以高周波方式焊接，然后做成LAMP或SMD进行胶体封装，最后再将成品焊在印刷电路板上，然后进行最后制作。
第四种，另一种覆晶式LED。
利用金球、银球、锡球等焊接制作，以高周波方式将芯片焊设于覆晶转接板后封成LAMP或SMD、高功率LED，再进一步焊设于印刷电路板上，进行最后制作成光源结构。
第五种，CHIP ON BORD。
将芯片固设于印刷电路板上，再进行打线的动作，接着进行胶体封装，直至最后完成。
以上五种方式，其共同缺点是工序多，封装繁琐，设备昴贵，封装后的LED散热效果不佳；而且其成品，LED照度会因封装材料受热产生变质及其它种种原因阻挡而减低。
其中与高周波机有关的工序和技术，主要在国外，或在台湾省进行。高周波机用到的高周波与超声波是不同的两个概念，高周波是指频率大于100Khz的电磁波，超声波是指频率超过20千赫兹的声波。高周波的焊接原理、熔接原理与超声波也是不一样的，高周波是利用高频电磁场使物料内部分子间互相激烈碰撞产生高温达到焊接和熔接的目的，而超声波是利用摩擦生热的原理产生大量的热量达到焊接和熔接的目的。
LED目前的封装制程材料、胶（环氧树脂或硅胶）、支架、芯片、金（铝）线而有以下缺失及待克服问题：
1， 成本高。
2， 散热不佳。
3， 因散热不良而导改LED寿命减低。
4， 封胶不仅造成热的蓄积及胶的黄化造成光衰。
5， 因接线与支架封胶之良率及应力造成稳定度及可靠度的降低。
6， LED在加工过程，只能在280℃，5秒以内完成。
7， 不耐冷热冲击。
LED亮度要再突破，必须在磊晶芯片的内部及外部，进一步提升量子效率，并减少封装后亮度的衰减，属于磊晶及晶粒工艺有待加强改善。
难道LED的售价问题，就很难改善吗？
综上所述，我们可以总结为，现在所流传的LED的诸多优点，真实存在，但是仅限于低亮度的LED产品。低亮度的LED要靠数量取胜，而高亮LED才是未来的发展趋势，现在大力宣传低亮度LED的优势有以点盖面、以偏概全的炒作嫌疑。
我们可以这样认为，LED最大的缺点还是价格太高，高亮LED尚处在有价无市的层面上。
三色LED
按照Haitz定律，LED的价格每十年将降低十倍。若没有新的替代产品出现，我们还是有希望，看见高亮度LED繁荣的那一天。
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