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    虽然LED是电流器件——高亮度LED也不例外,但汽车尾灯、刹车、转向信号照明等应用场合仍能受益于电压驱动器结构。

    当效率更高的LED可供使用时,零售店和住宅的LED室内照明将可能很快出现。LED制造商们只是刚刚开始解决高色温光源问题。

    由于高亮度LED制造工艺、器件设计、组装技术三方面的进展,LED发光器的性能一直在提高,其成本一直在降低,性能提高和成本降低的速度都令人难忘。PN结设计、再辐射磷光体和透镜结构都有助于提高效率,因此也有助于提高可获得的光输出。就高输出白光LED而言,宽光谱性能的提高使人对普通照明用的低维护高能效光源抱有希望。

    虽然实现可与标准荧光灯媲美的LED效率还需要一段时间,但LED灯也是比较环保的产品,因为它与荧光灯不一样,不使用水银。

固态照明在成分和工作效率方面的环保优势目前并不是主要的市场推动因素,但确实使这种技术及其供应商有了良好的形象。

    与此同时,在各种领域工作的OEM设计师和推销人员一直在扩大固态照明的实际应用范围,并一直密切注视着市场的接受程度。然而,最终用户在固体照明设备寿命内的成本利益体验各不相同,这与传统照明设备大相径庭。这个事实使市场的价值观变复杂化。与钨丝灯泡和荧光灯泡相比,高亮度LED的使用成本和维护成本低得多,这就可以抵消LED较高的初始成本。尽管以上论述也许是很吸引人的,但却令其在“价格第一,其它第二”思想倾向支配的消费市场上造成很大的推销难度。

    灯夹具制造商历来在各自设计中不考虑灯泡的热管理,只是提供足够对流来确保钨丝灯的高工作温度不会带来周围材料失火危险或夹具操作者灼伤危险。这一事实使高输出固态照明设备的大批量生产复杂化。然而,如果最终的设计是要使LED的光输出和工作寿命最佳,则高亮度LED的夹具就需要一定的热设计。

    因此,虽然不会很快看到高亮度LED把传统钨丝灯或荧光灯从五金店和家庭中心货架上挤出去,但这些器件正在打入汽车、交通控制、外部标志等市场段,因为在所有这些领域,灯的高效率和长寿命会增加显而易见的价值。

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07

借助全球性的能源短缺和环境污染状况,LED以其节能及环保的特点有着广阔的应用空间,在照明领域中LED发光产品的应用正吸引着世人的目光。一般来说, LED灯工作是否稳定,品质好坏,与灯体本身散热至关重要,目前市场上的高亮度LED灯的散热,常常采用自然散热,效果并不理想。LED光源打造的LED 灯具,由LED、散热结构、驱动器、透镜组成,因此散热也是一个重要的部分,如果LED不能很好散热、它的寿命也会受影响。
1、热量处理是高亮度LED应用中的主要问题
由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高启动能,热量特别容易在p型区域中产生,这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散; LED器件的散热途径主要是热传导和热对流;Sapphire衬底材料极低的热导率导致器件热阻增加,产生严重的自加热效应,对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。

2、热量对高亮度LED的影响
  热量集中在尺寸很小的晶片内,晶片温度升高,引起热应力的非均匀分佈、晶片发光效率和萤光粉激射效率下降;当温度超过一定值时,器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明,元件温度每上升2℃,可靠性下降10%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时,热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。

3、晶片尺寸与散热的关系
  提高功率LED的亮度最直接的方法是增大输入功率,而为了防止有源层的饱和必须相应地增大p-n结的尺寸;增大输入功率必然使结温升高,进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从p-n结导出的能力、在保持现有晶片材料、结构、封装製程、晶片上电流密度不变及等同的散热条件下,单独增加晶片的尺寸, 结区温度将不断上升。

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07

过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代,其封装散热从来就不是问题,但近年来LED的亮度、功率皆积极提升,并开始用于背光与电子照明等应用后,LED的封装散热问题已悄然浮现。

  上述的讲法听来有些让人疑惑,今日不是一直强调LED的亮度突破吗?2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律,从1965年第一个商业化的LED开始算,在这30多年的发展中,LED约每18个月;24个月可提升一倍的亮度,而在往后的10年内,预计亮度可以再提升20倍,而成本将降至现有的1/10,此也是近年来开始盛行的Haitz定律,且被认为是LED界的Moore(摩尔)定律。

依据Haitz定律的推论,亮度达100lm/W(每瓦发出100流明)的LED约在2008年;2010年间出现,不过实际的发展似乎已比定律更超前,2006年6月日亚化学工业(Nichia)已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品,预计年底可正式投入量产。

  Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律,根据Roland Haitz的表示,过去30多年来LED几乎每18;24个月就能提升一倍的发光效率,也因此推估未来的10年(2003年;2013年)将会再成长20倍的亮度,但价格将只有现在的1/10。(图片来源:Lumileds.com)

  不仅亮度不断提升,LED的散热技术也一直在提升,1992年一颗LED的热阻抗(Thermal Resistance)为360℃/W,之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W,而今已是到了每颗6℃/W∼10℃/W的地步,更简单说,以往LED每消耗1瓦的电能,温度就会增加360℃,现在则是相同消耗1瓦电能,温度却只上升6℃;10℃。

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随着发光二极管发光效率的不断提高,发光二极管无疑为近几年来最受重视的光源之一。一方面凭借的其轻、薄、短、小的特性,另一方面藉其封装型式的耐摔、耐震及特殊的发光光形,发光二极管的确给了一般人们一个很不一样的光源选择。然而,目前已经看到led发展的困难包括散热问题,以及发光二极管特殊发光光形的利用等。如何克服,考验各家厂商研发能力。
发光二极管有一个很大的特点,就是具备低电流、低电压驱动的省电特性,而这样的特性在世界能源缺乏及各国针对绿色环保观念的提升同时,尤其吸引大家的注意。目前各国政府除了致力于新型能源的开发外,对既有电器设备效率的提升及环保的研究亦投注相当的心力。而在研发如何降低工业用电量的同时,目前普及率约80%的家电用品耗电量也逐渐受到重视。
在照明发光方面,以能委会估计的结果来看,若使用目前发光效率较高的荧光灯具(66~75lm/W)取代传统使用的60W白炽灯泡,在每年点灯时间为3,500小时的情况下来计算,一年约可节约的电量约6.89亿度(约8.86万kW)。
而荧光灯具虽然有目前较高的发光效率、较低的制造成本等优点,但是因为荧光灯具的灯管中含汞,而用于封装荧光灯具的材料又以可吸收紫外线的玻璃为主,玻璃易碎的特性加上汞废料的不易回收,均会严重地造成环境的污染。因此欧盟已经明令将在2007年开始禁用这些含汞制品,也因此新型照明灯源的开发已经成为各国政府发展的目标,而led(light emitting diode),也就是我们平常说的发光二极管,更是目前各国在照明方面发展的重点。
发光二极管发光原理

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只需要加入简单的、低成本的电子组件,就可以保护贵重的高亮度led。这种热保护设计有助照明系统的设计人员实现更小巧、生产成本更低的解决方案。

    毋庸置疑,发光二极管的耐用及长寿特性能够在不同应用中派上用场,带来显而易见的效益。然而,当高功率的led应用于高光度的操作,散热便成为关键的问题。事实上,输入led的电力只有不足20%转化为光能,其余的80%则转化为热能。这实在是照明系统设计人员需要克服的问题。

    假如照明系统实施欠佳,即使是最完善的导热设计,也难以尽展所长,发挥真正的用途。保持安全的led操作环境、减少热力耗散对led寿命造成影响的责任,便落在用于驱动led的电子组件之上。

    事实上,只要我们看看高光度led制造商提供的组件产品规格,便不难确定需要留意的主要设计参数,并且可以得知在高温下操作对这些器件的负面影响。

led的实际寿命与功率耗散和led结点的温度往往成反比。制造商可显示在Tj80℃温度下运行约一亿小时的平均故障间隔时间(MTBF)。在实用的系统中,led的故障不一定会造成大问题,不过在散热不足、而Tj又升至120℃或以上的系统中,led的寿命便会大幅缩短。在一些极端的情况下,led更会实时出现故障。

   

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