其实在很早之前,led就已经在背光光源领域中占有一席之地了,但由于受到技术的限制,早期只出现在手机等小屏幕设备上面。直到2004年,SONY公司在CEATEC*上展示了Qualia 005 led背光液晶电视(图1),以此事为标志,led正式开始进军中大尺寸屏幕的LCD背光源领域,CCFL与led的LCD背光源之争由此拉开了序幕。下面我们就主要围绕笔记本电脑及台式LCD屏幕的背光源进行探讨。由于多色led光源高昂的成本,基本只存在于高端专业图像领域,因此不在本文讨论之列。下文中如没有特别说明,led皆指White led(白光型发光二极管)。
能源危机之下的节能之争
很多朋友认为背光源的效率就是光源自身的发光效率,其实这种观点是不完全的。因为我们在综合考量LCD背光模块的效率时,不仅要考虑光源自身的发光效率,还要综合考虑光源驱动电路效率乃至光利用率等因素。
我们先来讨论光源本身的发光效率。现在的含汞(Hg,俗称水银)CCFL发光效率能达到60~70 lm/W(lm,流明,亮度值单位,1 lm=1 cd/m2),无汞氙气放电型CCFL能达到30 lm/W左右,而目前大多数led只能达到25~40 lm/W的级别。
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LED是发光二极体( Light Emitting Diode, LED)的简称,也被称作发光二极体,这种半导体元件一般是作为指示灯、显示板,它不但能够高效率地直接将电能转化为光能,而且拥有最长达数万小时~10 万小时的使用寿命,同时具备不若传统灯泡易碎,并能省电等优点。
但是,无论何种LED都需要针对不同类型设计合理的封装形式,因为只有封装好的才能成为终端产品,才能投入实际应用。
1.为什麼要对LED进行封装?
LED封装的作用是将外引线连接到LED芯片的电极上,不但可以保护LED芯片,而且起到提高发光效率的作用。所以LED封装不仅仅只是完成输出电信号,更重要的是保护管芯正常工作,输出可见光的功能。可见LED封装既有电参数,又有光参数的设计及技术要求,并不是一项简单的工作。
2.LED封装设备
由于LED封装要求较高,因此,无论是直插LED或贴片LED,都必须使用具有高精度的固晶机,因为LED芯片放入封装的位置是否精确,将直接影响整件封装器件发光效率。如果芯片在反射杯内的位置有所偏差,光线不能被完全反射出来,直接影响LED的光亮度。但是,用一部具有先进的PR System(预先图像辨识系统)固晶机,不论引线框架的品质差别,仍然可以将LED芯片精确地焊接于预定位置上。
3.LED封装形式
根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果。LED封装形式多种多样。目前,LED按封装形式分类主要有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED、Flip Chip-LED等
Lamp-LED(垂直LED)
Lamp-LED早期出现的是直插LED,它的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧树脂,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱中让环氧树脂固化后,将LED从模腔中脱离出即成型。由于制造工艺相对简单、成本低,有着较高的市场佔有率。
SMD-LED(表面黏着LED)
贴片LED是贴于线路板表面的,适合SMT加工,可回流焊,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,采用了更轻的PCB板和反射层材料,改进后去掉了直插LED较重的碳钢材料引脚,使显示反射层需要填充的环氧树脂更少,目的是缩小尺寸,降低重量。这样,表面贴装LED可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更加完美。
Side-LED(侧发光LED)
目前,LED封装的另一个重点便侧面发光封装。如果想使用LED当LCD(液晶显示器)的背光光源,那麼LED的侧面发光需与表面发光相同,才能使LCD背光发光均匀。虽然使用导线架的设计,也可以达到侧面发光的目的,但是散热效果不好。不过,Lumileds公司发明反射镜的设计,将表面发光的LED,利用反射镜原理来发成侧光,成功的将高功率LED应用在大尺寸LCD背光模组上。
TOP-LED(顶部发光LED)
顶部发光LED是比较常见的贴片式发光二极体。主要应用于多功能超薄手机和PDA中的背光和状态指示灯。
High-Power-LED(高功率LED)
为了获得高功率、高亮度的LED光源,厂商们在LED芯片及封装设计方面向大功率方向发展。目前,能承受数W功率的LED封装已出现。比如Norlux系列大功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合,底座直径31.75mm,发光区位于其中心部位,直径约(0.375×25.4)mm,可容纳40只LED管芯,铝板同时作为热沉。这种封装采用常规管芯高密度组合封装,发光效率高,热阻低,在大电流下有较高的光输出功率,也是一种有发展前景的LED固体光源。
可见,功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得更加重要。
Flip Chip-LED(覆晶LED)
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最初LED主要被用于指示或察看灯用,而且一般以单颗器件出现,所以对波长的分选和亮度的控制要求并不高。但是把LED作为阵列察看时,由于人眼对于色彩波长和亮度的敏感性,用没有分选过的LED变就会产生不均匀的现象,进而影响人们的视觉效果。LED通常按照主波长、发光强度、光通亮、色温、工作电压、反向击穿电压等几个关键引数进行测试与分选。LED的测试与分选是LED生产过程中的一项必要工序,也是LED芯片生产和封装成本的重要组成部分。
一、LED分选方法
LED的分选有两种方法:一是以芯片为基础的分选,二是对封装好的LED进行分选。
1.芯片的分选
目前,芯片的测试分选有两种方法:一种方法是测试分选由同一台机器完成,它的优点是可靠,但速度很慢,产能低;另一种方法是测试和分选由两台机器完成,测试装置记录下每个芯片的位置和引数,然后把这些资料传递到分选装置上,进行快速分选、这样做的优点是快速,但缺点是可靠性比对低,容易出错,因为在测试与分选两个步骤之间通常还有衬底减薄和芯片分离的工艺,而在这个过程中,外延片有可能碎裂、局部残缺碎裂或局部残缺,使得实际的芯片分散与储存在分选机裡的资料不符,造成分选困难。从根本上解决芯片测试分选瓶颈问题的关键是改善外延片均匀性。
2.LED的分选
封装后的LED可以按照波长、发光强度、发光角度以及工作电压等进行测试分选。其结果是把LED分成很多档(Bin)和类彆,然后测试分选机会自动地根据设定的测试标准把LED分装在不同的Bin盒内。由于人们对于LED的要求越来越高,早期的分选机是32Bin,后来增加到64Bin,现在已有72Bin的商用分选机。即使这样,此类LED技术指标仍然无法满足生产和市场的需求。
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在LED生产过程中,固晶品质的好坏影响着LED成品的品质,其中人为因素、原物料、机台不良、调机方法、制程、环境对固晶品质的影响比较大。
一、原物料对固晶品质的影响主要表现为以下三点:
1. 芯片:主要表现为焊垫污染、芯片破损、芯片切割大小不一、芯片切割倾斜等。
2. 支架:主要表现为Θ尺寸与C尺寸偏差过大,支架变色生銹,支架变形等。
3. 银胶:主要表现为银胶粘度不良,使用期限超过,储存条件和解冻条件与实际标准符等。
二、人为因素对固晶品质的影响主要表现为以下两点:
1. 操作人员违章作业:例如不戴手套,银胶从冰箱取出以后未经解冻便直接上线,以作业人员不按SOP作业,或者对机台操作不熟练等均会影响固晶品质。
2. 维护人员调机不当。
三、机台不良对固晶品质的影响主要表现为以下两点:
1.机台一些零配件或机械结构,所造成的对固晶品质的影响。
2.机台一些认识系统等不良,所造成的对固品质的影响
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表面黏着(SMT) LED使用的贴片红胶各项参数是一项学问,包括化学类别、外观、比重、粘度与触变指数等等,我们特地整理了相关知识,希望大家能够更清楚地了解参数的意义,以下是简单的说明:
化学类别:
一般是指此种胶水的主体成分,有环氧树脂、硅树脂、聚胺酯、聚丙烯酸等等,而且像环氧树脂等又分了很多种。有时有些胶水是介于几种之间的混合体。对于使用者来讲不需要过多了解这些,但对于生产厂商来说很重要!例如:SMT贴片红胶的化学类别一般写成:环氧树脂;不过,也有聚丙烯酸类的SMT贴片红胶。
外观:
指的是胶水的外在表观,一般会说明其色彩以及状态等。例如:SMT贴片红胶外观一般写成:红色膏状物;还有很多其他的胶水的外观写成:黄色液体、灰色膏状物、黑色浆糊状等;外观一般釆取目测的方法,所以同样的胶水不同厂家给出的外观说明可能略有差异。
比重:
比重又称为密度,等于品质跟体积的比值。公式为:密度=品质/体积 即:ρ=m/V;由于品质单位有多种,加之体积的单位也有多种,所以密度的单位也有多种表示方法。当然最常见的是 克/立方公分,也就是克/毫升;或者是千克/立方分米,也就是千克/升。例如SMT贴片红胶密度一般为:1.17@25°C, 也就是1.17克/毫升。一般而言密度是指在25°C,一个标准大气压的条件下测得的。比重与密度的物理概念不同,但俩者在数值上是相同的,所反映的物料性质也是一样的,物料的比重越大,其密度也越大,故比重又叫做相对密度。
黏度:
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