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LED技术发展趋势与展望

【摘要】:白光LED的电光转换效率目前为20%~25%,在未来10年内肯定将达到50%。此外,这些材料易于根据期望的空间辐射方向并采用普通注塑工艺实现成形。至于采用磷光体的实现方法,趋势是在芯片从晶片上切割下来之前将磷光体沉积于芯片上;另一趋势是将磷光体留在温度更低且转换效率更高的主光学系统中。此外,对于前面讨论的老化问题,另一个倾向是减少甚至移除有机基体,仅使用磷光体的有效无机部分。

总之,电子器件对封装工艺的要求是:不仅需要小型化还要使芯片实现在照明系统中的照明功能,还要求工艺最简单、成本最低且效率最佳。封装工艺的发展与芯片技术的发展、芯片内部设计(横向或垂直结构)以及对电、热和产生的光功率等方面越来越高的性能要求都有关系。

引脚型器件向表面安装有引脚和无引脚器件发展是出于紧凑性的原因。至于普通微电子学中的二维结合,未来的趋势是芯片级封装,器件的尺寸进一步减小且表面更接近芯片的表面。这将导致晶片级聚合性封装(“晶片级封装”)的产生,从而制造出有成本效益的单个器件。“系统级封装(System in Pack-age)”类似于“板上芯片”,将若干芯片或芯片阵列集成于单个器件中;或除了无源和如“驱动器”等有源器件之外,还将芯片或芯片阵列直接安装于母板上。与普通电子学不同,更为复杂的三维封装技术是一个发展方向,三维封装的难点是通过LED的一侧或多侧进行光提取。

与所有功率电子器件一样,对可靠性和效率的要求必须使人们考虑散热问题,不仅需从母板级考虑,还要直接从器件本身考虑。实际上,从器件中提取的光功率直接受散热性能的限制。各种封装工艺普遍采用高热导率的绝缘或导热材料,如氧化铝或铜。可能在不久的将来,目前十分昂贵的散热性能更好的材料,如AlN、碳化纤维或金刚石合成物将得到广泛应用,因为低成本的集中制造工艺和大规模生产或将被采用。白光LED的电光转换效率目前为20%~25%,在未来10年内肯定将达到50%。所以散热现在是并且将来仍将是需在成本和性能间进行折中的挑战性问题。

最后是光提取问题,也是LED的主要设计问题,封装材料和透镜等主光学部分的发展趋势是使用温度稳定性更强的抗紫外线材料和慢抛型环氧树脂及硅酮。此外,这些材料易于根据期望的空间辐射方向并采用普通注塑工艺实现成形。硅酮有着中等的折射率,而且很有可能出现带硅基和无机填料的新配方,它们的折射率很高,可改善光提取。为了抑制吸收和衍射现象,除了高折射率,填料还应具有远小于所考虑波长的纳米级尺寸。至于采用磷光体的实现方法,趋势是在芯片从晶片上切割下来之前将磷光体沉积于芯片上;另一趋势是将磷光体留在温度更低且转换效率更高的主光学系统中。此外,对于前面讨论的老化问题,另一个倾向是减少甚至移除有机基体,仅使用磷光体的有效无机部分。

就照明系统的2级和3级封装而言,LED系统相比于白炽灯荧光灯等其他光源有着相当多的优点。LED的紧凑性提供了许多设计和封装解决方案,形成了大量二维甚至三维结构的照明系统。这些系统的低压驱动偏置为快速动态驱动提供了大量的机会,通过合适的电子甚至传感器控制实现照明的扩展控制。最后,LED制造技术与硅半导体的非常相似,并且可容易地和所有微电子硅部件关联起来,无论它们是有源控制系统、逻辑电路,甚至MEMS或MOEMS传感器。