浙江省预防医学会五届六次常务理事和五届五...

新型LED显示器件有功耗低、亮度高、寿命长、尺寸小等优点，本文从LED显示器件的发展简史开始，探讨了表面贴装LED、汽车应用中的LED和照明用LED的发展趋势，对于从事显示器件开发的中国工程师有一定参考价值。 全球第一款商用化发光二极管(LED)是在1965年用锗材料作成的，其单价为45美元。随后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用化LED。这些早期的红色LED每瓦大约能提供0.1流明(lumens)的输出光通量，比一般的60至100瓦白炽灯的15流明要低上100倍。 1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。到1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色裸片LED。 1972年开始有少量LED显示屏用于钟表和计算器。全球首款采用LED的手表最初还是在昂贵的珠宝商店出售的，其售价竟然高达2,100美元。几乎与此同时，惠普与德州仪器也推出了带7段红色LED显示屏的计算器。 到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED是那个时代主打的数字与文字显示技术。然而在许多商用设备中，LED显示屏也逐渐受到了来自其它显示技术的激烈竞争，如液晶、等离子体和真空荧光管显示器。 这种竞争性激励LED制造商进一步拓展他们的产品类型，并积极寻求LED具有明显竞争优势的应用领域。此后LED开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯栅和条线图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长，从2位数字到3位甚至4位，从7段数字到能够显示复杂的文字与图案组合的14或16段阵列。到1980年制造商开始提供智能化的点阵LED显示屏。 80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位安装停止灯(CHMSL)设备。1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。 今天，最亮的材料应是透明基底AlInGaP。在1991年至2001年期间，材料技术、裸片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近20倍。 对高强度蓝光LED的不断研发产生了好几代亮度越来越高的器件。在1990年左右推出的基于碳化硅(SiC)裸片材料的LED效率大约是0.04流明/瓦，发出的光强度很少有超过15毫堪(millicandel)的。90年代中期的技术突破实现了第一个基于GaN的实用LED。现在还有许多公司在用不同的基底如蓝宝石和SiC生产GaN LED，这些LED能够发出绿光、蓝光或紫罗兰等颜色。高亮蓝色LED的发明使真彩广告显示屏的实现成为可能，这样的显示屏能够显示真彩、全运动的视频图像。 蓝光LED的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能量的蓝光部分地转换成其它颜色。将蓝光与转换磷的黄光整合在一起就能得到白光，而整合适当数量的蓝光与红橙磷(reddish orange phospher)则可以产生略带桃色或紫色的色彩。现在仅用LED光源就能完全覆盖CIE色度曲线中的所有饱和颜色，并且各种颜色LED与磷的有机整合几乎能够毫无限制地产生任何颜色。 在可靠性方面，LED的半衰期(即光输出量减少到最初值一半的时间)大概是1万到10万小时。相反，小型指示型白炽灯的半衰期(此处的半衰期指的是有一半数量的灯失效的时间)典型值是10万到数千小时不等，具体时间取决于灯的额定工作电流。 表面贴装LED 为了利用自动化组装技术降低制造成本，从20世纪80年代开始业界逐渐推广使用表面贴装器件(SMT)，90年代这一技术得到了进一步强化。最初的SMT LED作为低功率器件被主要用于指示设备和手机键盘的照明，后来又开发出大功率的SMT器件用于汽车面板照明、刹车灯，并扩展用于专业和一般的照明设备。 SMT是蜂窝/PCS电话机的主要技术要求，现在看来这一市场仍具有极大的发展潜力。2001年全球手机的制造量大约有3.8亿部，据预测今年的制造量将上升到4.3亿部，到2005年将达到5.2亿部。一部手机平均要使用10个表贴型LED，也即意味着仅手机市场对LED的需求就达到了40亿个。 手机功能的不断升级也进一步刺激了对更高性能LED的需求。确切说，手机设计人员需要多种多样的LED，包括更高亮度的单色LED器件、真彩LCD显示屏(特别是第2.5代和第3代手机的LCD)背景光源用的白色LED以及实现产品差异化所需的蓝色和紫罗兰色等特殊色LED。同时，由于手机的复杂度越来越高，体积也越来越小，有更多的用户对LED提出了更薄更小外形包装的要求。 特别是越来越多的人希望高性能LED能提供“芯片LED”的表贴封装，即工业标准的1.6×0.8mm外形尺寸。 话机制造商要求对LED的颜色与强度进行分类，以确保背景光源设备能与用户需求取得高度一致。这样做能使LED非常适合用于背景光源设备，即LCD、按键、前面板、符号与键盘背景照明等，因为这些设备上颜色与光强度的和谐统一非常重要。 汽车应用中的LED 在汽车内外，照明设备中用得最多的还是白炽灯，但设计师与汽车制造商正在逐渐采纳LED，开始时LED可能只用于豪华型汽车，但慢慢会过渡到大多数汽车上。LED的最大卖点之一是具有很长的平均无故障工作时间(MTBF)，LED照明器件的使用寿命一般都要超过汽车本身的寿命。 有很多种LED产品，其封装和器件适合仪表板、空调、收音机和电子开关等汽车内部照明设备使用。例如那些SMT器件就非常适合汽车仪表板使用。多用途的3mm和5mm注塑灯仍是汽车内部照明设备和外部照明设备的候选产品，目前这些器件已被广泛应用于中央高位安装停止灯(CHMSL)设备中。 对内部和外部照明设备来说，LED汽车灯装置与白炽灯装置的热设计有很大不同。这是因为白炽灯会产生相当大的热量，而白炽灯泡能承受这样的高温环境。LED灯阵列所产生的热量一般要比白炽灯少，但LED灯的最大内部温度必须保持在推荐的上限范围以内才能保持LED的可靠工作，如果超出LED灯的最高结温，就可能由于环氧材料的膨胀而导致导线粘结剂或被抬高的LED裸片发生突发性故障。在湿度比较高的热循环或加强型热循环环境中，这些故障会显得尤其突出。 LED灯的最大内部结温受限于环氧封装材料的热膨胀特性。与汽车白炽信号灯设计相比，由于存在最大结温的限制，LED汽车信号灯设计必须认真考虑热设计问题。 用于照明的LED 传统LED灯中使用的芯片是0.25×0.25mm大小，而照明用的LED一般都要在1.0× 1.0mm以上。专注于结构化裸片成型的设计工作-台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计能够改善LED的发光效率，从而使芯片发出更多的光。 封装设计方面的革新包括将高传导率的金属块用作基底、倒装芯片设计和裸盘浇铸式引线框等，这些方法都能设计出可高功率、低热阻的器件，而且这些器件能比以前的器件照度更大。 目前一个典型的高光通量LED器件能够产生几流明到数十流明的光通量。更新的设计可以在一个器件中集成更多的LED，或者在单个组装件中安装多个器件，从而使输出的流明数相当于小型白炽灯。例如，一个高功率的12芯片单色LED器件能够输出200流明的光能量，所消耗的功率在10到15瓦之间。 LED已经被广泛应用于各种照明设备中，如电池供电的闪光灯、微型声控灯、安全照明灯、室内室外道路和楼梯照明灯以及建筑物与标记连续照明灯。 本文小结 随着时代的发展，我们将开发更多新的芯片级结构，以获得更好的光能提取以及幅性能。磷材料的开发与磷掺杂工艺的改进有望继续提高磷转换式彩色发光二极管的发光效率。在引线框、PCB和注模技术等基底设计方面的更深入研发有望进一步降低封装和材料的成本，从而降低LED器件每个流明的总体成本。 作者：Chew Tong Fatt 光电子事业部研发中心经理 Agilent技术公司