طول العمر LED للضوء الأبيض ، تقنية عالية الطاقة ومنخفضة استهلاك الطاقة
في الماضي ، من أجل تحقيق ربح كامل للشعاع ، طورت الصناعة حجمًا كبيرًا وحاولت تحقيق الهدف المنشود بهذه الطريقة ، ولكن في الواقع ، عندما تستمر الطاقة المطبقة من LED الأبيض في تجاوز 1W ، ستنخفض الحزمة ، وستنخفض كفاءة الإضاءة نسبيًا بنسبة 20 ~ 30 في المائة. بمعنى آخر ، إذا كان سطوع مصابيح LED البيضاء أكبر بعدة مرات من سطوع مصابيح LED التقليدية وكانت خصائص استهلاك الطاقة تفوق تلك الخاصة بمصابيح الفلورسنت ، فيجب التغلب على المشكلات الرئيسية الأربعة التالية أولاً: أ. قمع ارتفاع درجة الحرارة. ب. ضمان عمر الخدمة ؛ ج. تحسين كفاءة الإضاءة د. معادلة الخصائص المضيئة.
تتمثل الطريقة المحددة لمشكلة ارتفاع درجة الحرارة في تقليل المعاوقة الحرارية للحزمة ؛ تتمثل الطريقة المحددة للحفاظ على عمر خدمة LED في تحسين شكل الشريحة واستخدام شريحة صغيرة ؛ تتمثل الطريقة المحددة لتحسين كفاءة الإضاءة في LED في تحسين هيكل الرقاقة واستخدام شريحة صغيرة ؛ بالنسبة لخصائص الإضاءة المنتظمة ، تتمثل الطريقة المحددة في تحسين طريقة تغليف LED. من المعتقد بشكل عام أنه من المتوقع أن تتبنى مصابيح LED البيضاء التدابير المذكورة أعلاه في 2005 ~ 2006.
إن تطوير Jingwei لزيادة الطاقة سوف يتسبب في انخفاض المقاومة الحرارية للحزمة بشكل حاد إلى أقل من 10K / W. لذلك ، طورت الشركات الأجنبية مصابيح LED بيضاء مقاومة للحرارة العالية لمحاولة تحسين المشاكل المذكورة أعلاه. ومع ذلك ، فإن القيمة الحرارية الفعلية أعلى بعشرات المرات من تلك الخاصة بمصابيح LED منخفضة الطاقة. ما ورد أعلاه ، وارتفاع درجة الحرارة سيقلل أيضًا بشكل كبير من كفاءة الإضاءة. حتى إذا كانت تقنية التغليف تسمح بالحرارة العالية ، فإن درجة حرارة الترابط لشريحة LED قد تتجاوز القيمة المسموح بها. أخيرًا ، أدركت الصناعة أخيرًا أن حل مشكلة تبديد الحرارة للتغليف هو الحل الأساسي.
فيما يتعلق بعمر خدمة مصابيح LED ، على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استخدام مواد مانعة للتسرب من السيليكون ومواد تغليف السيراميك إلى زيادة عمر خدمة مصابيح LED بنسبة 10 بالمائة ، خاصة الطيف المضيء لمصابيح LED البيضاء التي تحتوي على ضوء قصير الموجة بأطوال موجية أقل من 450 نانومتر ، إيبوكسي تقليدي مواد مانعة للتسرب من الراتينج من السهل جدًا أن تتلف بسبب الضوء قصير الموجة. تعمل كمية الضوء الكبيرة من مصابيح LED البيضاء عالية الطاقة على تسريع تدهور مواد الختم. وفقًا لنتائج اختبار الصناعة ، تم تقليل سطوع مصابيح LED البيضاء عالية الطاقة بأكثر من النصف لمدة تقل عن 10 ، 000 ساعات من الإضاءة المستمرة ، والتي لا يمكن أن ترضي مصدر الضوء. المتطلبات الأساسية لحياة طويلة.
فيما يتعلق بكفاءة الإضاءة لمصابيح LED ، يمكن أن يصل تحسين هيكل الرقاقة وهيكل التغليف إلى نفس مستوى مصابيح LED البيضاء منخفضة الطاقة. السبب الرئيسي هو أنه عندما تزداد كثافة التيار بأكثر من مرتين ، فإنه ليس من الصعب فقط استخراج الضوء من الرقائق الكبيرة ، بل سيؤدي إلى كفاءة الإضاءة. إنها ليست جيدة مثل معضلة المصابيح البيضاء منخفضة الطاقة. إذا تم تحسين هيكل القطب الكهربائي للرقاقة ، فيمكن نظريًا حل مشكلة استخراج الضوء المذكورة أعلاه.
فيما يتعلق بتوحيد الخصائص المضيئة ، يُعتقد عمومًا أنه طالما تم تحسين توحيد تركيز مادة الفوسفور لمصباح LED الأبيض ، يجب أن تكون تقنية تصنيع الفوسفور قادرة على التغلب على المشكلات المذكورة أعلاه.
كما ذكر أعلاه ، أثناء زيادة الطاقة المطبقة ، من الضروري محاولة تقليل المقاومة الحرارية وتحسين مشكلة تبديد الحرارة. المحتويات المحددة هي:
①Reduce المقاومة الحرارية من رقاقة إلى حزمة
② قم بإخماد المقاومة الحرارية من العبوة إلى الدائرة المطبوعة
③ تحسين نعومة تبديد الحرارة للرقاقة
من أجل تقليل المقاومة الحرارية ، يضع العديد من مصنعي LED الأجانب شرائح LED على سطح أحواض الحرارة المصنوعة من مواد النحاس والسيراميك ، ثم يستخدمون طرق اللحام لتوصيل أسلاك تبديد الحرارة على لوحة الدوائر المطبوعة باستخدام مراوح التبريد. على زعانف التبريد مع التبريد بالهواء القسري ، وفقًا للنتائج التجريبية لشركة OSRAM Opto Semiconductors GmbH في ألمانيا ، يمكن تقليل المقاومة الحرارية من شريحة LED إلى مفصل اللحام في الهيكل أعلاه بمقدار 9K / W ، أي حوالي 1 / 6 من LED التقليدي ، ويتم تطبيق LED المعبأ 2W عندما تكون الطاقة عالية ، تكون درجة حرارة الترابط لشريحة LED أعلى بـ 18 كيلو من مفصل اللحام. حتى لو ارتفعت درجة حرارة لوحة الدوائر المطبوعة إلى 500 درجة مئوية ، فإن درجة حرارة الترابط تكون فقط حوالي 700 درجة مئوية على الأكثر. في المقابل ، بمجرد تقليل المعاوقة الحرارية ، ستكون درجة حرارة الترابط لشريحة LED أعلى. تتأثر درجة حرارة لوحة الدوائر المطبوعة ، فمن الضروري محاولة تقليل درجة حرارة شريحة LED ، بمعنى آخر ، تقليل المقاومة الحرارية من شريحة LED إلى مفصل اللحام ، مما يمكن أن يقلل بشكل فعال من عبء تبريد رقاقة LED. على العكس من ذلك ، حتى إذا كان لمصباح LED الأبيض هيكل يثبط المقاومة الحرارية ، إذا تعذر إجراء الحرارة من العبوة إلى لوحة الدوائر المطبوعة ، فإن الكفاءة المضيئة لمصباح LED ستنخفض بشكل حاد نتيجة للزيادة في درجة حرارة قاد. تقوم الشركة بتغليف الصمام الأزرق المربع 1 مم على الركيزة الخزفية على شكل رقاقة قلب ، ثم تلصق الركيزة الخزفية على سطح لوحة الدوائر المطبوعة النحاسية. وفقًا لـ Panasonic ، تبلغ المعاوقة الحرارية للوحدة بأكملها بما في ذلك لوحة الدوائر المطبوعة حوالي 15K / W. حول.
نظرًا لأن الالتصاق بين زعنفة تبديد الحرارة ولوحة الدائرة المطبوعة يؤثر بشكل مباشر على تأثير التوصيل الحراري ، فإن تصميم لوحة الدوائر المطبوعة يصبح معقدًا للغاية. في ضوء ذلك ، قامت الشركات المصنعة لمعدات الإضاءة وتغليف LED مثل Lumi في الولايات المتحدة و CITIZEN في اليابان بتطوير مصابيح LED عالية الطاقة بشكل متتابع. باستخدام تقنية تبديد الحرارة البسيطة ، يمكن لحزمة LED البيضاء التي بدأت CITIZEN في أخذ عينات منها في عام 2004 تفريغ حرارة زعانف تبديد الحرارة بسماكة حوالي 2 ~ 3 مم إلى الخارج بدون تقنية ربط خاصة. وفقًا للشركة ، على الرغم من ارتباط رقائق LED ، فإن المعاوقة الحرارية البالغة 30K / W من النقطة إلى زعنفة التبريد أكبر من 9K / W لـ OSRAM ، وستزيد درجة حرارة الغرفة من المقاومة الحرارية بحوالي 1W في الوضع الطبيعي البيئة ، ولكن حتى إذا كانت لوحة الدوائر المطبوعة التقليدية لا تحتوي على مروحة تبريد لتبريد الهواء القسري ، يمكن أيضًا استخدام الضوء الأبيض للإضاءة المستمرة.
شريحة LED عالية الطاقة التي بدأ Lumileds في أخذ عينات منها في عام 2005 تتميز بدرجة حرارة ربط أعلى تبلغ 1850 درجة مئوية ، وهي أعلى بـ 600 درجة مئوية من منتجات الشركات الأخرى في نفس المستوى. عند استخدام حزمة لوحة الدوائر المطبوعة التقليدية RF4 ، يمكن إدخال درجة الحرارة المحيطة في نطاق 400 درجة مئوية أي ما يعادل 1.5 واط من تيار الطاقة (حوالي 400 مللي أمبير).
كما ذكرنا سابقًا ، اعتمد Lumileds و CITIZEN على زيادة درجة الحرارة المسموح بها للتقاطع ، في حين أن OSRAM الألمانية قد وضعت شريحة LED على سطح زعنفة تبديد الحرارة لتحقيق مقاومة حرارية منخفضة للغاية بسجل 9K / W ، والذي أعلى من المعاوقة الحرارية لتطوير أوسرام السابق لمنتجات مماثلة. 40٪ تخفيض. من الجدير بالذكر أن وحدة LED يتم تعبئتها باستخدام نفس طريقة رقاقة الوجه مثل الطريقة التقليدية ، ولكن عندما يتم ربط وحدة LED بالزعنفة الحرارية ، يتم اختيار الطبقة الباعثة للضوء الأقرب إلى رقاقة LED كسطح الترابط ، من أجل جعل الضوء ينبعث ، يمكن تبديد حرارة الطبقة بالتوصيل على أقصر مسافة.
في عام 2003 ، قامت شركة Toshiba Lighting Co.، Ltd. بوضع مصباح LED أبيض بكفاءة إنارة 60lm / W مقاومة حرارية منخفضة على سطح سبائك الألومنيوم بمساحة 400 مم مربع ، بدون مكونات خاصة لتبديد الحرارة مثل مراوح التبريد ، وحاولت صنع وحدة LED مع شعاع 300 لومن. نظرًا لأن شركة Toshiba Lighting Co.، Ltd. تتمتع بخبرة غنية في الإنتاج التجريبي ، قالت الشركة إنه نظرًا للتقدم في تقنية تحليل المحاكاة ، يمكن استخدام مصابيح LED البيضاء التي تتجاوز 60lm / W بعد عام 2006 بسهولة ، ويمكن أن تكون الموصلية الحرارية للإطار محسّن ، أو يمكن تصميم معدات الإضاءة بتبريد الهواء القسري بواسطة مراوح التبريد. يمكن أيضًا أن يستخدم هيكل الوحدة التي لا تتطلب تقنية تبريد خاصة مصابيح LED بيضاء.
فيما يتعلق بطول عمر مصابيح LED ، فإن الإجراءات المضادة الحالية التي يتخذها مصنعو LED هي تغيير مادة الختم ، وفي نفس الوقت تشتيت مادة الفلورسنت في مادة الختم ، وخاصة مادة السليكون مانعة للتسرب أفضل من مادة مانعة للتسرب راتنجات الايبوكسي فوق التقليدية رقائق LED زرقاء وقريبة من الأشعة فوق البنفسجية. إنه أكثر فعالية لقمع سرعة تدهور المواد وتقليل نفاذية الضوء.
نظرًا لأن النسبة المئوية لراتنجات الإيبوكسي التي تمتص الضوء بطول موجي من 400 ~ 450 نانومتر تصل إلى 45 بالمائة ، فإن مادة السليكون المانعة للتسرب أقل من 1 بالمائة ، ووقت خفض سطوع راتنجات الإيبوكسي إلى النصف أقل من 10 ، {{ 5}} ساعة ، ويمكن تمديد مادة السليكون المانعة للتسرب إلى حوالي 40 ساعة ، 000 ساعة ، وهي تقريبًا نفس العمر الافتراضي لتصميم معدات الإضاءة ، مما يعني أن مصابيح LED البيضاء لا تحتاج إلى الاستبدال أثناء استخدام معدات الإضاءة. ومع ذلك ، فإن راتينج السيليكون مادة مرنة وناعمة للغاية ، ويجب استخدام تقنية تصنيع لا تخدش سطح راتينج السيليكون أثناء المعالجة. بالإضافة إلى ذلك ، راتينج السيليكون يتم توصيله بسهولة بالغبار أثناء العملية. لذلك ، من الضروري تطوير تقنيات يمكنها تحسين خصائص السطح في المستقبل.
على الرغم من أن مادة السليكون المانعة للتسرب يمكن أن تضمن عمر خدمة مصابيح LED لمدة 40 ساعة 000 ، إلا أن صناعة معدات الإضاءة لها وجهات نظر مختلفة. النقاش الرئيسي هو أن العمر الافتراضي للمصابيح المتوهجة التقليدية ومصابيح الفلورسنت يتم تعريفها على أنها "تنخفض السطوع إلى 30 بالمائة أو أقل". إذا كان وقت النصف لمصابيح LED هو 40 ، 000 ساعة ، وإذا تم تقليل السطوع إلى أقل من 30 بالمائة ، فلا يتبقى سوى حوالي 20 ، 000 ساعة. يوجد حاليًا إجراءان مضادان لإطالة عمر خدمة المكونات ، وهما:
1. قمع ارتفاع درجة الحرارة الإجمالية لمصابيح LED البيضاء ؛
2. توقف عن استخدام تغليف الراتنج.
من المعتقد عمومًا أنه إذا تم تنفيذ المقياسين المذكورين أعلاه بشكل كامل ، فيمكن تحقيق متطلبات السطوع بنسبة 30 بالمائة لمدة 40 ساعة 000. لقمع ارتفاع درجة حرارة مصابيح LED البيضاء ، يمكن استخدام طريقة تبريد لوحة الدوائر المطبوعة لتغليف LED. السبب الرئيسي هو أن راتينج العبوة سوف يتدهور بسرعة في ظل حالة درجة الحرارة المرتفعة والإشعاع الضوئي القوي. وفقًا لقانون أرهينيوس ، سيتم إطالة العمر الافتراضي مرتين إذا انخفضت درجة الحرارة بمقدار 100 درجة مئوية.
يمكن أن يؤدي إيقاف استخدام تغليف الراتينج إلى القضاء تمامًا على عامل التدهور ، لأن الضوء الناتج عن LED ينعكس في راتنج التغليف. إذا كنت تستخدم عاكسًا من الراتينج يمكنه تغيير اتجاه الضوء على جانب الرقاقة ، فسوف يمتص العاكس الضوء ، وبالتالي فإن كمية الضوء الخارجة ستكون حادة. هذا هو السبب الرئيسي الذي يجعل مصنعي LED يستخدمون باستمرار مواد التغليف المصنوعة من السيراميك والمعدن.
هناك طريقتان لتحسين كفاءة الإضاءة لرقائق LED البيضاء. الأول هو استخدام شريحة LED كبيرة بمساحة 10 مرات أكبر من مساحة الشريحة الصغيرة (حوالي 1 مم 2) ؛ وحدة واحدة. على الرغم من أن شريحة LED الكبيرة يمكن أن تحصل على شعاع كبير ، فإن زيادة مساحة الشريحة سيكون لها عيوب ، مثل الحدود الكهربائية غير المتساوية للطبقة الباعثة للضوء في الشريحة ، والأجزاء المحدودة التي ينبعث منها الضوء ، والتوهين الخطير للضوء المتولد داخل الشريحة عندما يشع إلى الخارج. استجابةً للمشكلات المذكورة أعلاه ، حقق مصنعو LED كفاءة إنارة تبلغ 50lm / W من خلال تحسين هيكل القطب ، واعتماد طريقة تغليف رقاقة الوجه ، ودمج مهارات معالجة سطح الرقاقة.
فيما يتعلق بالمساواة الكهربائية للرقاقة بأكملها ، منذ ظهور أقطاب من النوع p على شكل مشط وشبك (شبكة) قبل عامين أو ثلاثة أعوام ، استمر عدد الشركات المصنعة التي تستخدم هذه الطريقة في الزيادة ، كما أن الأقطاب الكهربائية أصبحت كذلك التطوير في اتجاه التحسين.
فيما يتعلق بطريقة تغليف رقاقة الوجه ، نظرًا لأن الطبقة الباعثة للضوء قريبة من نهاية العبوة ، فمن السهل أن تنبعث منها الحرارة ، وينبعث الضوء من الطبقة الباعثة للضوء إلى الخارج دون عناء أن تكون محمية بواسطة الأقطاب الكهربائية. لذلك ، اعتمدت شركتا Lumileds الأمريكية و Japan Toyoda Gosei رسميًا طريقة تغليف رقائق البطاطس. في عام 2005 ، حذت أيضًا شركة ماتسوشيتا إلكتريك ، وشركة ماتسوشيتا للكهرباء ، وتوشيبا ، التي بدأت الإنتاج الضخم لمصابيح LED واسعة النطاق. Nichia ، التي استخدمت عبوات ربط الأسلاك في الماضي ، ومصابيح LED الخاصة بالعميل 50lm / W التي تم إصدارها في عام 2004 استخدمت أيضًا عبوات رقائق الوجه.
فيما يتعلق بمعالجة سطح الشريحة ، يمكن أن يمنع الضوء من الانعكاس من داخل الشريحة إلى خارج الشريحة من الانعكاس على الواجهة. وفقًا لمصنِّع LED ياباني ، عند تغليف رقاقة الوجه ، إذا تم وضع هيكل مقعر محدب على الركيزة من الياقوت في جزء استخراج الضوء ، فلن يحدث استخراج الجزء الخارجي من الشريحة. يمكن زيادة الشعاع بنسبة 30 بالمائة.
