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LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢<一>

 sankari 2011-11-25
高熱傳導(dǎo)撓曲基板在絕緣層黏貼金屬箔,雖然基本結(jié)構(gòu)則與傳統(tǒng)撓曲基板完全相同,不過絕緣層采用軟質(zhì)環(huán)氧樹脂充填高熱傳導(dǎo)性無機填充物的材料,具有與硬質(zhì)金屬系封裝基板同等級8W/mK的熱傳導(dǎo)性,同時兼具柔軟可撓曲、高熱傳導(dǎo)特性與高可靠性。此外可撓曲基板還可以依照客戶需求,將單面單層面板設(shè)計成單面雙層、雙面雙層結(jié)構(gòu)。

  高熱傳導(dǎo)撓曲基板的主要特征是可以設(shè)置高發(fā)熱元件,并作三次元組裝,亦即可以發(fā)揮自由彎曲特性,進而獲得高組裝空間利用率。

  根據(jù)實驗結(jié)果顯示使用高熱傳導(dǎo)撓曲基板時,LED的溫度約降低100C,此意味溫度造成LED使用壽命的降低可望獲得改善。事實上除了高功率LED之外,高熱傳導(dǎo)撓曲基板還可以設(shè)置其它高功率半導(dǎo)體元件,適用于局促空間或是高密度封裝等要求高散熱等領(lǐng)域。

  有關(guān)類似照明用LED模塊的散熱特性,單靠封裝基板往往無法滿足實際需求,因此基板周邊材料的配合變得非常重要,例如配合3W/mK的熱傳導(dǎo)性膜片,可以有效提高LED模塊的散熱性與組裝作業(yè)性。

 ?。?,陶瓷封裝基板對熱歪斜非常有利

  如上所述白光LED的發(fā)熱隨著投入電力強度的增加持續(xù)上升,LED芯片的溫升會造成光輸出降低,因此LED封裝結(jié)構(gòu)與使用材料的檢討非常重要。以往LED使用低熱傳導(dǎo)率樹脂封裝,被視為影響散熱特性的原因之一,因此最近幾年逐漸改用高熱傳導(dǎo)陶瓷,或是設(shè)有金屬板的樹脂封裝結(jié)構(gòu)。LED芯片高功率化常用方式分別包括了:LED芯片大型化、改善LED芯片發(fā)光效率、采用高取光效率封裝,以及大電流化等等。

   雖然提高電流發(fā)光量會呈比例增加,不過LED芯片的發(fā)熱量也會隨著上升。因為在高輸入領(lǐng)域放射照度呈現(xiàn)飽和與衰減現(xiàn)象,這種現(xiàn)象主要是LED芯片發(fā)熱所造成,因此LED芯片高功率化時,首先必須解決散熱問題。

  LED的封裝除了保護內(nèi)部LED芯片之外,還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。LED封裝要求LED芯片產(chǎn)生的光線可以高效率取至外部,因此封裝必須具備高強度、高絕緣性、高熱傳導(dǎo)性與高反射性,令人感到意外的是陶瓷幾乎網(wǎng)羅上述所有特性,此外陶瓷耐熱性與耐光線劣化性也比樹脂優(yōu)秀。

 ?。?,傳統(tǒng)高散熱封裝是將LED芯片設(shè)置在基板上

  屬基板上周圍再包覆樹脂,然而這種封裝方式的金屬熱膨脹系數(shù)與LED芯片差異相當(dāng)大,當(dāng)溫度變化非常大或是封裝作業(yè)不當(dāng)時極易產(chǎn)生熱歪斜,進而引發(fā)芯片瑕疵或是發(fā)光效率降低。

  未來LED芯片面臨大型化發(fā)展時,熱歪斜問題勢必變成無法忽視的困擾,針對上述問題,具備接近LED芯片的熱膨脹系數(shù)的陶瓷,可說是對熱歪斜對策非常有利的材料。

  高熱傳導(dǎo)撓曲基板在絕緣層黏貼金屬箔,雖然基本結(jié)構(gòu)則與傳統(tǒng)撓曲基板完全相同,不過絕緣層采用軟質(zhì)環(huán)氧樹脂充填高熱傳導(dǎo)性無機填充物的材料,具有與硬質(zhì)金屬系封裝基板同等級8W/mK的熱傳導(dǎo)性,同時兼具柔軟可撓曲、高熱傳導(dǎo)特性與高可靠性。此外可撓曲基板還可以依照客戶需求,將單面單層面板設(shè)計成單面雙層、雙面雙層結(jié)構(gòu)。

  高熱傳導(dǎo)撓曲基板的主要特征是可以設(shè)置高發(fā)熱元件,并作三次元組裝,亦即可以發(fā)揮自由彎曲特性,進而獲得高組裝空間利用率。

  根據(jù)實驗結(jié)果顯示使用高熱傳導(dǎo)撓曲基板時,LED的溫度約降低100C,此意味溫度造成LED使用壽命的降低可望獲得改善。事實上除了高功率LED之外,高熱傳導(dǎo)撓曲基板還可以設(shè)置其它高功率半導(dǎo)體元件,適用于局促空間或是高密度封裝等要求高散熱等領(lǐng)域。

  有關(guān)類似照明用LED模塊的散熱特性,單靠封裝基板往往無法滿足實際需求,因此基板周邊材料的配合變得非常重要,例如配合3W/mK的熱傳導(dǎo)性膜片,可以有效提高LED模塊的散熱性與組裝作業(yè)性。

  3,陶瓷封裝基板對熱歪斜非常有利

  如上所述白光LED的發(fā)熱隨著投入電力強度的增加持續(xù)上升,LED芯片的溫升會造成光輸出降低,因此LED封裝結(jié)構(gòu)與使用材料的檢討非常重要。以往LED使用低熱傳導(dǎo)率樹脂封裝,被視為影響散熱特性的原因之一,因此最近幾年逐漸改用高熱傳導(dǎo)陶瓷,或是設(shè)有金屬板的樹脂封裝結(jié)構(gòu)。LED芯片高功率化常用方式分別包括了:LED芯片大型化、改善LED芯片發(fā)光效率、采用高取光效率封裝,以及大電流化等等。

   雖然提高電流發(fā)光量會呈比例增加,不過LED芯片的發(fā)熱量也會隨著上升。因為在高輸入領(lǐng)域放射照度呈現(xiàn)飽和與衰減現(xiàn)象,這種現(xiàn)象主要是LED芯片發(fā)熱所造成,因此LED芯片高功率化時,首先必須解決散熱問題。

  LED的封裝除了保護內(nèi)部LED芯片之外,還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。LED封裝要求LED芯片產(chǎn)生的光線可以高效率取至外部,因此封裝必須具備高強度、高絕緣性、高熱傳導(dǎo)性與高反射性,令人感到意外的是陶瓷幾乎網(wǎng)羅上述所有特性,此外陶瓷耐熱性與耐光線劣化性也比樹脂優(yōu)秀。

 ?。矗瑐鹘y(tǒng)高散熱封裝是將LED芯片設(shè)置在基板上

  屬基板上周圍再包覆樹脂,然而這種封裝方式的金屬熱膨脹系數(shù)與LED芯片差異相當(dāng)大,當(dāng)溫度變化非常大或是封裝作業(yè)不當(dāng)時極易產(chǎn)生熱歪斜,進而引發(fā)芯片瑕疵或是發(fā)光效率降低。

  未來LED芯片面臨大型化發(fā)展時,熱歪斜問題勢必變成無法忽視的困擾,針對上述問題,具備接近LED芯片的熱膨脹系數(shù)的陶瓷,可說是對熱歪斜對策非常有利的材料。

  提高LED高熱排放至外部的熱傳達特性,以往大多使用冷卻風(fēng)扇與熱交換器,由于噪音與設(shè)置空間等諸多限制,實際上包含消費者、照明燈具廠商在內(nèi),都不希望使用上述強制性散熱元件,這意味著非強制散熱設(shè)計必須大幅增加框體與外部接觸的面積,同時提高封裝基板與框體的散熱性。

  具體對策如:高熱傳導(dǎo)銅層表面涂布利用遠(yuǎn)紅外線促進熱放射的撓曲散熱薄膜等,根據(jù)實驗結(jié)果證實使用該撓曲散熱薄膜的發(fā)熱體散熱效果,幾乎與面積接近散熱薄膜的冷卻風(fēng)扇相同,如果將撓曲散熱薄膜黏貼在封裝基板、框體,或是將涂抹層直接涂布在封裝基板、框體,理論上還可以提高散熱性。

  有關(guān)高功率LED的封裝結(jié)構(gòu),要求能夠支持LED芯片磊晶接合的微細(xì)布線技術(shù);有關(guān)材質(zhì)的發(fā)展,雖然氮化鋁已經(jīng)高熱傳導(dǎo)化,但高熱傳導(dǎo)與反射率的互動關(guān)系卻成為另1個棘手問題,一般認(rèn)為未來若能提高氮化鋁的熱傳導(dǎo)率,對高功率LED的封裝材料具有正面助益。

 

  二,LED驅(qū)動電源主要技術(shù)發(fā)展趨勢

  作為一種新的光源,近LED電源和驅(qū)動電路與熒光燈的電子鎮(zhèn)流器不同,LED驅(qū)動電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓,并同時完成與LED的電壓和電流的匹配。隨著硅集成電路電源電壓的直線下降,LED工作電壓越來越多地處于電源輸出電壓的最佳區(qū)間,大多數(shù)為低電壓IC供電的技術(shù)也都適用于為LED,特別是大功率LED供電。再則,LED電源還應(yīng)能利用低電壓IC電源產(chǎn)量逐漸上升帶來的規(guī)模經(jīng)濟。
  
  LED電源和驅(qū)動電路主要技術(shù)概況
  
  1)電壓變換技術(shù)
  
  電源是影響LED光源可靠性和適應(yīng)性的一個重要組成部分必須作重點考慮。目前我國的市電是220V的交流電,而LED光源屬半導(dǎo)體光源,通常是用直流低電壓供電,這就要求在這些燈具中或外部設(shè)置AC-DC轉(zhuǎn)換電路,以適應(yīng)LED電流驅(qū)動的特征。目前電源選擇的途徑有開關(guān)電源、高頻電源、電容降壓后整流電源等多種,根據(jù)電流穩(wěn)定性,瞬態(tài)過沖以及安全性、可靠性的不同要求作不同選擇。
  
  2)電源與驅(qū)動電路的壽命與成本
  
  LED壽命方面,雖然單顆LED本身的壽命長達10萬小時,但其應(yīng)用時必須搭配電源轉(zhuǎn)換電路,故LED照明器具整體壽命必須從光電整合應(yīng)用加以考慮。但對照明用LED,為達到匹配要求,電源與驅(qū)動電路的壽命必須超過10萬小時,使其不再成為led照明系統(tǒng)的瓶頸因素。在考慮長壽命的同時又不能增加太多的成本,電源與驅(qū)動電路的壽命與成本的通常不宜超過照明系統(tǒng)總成本的三分之一,在led照明燈具產(chǎn)品發(fā)展的初期,必須平衡好電源與驅(qū)動電路的壽命與成本的關(guān)系。

3)驅(qū)動程序的可編程技術(shù)
  
  LED用作光源一個顯著的特點就是在低驅(qū)動電流條件下仍能維持其流明效率,同時對于R.G.B.多晶型
  
  混光而形成白光來說,通過開發(fā)一種針對LED的數(shù)字RGB混合控制系統(tǒng),使用戶能夠在很大范圍內(nèi)對LED的亮度,顏色和色調(diào)進行任意調(diào)節(jié),給人以一種全新的視覺享受。在城市景觀亮化應(yīng)用方面,LED光源可在微處理器控制下可以按不同模式加以變化,形成夜晚的多姿百態(tài)的動態(tài)效果,在這方面將體現(xiàn)LED相對于其它光源所具有的獨特的競爭優(yōu)勢。
  
  4)電源與驅(qū)動電路的效率
  
  LED電源與驅(qū)動電路,既要有一定的供LED所需的接近恒流的正向電流輸出,又要有較高的轉(zhuǎn)換效率,電光轉(zhuǎn)化效率是led照明的一個重要因素,否則就會失去LED節(jié)能的優(yōu)點,目前商業(yè)化的開關(guān)電源其效率約為80%左右,作為led照明用電源,其轉(zhuǎn)換效率仍須進一步提升。
  
  技術(shù)發(fā)展趨勢
  
  1)針對LED的特點開發(fā)一系列恒壓恒流控制電子電路,利用集成電路技術(shù)將每顆LED的輸入電流控制在最佳電流值,使得LED能獲得穩(wěn)定的電流,并產(chǎn)生最高的輸出光通量。LED驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制LED電流的大小。
  
  2)LED驅(qū)動電路具有智能控制功能,使LED的負(fù)載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預(yù)先設(shè)計的水平上。當(dāng)負(fù)載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時,初級控制IC可以通過控制開關(guān)使負(fù)載電流回到初始設(shè)計值上。
  
  3)在控制電路電路設(shè)計方面,要向集中控制,標(biāo)準(zhǔn)模塊化,系統(tǒng)可擴展性三方面發(fā)展。
  
  4)在目前LED光效和光通量有限的情況下,充分發(fā)揮LED色彩多樣性的特點,開發(fā)變色LED燈飾的控制電路。

 

  三,LED照明應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢

  1,醫(yī)療照明

  作為特殊照明,LED醫(yī)療照明具有高技術(shù)、高風(fēng)險、高進入門檻等特點。國內(nèi)LED醫(yī)療照明市場目前也尚處于初級階段,無論是市場規(guī)模還是生產(chǎn)企業(yè)都還較少。隨著國家對醫(yī)療衛(wèi)生及國民健康的關(guān)注與投入的加大,醫(yī)療器械行業(yè)飛速發(fā)展,醫(yī)療照明需求日益擴大,也給LED醫(yī)療照明發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

國內(nèi)LED醫(yī)療照明市場需求與發(fā)展?jié)摿?/STRONG>

  根據(jù)衛(wèi)生部《2010年7月份全國醫(yī)療服務(wù)情況》[1]數(shù)據(jù)顯示,截至2010年7月底,全國醫(yī)療機構(gòu)數(shù)達92.24萬個,其中:醫(yī)院2.04萬個,社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心(站)2.85萬個,鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院3.83萬個,村衛(wèi)生室64.72萬個,診所(醫(yī)務(wù)室)17.42萬個(詳見表1)。

 

  由表1可以看出,醫(yī)院按等級可分為:三級醫(yī)院1273個,二級醫(yī)院6460個,一級醫(yī)院5147個,未定級醫(yī)院7552個。

   全國共有三級醫(yī)院1273個,平均每個醫(yī)院配備手術(shù)室20間,每個手術(shù)室必須配備手術(shù)無影燈一套,全國三級醫(yī)院所需的手術(shù)無影燈約有25460套(1273×20),若全部更換為LED手術(shù)無影燈,按15萬元/套的價格計算,三級醫(yī)院的LED手術(shù)無影燈市場需求總量約為38億元。按照醫(yī)療設(shè)備更新制度,醫(yī)用電子設(shè)備及光學(xué)儀器每8年需更新一次,LED手術(shù)無影燈在三級醫(yī)院每年的市場需求量約為4.8億元。

  同樣,全國共有二級醫(yī)院6460個,平均每個醫(yī)院最低配備手術(shù)室8間,按照上述計算方法,全國二級醫(yī)院所需的手術(shù)無影燈約有51680套(6460×8),LED手術(shù)無影燈在二級醫(yī)院每年的市場需求量約為9.7億元。

  由此可見,僅以我國二級以上的醫(yī)院市場需求量計算,LED手術(shù)無影燈每年的需求就高達14.5億元左右,有巨大的市場需求量。

  與傳統(tǒng)醫(yī)療照明相比,LED手術(shù)照明除了其直接的節(jié)能效果外,其所具有的改善手術(shù)室層流凈化效果的突出優(yōu)勢,使其還能大幅度降低手術(shù)室凈化系統(tǒng)的一次性投資、節(jié)約凈化系統(tǒng)能耗的額外節(jié)能效果。按我國目前全國醫(yī)療機構(gòu)數(shù)所用的約10萬臺手術(shù)無影燈及7.3萬間手術(shù)室計算,10萬臺手術(shù)無影燈(平均功耗超過1000W)的年耗電量超過1.8億kWh(按每臺1000W×6h×300d計算);目前醫(yī)院手術(shù)室所使用的空氣層流凈化系統(tǒng)的平均功耗超過3000W,7.3萬間手術(shù)室的年耗電量達到18.92億kWh(按每間3000W×24h×360d計算),僅前述三項的年耗電量合計就已達到了25.9億kWh,超過三峽水力發(fā)電工程發(fā)電能力(840億kWh)的3%,且尚未計算我國醫(yī)院照明所需的LED檢查燈、LED頭燈等醫(yī)療專用照明的耗電量。
  上所述機構(gòu)若使用LED醫(yī)療照明技術(shù)及產(chǎn)品,可節(jié)約近60%的耗電量,即減少電能消耗16億kWh,相當(dāng)于節(jié)約三峽水力發(fā)電工程發(fā)電能力(840億kWh)的2%,也相當(dāng)于節(jié)約火電燃煤64萬噸/年,同時可以減少因火電燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放167.68萬噸/年,減少二氧化硫排放544萬公斤/年,氮氧化物473.6萬公斤/年。

  同時,隨著大手術(shù)、高難度手術(shù)的不斷增多,垂直層流的高潔凈度手術(shù)室的建立,各級醫(yī)院都希望裝備更高質(zhì)量的新型醫(yī)療照明產(chǎn)品,而LED醫(yī)療照明產(chǎn)品正好滿足現(xiàn)代醫(yī)院的要求,除了它自身已有的節(jié)能、長壽等優(yōu)點之外,更有能調(diào)節(jié)光源色溫提高醫(yī)生對不同組織器官的分辨力、節(jié)省手術(shù)室凈化系統(tǒng)的建設(shè)與運行成本等一系列突出優(yōu)點,成為了各個醫(yī)院提高手術(shù)質(zhì)量和行業(yè)競爭能力優(yōu)先計劃裝備的重點設(shè)備。由此可以推斷全球醫(yī)療照明產(chǎn)品市場對LED醫(yī)療照明產(chǎn)品的需求量將會更大,因此,以LED手術(shù)無影燈為代表的醫(yī)療照明產(chǎn)品作為附加值較高的高端產(chǎn)品將首先在醫(yī)院得到關(guān)注和應(yīng)用。顯然,使用LED醫(yī)療照明技術(shù)及產(chǎn)品,除了在節(jié)能降耗方面效果明顯外,對于改善手術(shù)環(huán)境、提高醫(yī)療質(zhì)量、提升醫(yī)療機構(gòu)競爭力方面也優(yōu)勢明顯,使用LED醫(yī)療照明技術(shù)及產(chǎn)品必將成為各醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)的必然選擇。

   隨著我國經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展,國內(nèi)醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)數(shù)量逐年增長,對LED醫(yī)療照明產(chǎn)品的需求量也在不斷增加,有權(quán)威人士預(yù)測在未來5年內(nèi),我國將會有約1/3的醫(yī)療機構(gòu)會選用LED替代傳統(tǒng)光源,LED的醫(yī)療照明市場容量會以超過20%的年遞增率不斷擴大。

 

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