在LED灯具的设计上，特别是十几瓦到几十瓦的灯具现在逐步采用大功率LED，这不仅可提高亮度，并且提高可靠性。
　　本文介绍Cree公司生产的4W&LampXR-E型大功率白光LED，它具有高性能及高可靠性。它有多种发光颜色，这里仅介绍白光LED，其型号为&REWHT-L1。
　　主要特点及应用
　　XREWHT-L1白光LED的主要特点：能产生色温2600K到10000K的白光（分成冷白光、中间白光及暖白光三种产品）；三种不同色温产品按其光通量大小分挡，满足用户不同的要求，如上表所示：冷白光最高的光通量大于lOOIm，其典型光通量为801m（在350mA时的光通量）： &正向范围350～lOOOmA；内部结构有良好的导热性，在7mm&9mm的底面积的LED，其管芯到底面面的热阻RJ_C仅为8℃/W，在业界是最低的；能进行回流焊：亮度衰减到70%时的寿命为5万小时；满足的要求。
　　该白光LED主要应用领域：便携式灯具（矿灯、强光手电筒、应急灯等）、室外用灯（路灯、广告及招牌投射灯等）、室内灯（阅读灯、交通运输工具，如汽车、船、飞机内的照明灯等）。
　　主要参数
　　该白光LED主要参数：从PN结到底面焊接处的热阻为8℃/W；为-4．OmV/℃；视角900；正向电流IF最大值1000mA(冷白光&5000K)、700mA(中间白光及暖白光色温&5000k)；在lO%占空比、lk的脉冲时，电流可达1.8A；反向耐压5V；不同电流时的正向压降典型值：350mA时为3.3V、700mA时为3.5V、lOOOmA时为3.7V；最大的正向压降为3.9V；结温为150℃。
　　主要特性曲线
　　1、三种不同白光颜色的光谱如上图所示。蓝色曲线的色温是K、绿色曲线的色温是K、红色曲线的色温是K。
　　2、LED的结温与相对出光率曲线如上图所示。如果以结温TJ=25℃时的出光率为1，则随着TJ增加而降低。从图中可看出：当TJ=100℃时，出光率约降低20%。另外，TJ的增加也影响LED的寿命，所以在作散热设计时，设定TJ为80～85℃较为合适。
　　3、正向电压与正向电流特性（输出特性）如上图所示。这是典型特性曲线，工作电流在350mA到1000mA范围内，其正向压降VF在3.3～3.7V范围内。若选择不同的工作电流IF时，可利用图3找到相应的正向压降VF值。利用耗散功率PD=IF&VF的公式可求出PD值（PD与散热用的散热面积大小有关）。
　　4、冷白光的降额使用特性如上图所示，中间白光及暖白光的降额使用特性如下图所示。在不同的环境温度TA及不同散热情况时的热阻RJA条件下，其最大工作电流IF是不同的。例如，如果在图4中，RJ-A=15℃/W的情况下，若环境温度TA=75℃时，其最大工作电流IF可达到lOOOmA；若RJ-A=20℃/W，则同样的TA=75℃时，其最大工作电流IF值需降到870mA了（若不降额会产生过热，TJ上升）。
　　RJ-A是从LED的PN结的结温TJ经LED的衬底传到PCB、再由PCP传到环境温度TA的热阻。若PCB的导热性能好（如双面敷铜层的PCB要比单层PCB的导热性好）及散热面积大，则RJ-A就小，关于RJ-A计算在下面作一简介。
　　5、正向电流与LED相对亮度的特性曲线如上图所示。在上图中按350mA时的相对亮度是100%，随着电流的增加其斜率减小。例如，电流由350mA增加到700mA时，其亮度并不是200%，而是170%。即电流增加时亮度增加，但不是按比例增加。因为电流增加，结温上升，其出光率会下降。
　　6、本文件介绍的LED视角是90&，不同角度时的相对亮对特性如上图所示。
　　外形及焊盘尺寸
　　XREWHT-L1的外形及有关尺寸如上图所示。在图中有&+&符号的是LED的阳极，在其底面有两窄条的LED阳极及阴极的引脚，中间一块宽的面积是与PCB散热敷铜板焊接的（回流焊），其目的是更好地从LED底部通过焊接层将热从PCB散出去，其焊盘尺寸如有斜线的图所示。
　　RJ-A的计算
　　从图4、图5中可看出：不同的RJ-A对工作电流IF有影响。这里介绍一种通过简单测量LED底部与PCB焊接处的温度TC来计算TJ-A的方法。
　　用一块尺寸45&45mm的双面敷铜层的PCB作试验PCB，其正面（焊LED的面）图形如下图所示，其背面铜层全部作散热用。在焊LED散&热层处用K型点温度计来测Te温度（如图9中箭头所示，K型热电偶的测量点最好焊在PCB板上）。
　　在试验板上通电测其电流IF及电压VF，在稳定后测温度Tc。
　　RJ-A=RJ-C+(Tc-TA)/PD式中RJ-C是LED自身的热阻，RJ-C=8℃/W，环境温度TA是可以测得的，PD=IF&VF可测出IF&VF计算出来的，则测温Tc后可计算出RJ-A。若设计时RJ-A要求15℃/W，而测量Tc后计算出的RJ-A大于要求的RJ-A值，则说明PCB的散热面积不足或PCB材质的散热性能差。可以采用更换铝基板的PCB或不更换PCB而采用增加PCB散热面积。若测Tc后计算出RJ-A太大，也可以在PCB板后再加一个散热片，如下图所示。
　　通过上述试验、计算及改进措施，可以设计出合适的散热结构。
　　如果计算出RJ-A后要想了解一下结温下，是多少？通过计算：RJ-A=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD，如果计算出来的TJ在80～85℃是合适的，若要求TJ=85℃以下，则在试验、计算出来的TJ应等于或小于85℃，否则要降低(TC-TA)/PD这一项的值。
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色坐标对白光LED光通量的影响全文链接：改进封装技术 提高HB LED光通量
23:22:53&&&来源:东方LED网 &&
　　毫无疑问这个世界需要高亮度发光二极管（HB ），不仅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED（UHD LED）。　　用LED背光取代手持装置原有的EL背光、CCFL背光，不仅更简洁容易，且有较高的抗外力性。用LED背光取代液晶电视原有的CCFL背光，不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用LED照明取代白光灯、卤素灯等照明，不仅更光亮省电，使用也更长效，且点亮反应更快，用于煞车灯时能减少后车追撞率。所以，LED从过去只能用在电子装置的状态指示灯，进步到成为液晶显示的背光，再扩展到电子照明及公众显示，如车用灯、交通信号灯、信息广告牌、大型影视墙，甚至是投影机内的照明等，其应用仍在持续延伸。更重要的是，LED的亮度效率就如同（Moore＇＇s Law）一样，每24个月提升一倍，过去认为白光LED只能用来取代过于耗电的白炽灯、卤素灯，即发光效率在10～30lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后，就连荧光灯、高压气体放电灯等也开始感受到威胁。　　虽然LED持续增强亮度及发光效率，但除了核心的荧光质、混光等专利技术外，对来说也将是愈来愈大的挑战，且是双重难题的挑战，一方面封装必须让LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折损降至最低，同时还要注重光的发散角度、光均性、与导光板的搭配性。另一方面，封装必须让LED有最佳的散热性，特别是HB（高亮度）几乎意味着HP（高功率、高用电），进出LED的电流值持续在增大，倘若不能良好散热，则不仅会使LED的亮度减弱，还会缩短LED的使用寿命。所以，持续追求高亮度的LED，其使用的若没有对应的强化提升，那么高亮度表现也会因此打折，因此本文将针对HB LED的封装技术进行更多讨论，包括光通方面的讨论，也包括热导方面的讨论。裸晶层：“量子井、多量子井”提升“光转效率”　　虽然本文主要在谈论LED封装对光通量的强化，但在此也不得不先说明更深层核心的裸晶部分，毕竟裸晶结构的改善也能使光通量大幅提升。首先是强化光转效率，这也是最根源之道，现有LED的每瓦用电中，仅有15％～2％被转化成光能，其余都被转化成热能并消散掉（废热），而提升此一转换效率的重点就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的发光发热位置，透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。目前多是在p-n接面上开凿量子井（Quantum Well；QW），以此来提升用电转换成光能的比例，更进一步的也将朝更多的开凿数来努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技术。　　“换料改构、光透光折”拉高“出光效率”　　如果光转效率难再要求，进一步的就必须从出光效率的层面下手，此层面的作法相当多，依据不同的化合材料也有不同，目前HB LED较常使用的两种化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光，后者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光，以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光。方法包括改变实体几何结构（横向转成垂直）、换用基板（substrate，也称：衬底）的材料、加入新的材料层、改变材料层的接合方式、不同的材料表面处理等。不过，无论如何变化，大体都不离两个原则：一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。如过去AlGaInP的LED，其基板所用的材料为GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散发出的光有一半被遮挡吸收，造成光能的浪费，因此改用透明的GaP材料来做基板。又如日本日亚化学工业（Nichia），将p型电极（p type）部分做成网纹状（Mesh Pattern），以此来增加p极的透明度，减少光阻碍同时提升光透量。至于增加折反射上，在AlGaInP的结构中增加一层DBR（Distributed Bragg Reflector）反射层，将另一边的光源折向同一边。GaN方面则将基板材料换成蓝宝石（三氧化二铝）来增加反射，同时将基板表面设计成凹凸纹状，藉此增加光反射后的散射角度，进而使取光率提升。或如德国欧司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，并将基板设计成斜面，也有助于增加反射，或加入银质、铝质的金属镜射层。　　封装层：抗老化黄光、透光率保卫战　　从裸晶层面努力增加光亮后，接着就正式从封装层面接手，务使光通维持最高、光衰减至最少。　　要有高的流明保持率（Transmittance），第一步是封装材质。过去LED最常用的是环氧树脂（epoxy），但环氧树脂老化后会逐渐变黄，进而影响光亮颜色，尤其波长愈低时老化愈快，特别是部分WLED使用近紫外线（Near ultraviolet）发光，与其它可见光相比其波长又更低，老化更快。新的提案是用硅树脂（silicone），例如美国Lumis公司的Luxeon系列LED即是改采硅封胶。不只是Lumileds Luxeon，其它业者也都有硅胶方案，如通用电气.东芝公司的InvisiSi1，东丽．道康宁的SR 7010等也都是LED的硅胶封装方案。　　硅胶除了对低波长有较佳的抗受性、较不易老化外，硅胶阻隔近紫外线使其不外泄也是对人体健康的一种保护，此外硅胶的光透率、折射率、耐热性都很理想。GE Toshiba的InvisiSi1具有高达1.5～1.53的折射率，波长范畴在350nm～800nm间的光透率达95％，且波长低至300nm时仍有75％～80％的光透，将折射率降至1.41，即便是300nm波长也能维持95％的光透性。Dow Coring Toray的SR nm波长以上时光透率达99％，且硬化处理后折射率亦有1.51，另外耐热上也都能达180℃～200℃的水平。此外，也有业者提出所谓的无树脂封装，即是用玻璃来作为外套保护，如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封装，都是为了抗老化而提出，其中陶瓷也有较佳的耐热效果。　　封装层：透镜的透射　反射杯的反射、折射　　在用胶封装完后，依据LED的不同用途会有各种不同的接续作法，例如做成一个一个的独立封装组件，过去最典型的单颗LED指示灯即是如此。另一种则是将多个LED并成一个整体性组件，如七段显示器、点阵型显示器等。此外焊接脚位方面也有两种区分，即穿孔技术（Through-Hole Technology）及表面黏着技术（Surface-Mount Technology）。　　就逐一独立、分离、离散性的封装来说，也要因应不同的应用而有不同的封装外观。若是作为穿孔性焊接的状态指示灯则只要采行灯泡（Lamp）型态的封装（俗称成“炮弹型”），即便是此也还有透镜型态（Lens Type）的区别，如典型Lamp、卵椭圆Oval、超卵椭圆Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏着型，也有顶视Top View、边视Side View、圆顶Dome等。　　为何要有各种不同的透镜外型？就一般而言，Lamp用来做指示灯号、Oval用于户外标示或号志、Top View用来做直落式的背光、Flat与Side View配合导光板（Guide Plate）作侧边入光式的背光、Dome作为小型照明灯泡、小型闪光灯等。外型不同、应用不同，发光的可视角度（View Angle）也就不同，此部分也就再次考验封装设计。运用不同的设计方式，可以获得不同的发光角度、光强度、光通量，此方面常见的做法有四：中轴透镜Axial lens、平直透镜Flat lens、反射杯Reflective cup、岛块反射杯Reflective cup by island。一般的Lamp用的即是中轴透镜法，Dome及Oval/Super Oval等也类似，但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在轴向的小角度内。而Flat则是用平直透镜法，好处是光视角比中轴透镜法更大，但缺点是光通量降低、光强度减弱。至于Top View、Side View等则多用反射杯或岛块反射杯，此作法是在封装内加入反射镜，对部分发散角度的光束进行反射、折射等收敛动作，使角度与光强度能取得平衡。　　就技术难易来说，只用上透镜的Axial lens、Flat lens较为简易，只要考虑透射与光束发散性，相对的有Reflective cup就不同了，原有的透射、发散都要考虑，还要考虑反射、折射以及光束收敛，更加复杂。　　材质方面，透镜部分除了可持续用原有的覆胶材质外也可以改用其它材质，因为透镜已较为讲究光透而不讲究裸晶防护，如此还可采行塑料（Plastic）、压克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性与波长有关，不同波长光透度不同，再加上有不同的材质可选择，甚至要为透镜上色，好增加光色的对比度，或视应用场合的装饰效果（玩具、圣诞树），还有前面的透镜、反射杯等几何设计等，以上种种构成了LED光通上的第四道课题。　　结语　　HB LED被人强调为“绿色照明”，言下之意“环保”是其很大的诉求点，所以不仅要无铅（Pb Free）封装，还要合乎今日欧洲RoHS（限用危害物质指令）的法令规范，无论封装与LED整体都不能含有汞、镉、六价铬（hexavalent c h romium）、多溴联苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴联苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等环境有害物，此外WEEE（废弃电子电机设备指令）等其它相关法规也必须遵守。　　前面我们也已经简略提到封装物必须能封阻与抗受低波长、紫外光，还要有一定的硬度来抗受机械外力，以及耐热性，此外绝缘、抗静电、抗湿也都必须注意。更重要的是，无论是否高亮度，都必须尽可能将光亮导出，因为，若不能忠实导出光能，光能在封装层内被吸收，就会转化成热能，为封装上的散热问题又添一项课题，LED的热若不能顺利排解与降低，成为热负荷，反过来一样要伤害LED本体，包括亮度也会受到影响，因此，达到最佳、最理想的光通，是封装设计必然要重视课题！
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编辑：探路者
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