LED顯示器件發(fā)展簡史

May 28, 2019

 新型LED顯示器件有功耗低、亮度高、壽命長、尺寸小等優(yōu)點，本文從LED顯示器件的發(fā)展簡史開始，探討了表面貼裝LED、汽車應(yīng)用中的LED和照明用LED的發(fā)展趨勢，對于從事顯示器件開發(fā)的中國工程師有一定參考價值。 　　
           全球第一款商用化發(fā)光二極管(LED)是在1965年用鍺材料作成的，其單價為45美元。隨后不久Monsanto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用化LED。這些早期的紅色LED每瓦大約能提供0.1流明(lumens)的輸出光通量，比一般的60至100瓦白熾燈的15流明要低上100倍。

　　1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達(dá)到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。到1971，業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色裸片LED。

　　1972年開始有少量LED顯示屏用于鐘表和計算器。全球首款采用LED的手表最初還是在昂貴的珠寶商店出售的，其售價竟然高達(dá)2,100美元。幾乎與此同時，惠普與德州儀器也推出了帶7段紅色LED顯示屏的計算器。

　　到20世紀(jì)70年代，由于LED器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用，LED的價格直線下跌。事實上，LED是那個時代主打的數(shù)字與文字顯示技術(shù)。然而在許多商用設(shè)備中，LED顯示屏也逐漸受到了來自其它顯示技術(shù)的激烈競爭，如液晶、等離子體和真空熒光管顯示器。

　　這種競爭性激勵LED制造商進一步拓展他們的產(chǎn)品類型，并積極尋求LED具有明顯競爭優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域。此后LED開始應(yīng)用于文字點陣顯示器、背景圖案用的燈柵和條線圖陣列。數(shù)字顯示屏的尺寸和復(fù)雜度在不斷增長，從2位數(shù)字到3位甚至4位，從7段數(shù)字到能夠顯示復(fù)雜的文字與圖案組合的14或16段陣列。到1980年制造商開始提供智能化的點陣LED顯示屏。

　　80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的發(fā)光效率發(fā)出紅光。這一技術(shù)進步使LED能夠應(yīng)用于室外運動信息發(fā)布以及汽車中央高位安裝停止燈(CHMSL)設(shè)備。1990年，業(yè)界又開發(fā)出了能夠提供相當(dāng)于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術(shù)，這比當(dāng)時標(biāo)準(zhǔn)的GaAsP器件性能要高出10倍。

　　今天，最亮的材料應(yīng)是透明基底AlInGaP。在1991年至2001年期間，材料技術(shù)、裸片尺寸和外形方面的進一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近20倍。

　　對高強度藍(lán)光LED的不斷研發(fā)產(chǎn)生了好幾代亮度越來越高的器件。在1990年左右推出的基于碳化硅(SiC)裸片材料的LED效率大約是0.04流明/瓦，發(fā)出的光強度很少有超過15毫堪(millicandel)的。90年代中期的技術(shù)突破實現(xiàn)了第一個基于GaN的實用LED?，F(xiàn)在還有許多公司在用不同的基底如藍(lán)寶石和SiC生產(chǎn)GaNLED，這些LED能夠發(fā)出綠光、藍(lán)光或紫羅蘭等顏色。高亮藍(lán)色LED的發(fā)明使真彩廣告顯示屏的實現(xiàn)成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖像。

　　藍(lán)光LED的出現(xiàn)使人們還能利用倒行轉(zhuǎn)換的磷光材料將較高能量的藍(lán)光部分地轉(zhuǎn)換成其它顏色。

　　將藍(lán)光與轉(zhuǎn)換磷的黃光整合在一起就能得到白光，而整合適當(dāng)數(shù)量的藍(lán)光與紅橙磷(reddishorangephospher)則可以產(chǎn)生略帶桃色或紫色的色彩?，F(xiàn)在僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線中的所有飽和顏色，并且各種顏色LED與磷的有機整合幾乎能夠毫無限制地產(chǎn)生任何顏色。

　　在可靠性方面，LED的半衰期(即光輸出量減少到最初值一半的時間)大概是1萬到10萬小時。相反，小型指示型白熾燈的半衰期(此處的半衰期指的是有一半數(shù)量的燈失效的時間)典型值是10萬到數(shù)千小時不等，具體時間取決于燈的額定工作電流。

　　表面貼裝LED

　　為了利用自動化組裝技術(shù)降低制造成本，從20世紀(jì)80年代開始業(yè)界逐漸推廣使用表面貼裝器件(SMT)，90年代這一技術(shù)得到了進一步強化。最初的SMTLED作為低功率器件被主要用于指示設(shè)備和手機鍵盤的照明，后來又開發(fā)出大功率的SMT器件用于汽車面板照明、剎車燈，并擴展用于專業(yè)和一般的照明設(shè)備。

　　SMT是蜂窩/PCS電話機的主要技術(shù)要求，現(xiàn)在看來這一市場仍具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?001年全球手機的制造量大約有3.8億部，據(jù)預(yù)測今年的制造量將上升到4.3億部，到2005年將達(dá)到5.2億部。一部手機平均要使用10個表貼型LED，也即意味著僅手機市場對LED的需求就達(dá)到了40億個。

　　手機功能的不斷升級也進一步刺激了對更高性能LED的需求。確切說，手機設(shè)計人員需要多種多樣的LED，包括更高亮度的單色LED器件、真彩LCD顯示屏(特別是第2.5代和第3代手機的LCD)背景光源用的白色LED以及實現(xiàn)產(chǎn)品差異化所需的藍(lán)色和紫羅蘭色等特殊色LED。同時，由于手機的復(fù)雜度越來越高，體積也越來越小，有更多的用戶對LED提出了更薄更小外形包裝的要求。

　　特別是越來越多的人希望高性能LED能提供“芯片LED”的表貼封裝，即工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1.6×0.8mm外形尺寸。

　　話機制造商要求對LED的顏色與強度進行分類，以確保背景光源設(shè)備能與用戶需求取得高度一致。這樣做能使LED非常適合用于背景光源設(shè)備，即LCD、按鍵、前面板、符號與鍵盤背景照明等，因為這些設(shè)備上顏色與光強度的和諧統(tǒng)一非常重要。

　　汽車應(yīng)用中的LED

　　在汽車內(nèi)外，照明設(shè)備中用得最多的還是白熾燈，但設(shè)計師與汽車制造商正在逐漸采納LED，開始時LED可能只用于豪華型汽車，但慢慢會過渡到大多數(shù)汽車上。LED的最大賣點之一是具有很長的平均無故障工作時間(MTBF)，LED照明器件的使用壽命一般都要超過汽車本身的壽命。

　　有很多種LED產(chǎn)品，其封裝和器件適合儀表板、空調(diào)、收音機和電子開關(guān)等汽車內(nèi)部照明設(shè)備使用。例如那些SMT器件就非常適合汽車儀表板使用。多用途的3mm和5mm注塑燈仍是汽車內(nèi)部照明設(shè)備和外部照明設(shè)備的候選產(chǎn)品，目前這些器件已被廣泛應(yīng)用于中央高位安裝停止燈(CHMSL)設(shè)備中。

　　對內(nèi)部和外部照明設(shè)備來說，LED汽車燈裝置與白熾燈裝置的熱設(shè)計有很大不同。這是因為白熾燈會產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量，而白熾燈泡能承受這樣的高溫環(huán)境。

　　LED燈陣列所產(chǎn)生的熱量一般要比白熾燈少，但LED燈的最大內(nèi)部溫度必須保持在推薦的上限范圍以內(nèi)才能保持LED的可靠工作，如果超出LED燈的最高結(jié)溫，就可能由于環(huán)氧材料的膨脹而導(dǎo)致導(dǎo)線粘結(jié)劑或被抬高的LED裸片發(fā)生突發(fā)性故障。在濕度比較高的熱循環(huán)或加強型熱循環(huán)環(huán)境中，這些故障會顯得尤其突出。

　　LED燈的最大內(nèi)部結(jié)溫受限于環(huán)氧封裝材料的熱膨脹特性。與汽車白熾信號燈設(shè)計相比，由于存在最大結(jié)溫的限制，LED汽車信號燈設(shè)計必須認(rèn)真考慮熱設(shè)計問題。

　　用于照明的LED

　　傳統(tǒng)LED燈中使用的芯片是0.25×0.25mm大小，而照明用的LED一般都要在1.0×1.0mm以上。專注于結(jié)構(gòu)化裸片成型的設(shè)計工作-臺式結(jié)構(gòu)、倒金字塔結(jié)構(gòu)和倒裝芯片設(shè)計能夠改善LED的發(fā)光效率，從而使芯片發(fā)出更多的光。

　　封裝設(shè)計方面的革新包括將高傳導(dǎo)率的金屬塊用作基底、倒裝芯片設(shè)計和裸盤澆鑄式引線框等，這些方法都能設(shè)計出可高功率、低熱阻的器件，而且這些器件能比以前的器件照度更大。

　　目前一個典型的高光通量LED器件能夠產(chǎn)生幾流明到數(shù)十流明的光通量。更新的設(shè)計可以在一個器件中集成更多的LED，或者在單個組裝件中安裝多個器件，從而使輸出的流明數(shù)相當(dāng)于小型白熾燈。例如，一個高功率的12芯片單色LED器件能夠輸出200流明的光能量，所消耗的功率在10到15瓦之間。

　　LED已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種照明設(shè)備中，如電池供電的閃光燈、微型聲控?zé)簟踩彰鳠?、室?nèi)室外道路和樓梯照明燈以及建筑物與標(biāo)記連續(xù)照明燈。

　　本文小結(jié)

　　隨著時代的發(fā)展，我們將開發(fā)更多新的芯片級結(jié)構(gòu)，以獲得更好的光能提取以及幅性能。磷材料的開發(fā)與磷摻雜工藝的改進有望繼續(xù)提高磷轉(zhuǎn)換式彩色發(fā)光二極管的發(fā)光效率。在引線框、PCB和注模技術(shù)等基底設(shè)計方面的更深入研發(fā)有望進一步降低封裝和材料的成本，從而降低LED器件每個流明的總體成本。

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