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芯片级拆解:全面剖析新型LED灯泡设计的艺术
作者:    时间:2014-01-07    来源:新世纪论坛 
 
      

  时下,LED照明技术正掀起产业革命旋风。LED照明灯泡厂商正致力于快速提高性能和降低LED灯泡价格。去年,普通家庭款式的LED灯泡,如A19LED灯泡售价在20美金至60美金之间,当时已具有非常高的性价比。今年,高端的LED灯泡,如LG公司的LED灯泡,售价低至10美金,破“10”指日可待。

  LED灯泡的性能和荧光灯(CFLs)差不多,50-60lumens/watt。尽管如此,LED在技术层面上依然比CFL高出一筹。7.5WLG灯泡发出485lumens,相当于65lm/W。在相同的485lumens前提下,旧式40W灯泡只能发出12lm/W,与前者相比少了约五倍。

  LG7.5WLEDA19灯泡LB08D830L0A。E50JWU0在包装内外对比

  关于均匀照明问题

  当我们放置一个装有LED灯泡的台灯,而且可以控制灯的亮度向上照射。这是由于LED发射器内部是水平放置的。Philips灯泡采用三个垂直调整的LED面来减缓照明亮度的控制问题。尽管这样,读书用台灯或工作灯的均匀性照明方式,使得热量不会集中到某个照明对象上。

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  如图中所示,LG灯泡可以将控制大部分光线向上投射,这是因为在灯泡内部LED基板是水平放置的造成的

  台灯的设计也是从爱迪生灯泡的原理进化而来——光线的发射是朝各方向散射式。随着电灯泡进化了一个多世纪,现代台灯设计和其先驱鼻祖——煤油灯,又显得很不一样。

  最初的电灯泡在效率和普及程度方面并没有存在强制的要求,然而它们的优点引致了它们的盛行,同时导致了油灯的衰落。总有一天,电灯会发展成为适应LED光源独特性的产品,这一天离我们并不远了。当LED光源在接下来的十几年能够提高其使用寿命,其取代电灯是毋容置疑的了,同时灯具会具有各种各样的规格和形状。与此同时,强制LED去采取爱迪生的样式版本无异于将一个方形的钉子打进一个圆形的洞里面。

  然而,StrategiesUnlimited预测“被替代的传统光源的全球市场份额到2016年会上升到37亿美元,而这个数据在2011年还是27亿。”实际上,LED灯管提供了非常舒适的亮度,相对于紧凑的荧光灯泡,会令人更愉悦,人们会很愿意采用这类产品的。这种灯泡比CFLs更耐用,不含水印,同时一打开就亮。而那些讨厌的CFLs则会耗费一段时间才能达到其最大亮度。

  LED灯管是一种复杂的电子设备。LED本身是半导体二极管,只需要一个大概3V的直流电压供电。普通家庭根据地理位置不同,其供电是110V或220V的交流电。LG的灯管是不可以调节亮度的。尽管新型号的调光器是必须的,但价格相对高一点的产品亮度还是可调的。和CFLs一样,LED灯管有一个很小的电路板装在灯管的“脖子”里面。

  拆解新型LED灯泡

  已经拆解开了的LED灯泡

  在灯泡的颈部位置,被外壳包住的电路板

  细看LED灯泡电路板

芯片级拆解:全面剖析新型LED灯泡设计的艺术
芯片级拆解:全面剖析新型LED灯泡设计的艺术

  如上图可知,电路板内置了一个变压器,几个电容器和一个功率晶体管。LED控制器被垂直安装在一个子卡上。它是由安森美半导体制造的型号为HS01G的半桥谐振控制器。考虑到灯泡高亮度输出因素,你就会发现LED芯片事实上显得非常小巧。LG灯泡使用了32个LED芯片,每个尺寸为0.5mmx0.5mm。而一颗米粒的尺寸约为5mmx2mm。这些LED芯片均以4x4封装在**圆形的荧光灯中,发射出的蓝光再通过氮化镓核心部件转化为白光。通常,荧光粉被用于日光灯的媒介。在该LED发射极内,硅树脂将小颗粒状的钇铝石榴石(yttriumaluminum-garnet,YAG)、钡、锶和硅酸钙凝聚在一起。使用不同的材料,便会相应得到不同的色温。探秘四个LEDs

芯片级拆解:全面剖析新型LED灯泡设计的艺术

  四个LEDs,每个尺寸约为0.5mmx0.5mmx0.1mm,封装在LED凸圆底下设计好发射极控制散热问题

  由于LEDs容易过热,发射极背面的设计就专门针对解决LED散热问题的

  LED芯片核心部位特写照

  如上图所示,用电子显微镜所拍摄的LED芯片核心部位特写照。类似用嵌入式工艺将电极和阴极连接起来,其他一部分则与阳极连接起来。每个LED芯片核心部件虽然都很小,但是大部分都用于支撑材料。斜对角线的刻痕划分隔开了双衬底,在天蓝色的基板上,可以看到有一层很薄的氮化镓(GaN),大约只有7μm薄。蓝宝石衬底主要是注入了GaN生长介质。在衬底隆起的图样,降低了GaN的位错密度,在衬底基质起到机械性支持和散热片的作用。在GaN底部6μm处通常不起作用。结晶体会逐渐干涉渗透到1μm处,这时,光发射极区域便确定了。光发射区要小到一定的数量级,达到纳米(nm)级范围内,最后植入在上表面下的约100nm处。

  LED芯片核心部分横截面图样

  见上图,LED芯片核心部分对角线横截面图样,可测得约为0.1mm。GaN层的表面是薄薄的栅栏层。用阴极追踪查探得知电极位于很靠近中心位置。

  如上图所示,在电子显微镜下的GaN层。在该区域的顶部是GaN是p类掺杂,下面部分为n类掺杂。

标签:  LED  芯片


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