HV芯片+Ceramic基板+COB封裝:室內照明燈具最佳解決方案
發布時間:2017-05-16 責任編輯:wenwei
【導讀】LED照明燈具技術為一種係統整合的概念(光、機、電、熱),其係統中心為LED光源,LED光源的技術目標是為了提供更好的發光效率,更低的熱阻,更佳的光譜特性,如演色性及相關色溫等。
以光源為主體可將LED照明燈具展開4項技術的整合,分別為光學、電控、sanreyujigou,guangxuejishudemudeshiweizhaomingdengjushejifuhexuqiudedengjuguangxing,touguoguangxuefenxijifangzhenbingqieliyongguangxuezujianjiangguangyuandeguangxingzhuanhuanweidengjuxuqiudeguangxing;電控則可大致分為電源驅動及控製係統,電源驅動目的是為將外部電源轉換為LED所需求的電壓或電流,控製係統就是讓燈具結合傳輸及數字化操作,賦予燈具生命;由於LED光源在發光的同時也產生大量的廢熱,散熱結構設計使LED燈具與光源保持適當的溫升,以避免減低效能及壽命;由於LED燈源體積小,使用變化大,因此機構設計可以讓LED燈具有別於傳統熒光燈或HID燈具,展現更多樣化的連接方式,因此LED照明燈具不論是取代式燈泡或者是新一代的LED照明模塊,皆為上述技術的整合。
根據J.P. Morgan 2010的研究亦顯示,2015LED燈泡在全球照明市場的滲透率可達40%,約近40億顆的銷售量;並預計在2018年前達到75%的滲透率。「現在市場上已有不少供貨商開始生產製造各種不同類型的LED燈泡,以便供消費者進行選擇。」目前由於一個光通量等同40W、470lm白熾燈泡的LED燈泡市場價格約20美元,60W、800lm白熾燈泡的LED燈泡其市場價格更是高達每個40美元,由於價格因素使得一般民眾對LED燈泡的接受度仍不高。
依據SSL製造成本的分析數據顯示,隻是Thermal and Metal Bending、Driver/Power Supply、LED Back-End Process這3項與散熱及驅動裝置相關的零組件,就占去一個LED燈泡高達80%的成本;而其餘的Luminaire Optics、Luminaire Assembly、Phospor…等項目,其總和則不到成本的20%。至於實際與LED相關的零組件,更是占不到5%的比例。

以往LED照明業者老是強力要求LED產品供貨商降低供貨售價,根本就是搞錯方向,對於LED燈泡價格的改善是於事無補。如何思索新的設計模型,以便在兼顧效能與成本的需求下,發掘出最合理的LED燈泡新BOM表,才是值得業者投入的方向。
而這當中又以LED產生熱量的處理方式最為重要。若未能有效解決散熱問題,就會提高接麵甚至是整體芯片之溫度,芯片的高溫會導致LED造成下列的影響:
1. 降低發光效率:不同的溫度下,發光效率對溫度的關係圖如下圖,發光的效率會隨著溫度的提升而減少。

2. LED芯片的損壞:一般設計發光二極管的工作溫度不超過120℃,若在超過芯片可承受之高溫下運作,則會造成芯片的失效及損壞。
3. LED之壽命衰退:承接著第2點,在高溫之下點亮的LED其使用壽命也隨之減少。
4. 中心波長偏移:隨著芯片溫度的提升,中心波長會有所偏移,而此偏移現象會造成LED的色彩變化。
5. 封裝材材料化:用於LED的封裝材料多為高分子材料,若持續在高溫下作用,會使封裝的材料脆化及劣化。
二、 HV LED簡介
隨著發光二極管的製程技術以及效率的不斷提升,為了配合市場的發展需求,朝著更大功率及更高亮度來發展,也就是說高功率的LED已經成為趨勢。HV LED不僅能將家用交流電源透過外接全波整流器來驅動,也可以利用直流電來驅動,應用的範圍相當的彈性。而高壓發光二極管的芯片的發光效率比一般在正負半周轉換的AC LED要高。

也因為HV LED高電壓的特性,使得在相同電功率輸入時,相對於傳統的DC LED芯片結構而言,可降低流過HV LED每塊微晶粒之電流,也因為HV LED小電流、多微晶粒的設計,因此可提高電流分布的均勻性。HV LED單元間的互聯是利用基板上的布線完成的,封裝製程簡單,封裝成本相對低廉,因此高壓低電流的設計產生更佳的發光效率。
相比低壓LED,高壓LED有兩大明顯競爭優勢:
第一,在同樣輸出功率下,高壓LED所需的驅動電流大大低於低壓LED。
第二,高壓LED可以大幅降低AC-DC轉換效率損失。

三、 HV芯片+Ceramic基板+COB封裝
隨著LED朝著高功率方向的發展,導熱、散熱相關問題的解決也勢在必行,而解決此類問題的途徑也相當多元化。針對大功率LED照(zhao)明(ming)的(de)散(san)熱(re)技(ji)術(shu),采(cai)用(yong)陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)。由(you)於(yu)具(ju)有(you)與(yu)半(ban)導(dao)體(ti)有(you)接(jie)近(jin)的(de)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)與(yu)較(jiao)高(gao)的(de)耐(nai)熱(re)能(neng)力(li),能(neng)有(you)效(xiao)地(di)解(jie)決(jue)熱(re)歪(wai)斜(xie)及(ji)高(gao)溫(wen)工(gong)藝(yi)問(wen)題(ti)。陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)特(te)性(xing)如(ru)下(xia):
1.可用於PKG數組封裝。
2.可用於高電壓、高溫度的製程並與LED有良好的熱膨脹匹配係數。
3.厚度薄、尺寸小散熱性佳。
4.工作溫度非常高,可適用高功率LED使用。
5.壽命長、可抗腐蝕、耐高溫、物理特性穩定。
在COB封裝中,由於散熱路徑較短,LED芯片由工作中產生的熱能可以有效傳遞至散熱片,因為具有這樣的特性,COB封裝可以比傳統離散式組件封裝維持更低的LED芯片接麵溫度。LED接麵溫度在LED壽命與效能表現扮演相當關鍵的角色,較低的接麵溫度由於劣化程度較低,因此壽命較長,此外,LED在溫度較低時,每單位功率輸入的光輸出也較高。簡單來說,COB封裝可讓終端使用者以更少的溫度管理需求或更低的係統成本,得到比傳統離散式組件封裝更好的效能產品。

四、 結論:
長久以來,LED的散熱問題是影響其發光效率的關鍵,因此成為照明業者努力改善的重點課題。其中,封裝技術對於LED的散熱效能扮演著相當重要的角色,尤其是因應照明應用的需要,高功率LED的封裝技術的發展動向亦引發關注,現在COB型LED陶瓷基板具有比支架低的熱阻係數,是最適合高瓦數LED的封裝結構。
隨著LED芯片發光效率的提升,未來照明勢必以成本及可靠度為第一考慮因素。因此Stately綜元光源采用的HV 芯片+Ceramic基板+COB封裝是目前室內照明係統光、機、電、熱提最佳的解決方案。
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