认识LED灯泡, 你可以再近一点

zjlmhwq
发布于 2013-03-25 #结构设计与模具直接看回复推送文章

本帖最后由 zjlmhwq 于 2013-3-25 07:41 编辑

你家也装了 LED灯泡吗？来自加拿大的科技分析机构 MuAnalysis 拆开LG的LED灯泡给你看！LED灯泡除了性能不断提升，价格也越来越便宜；在去年，一颗常见的 A19 规格LED灯泡价格约在20~60美元，但今年，如这款 LG 的顶级LED灯泡产品，只要10美元就买得到。目前市面上的 LED灯泡发光效率与省电灯泡(compact fluorescent light bulbs，CFLs)几乎相当，每瓦约50~60 流明(lumens/watt)；不过当CFL技术已经趋于成熟，LED照明技术仍持续演进。MuAnalysis所拆解的7.5瓦LG灯泡亮度为485流明，发光效率约每瓦65流明；是取代40瓦白炽灯泡的产品。不过若要达到485流明亮度，传统40瓦白炽灯泡的发光效率仅每瓦12流明、仅是前者的五分之一

LG的7.5W、A19规格LED灯泡LB08D830L0A.E50JWU0外观与包装
若以 LED灯泡──包括这款LG产品──来取代传统台灯内的白炽灯泡，其光线有个特性是向上的，这是因为其内部的LED发光器是水平放置；为改善这个问题，另一款飞利浦(Philips)的LED灯泡采用三片垂直摆放的LED发光板。但无论如何，LED灯泡运用在高过肩膀的阅读灯或是台灯，其照明度还是很均匀、也不会让被照射目标发热。

LED灯泡光线的向上特性是与发光器水平摆放形式有关
目前常见的台灯设计，多是因应白炽灯泡光源散射的特性；台灯的中轴是灯泡座、并搭配灯罩提供光线散布与散热效果。这种台灯设计也很方便让使用者替换寿命较短的白炽灯泡，与其上一代灯具──油灯──的外观长相是截然不同的；在一开始，消费者对白炽灯台灯的接受度并不佳，但假以时日，它很快取代了油灯。
现在，灯具设计也必须开始适应新一代的LED光源特性，而且其演化速度可能会更快。当LED照明的生命周期达到十年以上，替换灯泡不再是个大问题，照明灯具就能有更多样化的外观设计，而且灯具业者也必须认清，传统的台灯设计与LED灯泡特性其实是不相配的。
市场研究机构Strategies Unlimited预测，全球传统照明灯具汰换市场，将由2011年的22亿美元，在2016年成长至37亿美元；而LED照明所拥有的优势更胜于省电灯泡，它不含水银、又可迅速点亮──省电灯泡让人诟病的一个问题，就是开启后得等上相对较长的一段时间才会达到最高亮度。
LED灯泡是结构复杂的电子装置；LED本身是二极管LED照明组件，仅需约3V左右直流电压就可运作；以下拆解的LG灯泡虽然不可调光，但市面上也有其他价格较高的型号是可调光的，以提供消费者更多选择。而与省电灯泡类似，LED灯泡的颈部内也有小型电路板。

分解LED灯泡

将LED灯泡颈部、尾端拆开，取出内部的电路板

LED灯泡颈部内电路板特写──正面
LED灯泡颈部内电路板特写──背面

LED灯泡颈部内电路板上的组件包括变压器、数个电容、以及晶体管；LED控制芯片是放置在一个水平封装的子板上
LED灯泡亮度高，但其实内部的LED芯片非常小；这款LG产品采用了32颗LED芯片，每一颗的尺寸仅0.5mm见方，比米粒还小。这些LED芯片是以4颗一组的形式放置在涂成黄色的小半圆顶下；那是一种荧光介质(fluorescent medium)，能将氮化镓(gallium nitride)晶粒发出的蓝光转换成白光。
人们常会用磷光剂(phosphor)这个词来称呼以上那种荧光介质，但是其实该介质内可能根本没有磷的成分。在下图的LED发光器中，内含一小部分的钇铝石榴石(yttrium aluminum-garnet，YAG)，以及用透明硅胶合成的钡(barium)、锶(strontium)与硅酸钙(calcium silicate)；依据不同的色温需求，例如要冷白光或是暖白光，会使用不同的化学材料。

每颗尺寸0.5mm见方、厚度0.1mm 的LED芯片，以4颗一组的形式放置在黄色的小半圆顶下

LED发光器背面的散热设计

显微镜下的LED芯片特写，可见上面的内嵌电极
每颗LED芯片尺寸都非常小，而其大部分都是支撑材料；斜切开LED芯片看两个焊极的截面，其中一个可见到厚度仅约7u?m、非常薄的氮化镓(GaN)，放置在厚度约0.1mm的蓝宝石基板上；蓝宝石基板是做为氮化镓的长晶介质。
蓝宝石基板上的凸块图案可减低氮化镓的位错密度(dislocation density)；在芯片运作时，蓝宝石基板则可提供结构支撑与散热效果。氮化镓层其实底部有6um厚度是用不到的，该结晶层、也就是发光区域的质量，是透过逐渐改善才达到最上方的1um。该发光区域实际上的数量等级(order of magnitude)又更小，在奈米范围内、且距离芯片表面约100奈米。