LED顯示器件發展簡史和應用趨勢
2006/9/18 15:35:29 電源在線網
新型LED顯示器件有功耗低、亮度高、壽命長、尺寸小等優點，本文從LED顯示器件的發展簡史開始，探討了表面貼裝LED、汽車應用中的LED和照明用LED的發展趨勢，對于從事顯示器件開發的中國工程師有一定參考價值。
全球第一款商用化發光二極管(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的研發取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發出紅光、橙光和黃色光。到1971，業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70年代，由于LED器件在家庭與辦公設備中的大量應用，LED的價格直線下跌。事實上，LED是那個時代主打的數字與文字顯示技術。然而在許多商用設備中，LED顯示屏也逐漸受到了來自其它顯示技術的激烈競爭，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品類型，并積極尋求LED具有明顯競爭優勢的應用領域。此后LED開始應用于文字點陣顯示器、背景圖案用的燈柵和條線圖陣列。數字顯示屏的尺寸和復雜度在不斷增長，從2位數字到3位甚至4位，從7段數字到能夠顯示復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突破是開發出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的發光效率發出紅光。這一技術進步使LED能夠應用于室外運動信息發布以及汽車中央高位安裝停止燈(CHMSL)設備。1990年，業界又開發出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術，這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍。
今天，最亮的材料應是透明基底AlInGaP。在1991年至2001年期間，材料技術、裸片尺寸和外形方面的進一步發展使商用化LED的光通量提高了將近20倍。
對高強度藍光LED的不斷研發產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，發出的光強度很少有超過15毫堪(millicandel)的。90年代中期的技術突破實現了第一個基于GaN的實用LED。現在還有許多公司在用不同的基底如藍寶石和SiC生產GaN LED，這些LED能夠發出綠光、藍光或紫羅蘭等顏色。高亮藍色LED的發明使真彩廣告顯示屏的實現成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖像。
藍光LED的出現使人們還能利用倒行轉換的磷光材料將較高能量的藍光部分地轉換成其它顏色。將藍光與轉換磷的黃光整合在一起就能得到白光，而整合適當數量的藍光與紅橙磷(reddish orange phospher)則可以產生略帶桃色或紫色的色彩。現在僅用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量的燈失效的時間)典型值是10萬到數千小時不等，具體時間取決于燈的額定工作電流。
為了利用自動化組裝技術降低制造成本，從20世紀80年代開始業界逐漸推廣使用表面貼裝器件(SMT)，90年代這一技術得到了進一步強化。最初的SMT LED作為低功率器件被主要用于指示設備和手機鍵盤的照明，后來又開發出大功率的SMT器件用于汽車面板照明、剎車燈，并擴展用于專業和一般的照明設備。
SMT是蜂窩/PCS電話機的主要技術要求，現在看來這一市場仍具有極大的發展潛力。2001年全球手機的制造量大約有3.8億部，據預測今年的制造量將上升到4.3億部，到2005年將達到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以及實現產品差異化所需的藍色和紫羅蘭色等特殊色LED。同時，由于手機的復雜度越來越高，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，即工業標準的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備，即LCD、按鍵、前面板、符號與鍵盤背景照明等，因為這些設備上顏色與光強度的和諧統一非常重要。
在汽車內外，照明設備中用得最多的還是白熾燈，但設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產品，其封裝和器件適合儀表板、空調、收音機和電子開關等汽車內部照明設備使用。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注塑燈仍是汽車內部照明設備和外部照明設備的候選產品，目前這些器件已被廣泛應用于中央高位安裝停止燈(CHMSL)設備中。
對內部和外部照明設備來說，LED汽車燈裝置與白熾燈裝置的熱設計有很大不同。這是因為白熾燈會產生相當大的熱量，而白熾燈泡能承受這樣的高溫環境。LED燈陣列所產生的熱量一般要比白熾燈少，但LED燈的最大內部溫度必須保持在推薦的上限范圍以內才能保持LED的可靠工作，如果超出LED燈的最高結溫，就可能由于環氧材料的膨脹而導致導線粘結劑或被抬高的LED裸片發生突發性故障。在濕度比較高的熱循環或加強型熱循環環境中，這些故障會顯得尤其突出。
LED燈的最大內部結溫受限于環氧封裝材料的熱膨脹特性。與汽車白熾信號燈設計相比，由于存在最大結溫的限制，LED汽車信號燈設計必須認真考慮熱設計問題。
傳統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。專注于結構化裸片成型的設計工作-臺式結構、倒金字塔結構和倒裝芯片設計能夠改善LED的發光效率，從而使芯片發出更多的光。
封裝設計方面的革新包括將高傳導率的金屬塊用作基底、倒裝芯片設計和裸盤澆鑄式引線框等，這些方法都能設計出可高功率、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器件能夠產生幾流明到數十流明的光通量。更新的設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相當于小型白熾燈。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已經被廣泛應用于各種照明設備中，如電池供電的閃光燈、微型聲控燈、安全照明燈、室內室外道路和樓梯照明燈以及建筑物與標記連續照明燈。
全球第一款商用化發光二極管(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的研發取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1流明/瓦，并且能夠發出紅光、橙光和黃色光。到1971，業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70年代，由于LED器件在家庭與辦公設備中的大量應用，LED的價格直線下跌。事實上，LED是那個時代主打的數字與文字顯示技術。然而在許多商用設備中，LED顯示屏也逐漸受到了來自其它顯示技術的激烈競爭，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品類型，并積極尋求LED具有明顯競爭優勢的應用領域。此后LED開始應用于文字點陣顯示器、背景圖案用的燈柵和條線圖陣列。數字顯示屏的尺寸和復雜度在不斷增長，從2位數字到3位甚至4位，從7段數字到能夠顯示復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突破是開發出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的發光效率發出紅光。這一技術進步使LED能夠應用于室外運動信息發布以及汽車中央高位安裝停止燈(CHMSL)設備。1990年，業界又開發出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術，這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍。
今天，最亮的材料應是透明基底AlInGaP。在1991年至2001年期間，材料技術、裸片尺寸和外形方面的進一步發展使商用化LED的光通量提高了將近20倍。
對高強度藍光LED的不斷研發產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，發出的光強度很少有超過15毫堪(millicandel)的。90年代中期的技術突破實現了第一個基于GaN的實用LED。現在還有許多公司在用不同的基底如藍寶石和SiC生產GaN LED，這些LED能夠發出綠光、藍光或紫羅蘭等顏色。高亮藍色LED的發明使真彩廣告顯示屏的實現成為可能，這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運動的視頻圖像。
藍光LED的出現使人們還能利用倒行轉換的磷光材料將較高能量的藍光部分地轉換成其它顏色。將藍光與轉換磷的黃光整合在一起就能得到白光，而整合適當數量的藍光與紅橙磷(reddish orange phospher)則可以產生略帶桃色或紫色的色彩。現在僅用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量的燈失效的時間)典型值是10萬到數千小時不等，具體時間取決于燈的額定工作電流。
為了利用自動化組裝技術降低制造成本，從20世紀80年代開始業界逐漸推廣使用表面貼裝器件(SMT)，90年代這一技術得到了進一步強化。最初的SMT LED作為低功率器件被主要用于指示設備和手機鍵盤的照明，后來又開發出大功率的SMT器件用于汽車面板照明、剎車燈，并擴展用于專業和一般的照明設備。
SMT是蜂窩/PCS電話機的主要技術要求，現在看來這一市場仍具有極大的發展潛力。2001年全球手機的制造量大約有3.8億部，據預測今年的制造量將上升到4.3億部，到2005年將達到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以及實現產品差異化所需的藍色和紫羅蘭色等特殊色LED。同時，由于手機的復雜度越來越高，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，即工業標準的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備，即LCD、按鍵、前面板、符號與鍵盤背景照明等，因為這些設備上顏色與光強度的和諧統一非常重要。
在汽車內外，照明設備中用得最多的還是白熾燈，但設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產品，其封裝和器件適合儀表板、空調、收音機和電子開關等汽車內部照明設備使用。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注塑燈仍是汽車內部照明設備和外部照明設備的候選產品，目前這些器件已被廣泛應用于中央高位安裝停止燈(CHMSL)設備中。
對內部和外部照明設備來說，LED汽車燈裝置與白熾燈裝置的熱設計有很大不同。這是因為白熾燈會產生相當大的熱量，而白熾燈泡能承受這樣的高溫環境。LED燈陣列所產生的熱量一般要比白熾燈少，但LED燈的最大內部溫度必須保持在推薦的上限范圍以內才能保持LED的可靠工作，如果超出LED燈的最高結溫，就可能由于環氧材料的膨脹而導致導線粘結劑或被抬高的LED裸片發生突發性故障。在濕度比較高的熱循環或加強型熱循環環境中，這些故障會顯得尤其突出。
LED燈的最大內部結溫受限于環氧封裝材料的熱膨脹特性。與汽車白熾信號燈設計相比，由于存在最大結溫的限制，LED汽車信號燈設計必須認真考慮熱設計問題。
傳統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。專注于結構化裸片成型的設計工作-臺式結構、倒金字塔結構和倒裝芯片設計能夠改善LED的發光效率，從而使芯片發出更多的光。
封裝設計方面的革新包括將高傳導率的金屬塊用作基底、倒裝芯片設計和裸盤澆鑄式引線框等，這些方法都能設計出可高功率、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器件能夠產生幾流明到數十流明的光通量。更新的設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相當于小型白熾燈。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已經被廣泛應用于各種照明設備中，如電池供電的閃光燈、微型聲控燈、安全照明燈、室內室外道路和樓梯照明燈以及建筑物與標記連續照明燈。
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