LED发展历史

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1、LED显示器件发展简史和应用趋势概述新型LED显示器件有功耗低、亮度高、寿命长、尺寸小等优点,本文从LED显示器件的发展简史开始, 探讨了表面贴装LED、汽车应用中的LED和照明用LED的发展趋势,对于从事显示器件开发的中国工程 师有一定参考价值。全球第一款商用化发光二极管(LED)是在1965年用错材料作成的,其单价为45美元。随后不久Monsa nto和惠普公司也推出了用GaAsP材料制作的商用化LED。这些早期的红色LED毎瓦大约能提供0.1流 明(lumens)的输出光通量,比一般的60至100瓦白炽灯的15流明要低100倍。1968年,LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使G

2、aAsP器件的效率达到了 1流明/瓦，并且 能够发出红光、橙光和黄色光。到1971,业界又推出了具有相同效率的GaP绿色裸片LED。1972年开始有少最LED显示屏用于钟表和计算器。全球首款采用LED的于表垠初还是在昂贵的珠宝商 店出售的，其售价竞然高达2,100美元。几乎与此同时，惠普与徳州仪器也推出了带7段红色LED显示 屏的计算器。到20世纪70年代，山于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价榕直线下跌.事实上，LE D是那个时代主打的数字与文字显示技术。然而在许多商用设备中，LED显示屏也逐渐受到了來自其它显 示技术的激烈竞争，如液晶、等离子体和真空荧光管显示器。这种竞争性

3、激励LED制造商进一步拓展他们的产品类型，并积极寻求LED具有明显竞争优势的应用领域。 此后LED开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯栅和条线图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不 断増长，从2位数字到3位其至4位，从7段数字到能够显示复杂的文字与图案组合的1 4或16段阵列。 到1 980年制造商开始提供智能化的点阵LED显示屏。80年代早期的重大技术突破是开发HIT AIGaAs LED,它能以毎瓦10流明的发光效率发出红光。这一技 术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位安装停止灯(CHMSL)设备。1990年，业 界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的Alln

4、GaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要 高出1 0倍。今天，最亮的材料应是透明基底AllnGaP。在1991年至2001年期间，材料技术、裸片尺寸和外形方面 的进一步发展使衙用化LED的光通最提高了将近20倍。对高强度蓝光LED的不断研发产生了好几代亮度越來越高的器件。在1990年左右推出的基于碳化硅(Si C)裸片材料的LED效率大约是0.04流明/瓦,发出的光强度很少有超过15毫堪(millicandel)的。90年 代中期的技术突破实现了第一个基于GaN的实用LED。现在还有许多公司在用不同的基底如蓝宝石和Si C生产GaN LED,这些LED能够发出绿光、蓝光或紫罗兰等颜色。高

5、亮蓝色LED的发明使真彩广告显 示屏的实现成为可能，这样的显示屏能够显示真彩、全运动的视频图像。蓝光LED的出现使人们还能利用倒行转换的磷光材料将较高能最的蓝光部分地转换成其它颜色。将蓝光与 转换磷的黄光整合在一起就能得到口光，闻整合适半数戢的蓝光与红橙磷(reddish orange phospher) 则可以产生略带桃色或紫色的色彩。现在仅用LED光源就能完全覆盖CIE色度曲线中的所有饱和颜色， 并且各种颜色LED与磷的有机整合几乎能够毫无限制地产生任何颜色。在可*性方面，LED的半衰期(即光输出杲减少到最初值一半的时间)大概是1力到10力小时。相反，小 型指示型口炽灯的半衰期(此处的半衰

6、期指的是有一半数量的灯失效的时间)典型值是10力到数千小时不 等，具体时间取决于灯的额定工作电流。表血贴装LED为了利用自动化组装技术降低制适成本,从20世纪80年代开始业界逐渐推广使用表面贴装器件(SMT), 90年代这一技术得到了进一步强化。最初的SMT LED作为低功率器件被主要用于指示设备和手机键盘的 照明，后來又开发出大功率的SMT器件用于汽车面板照明、刹车灯，并扩展用于专业和一般的照明设备。SMT是蜂窝/PCS电话机的主要技术要求，现在看來这一市场仍具有极大的发展潜力。2001年全球手机 的制造最大约有3.8亿部，据预测今年的制造量将上升到4.3亿部，到2005年将达到5.2亿部。

7、一部手 机平均要使用10个表贴型LED,也即意:味着仅手机市场对LED的需求就达到了 40亿个。手机功能的不断升级也进一步刺激了对更高性能LED的需求。确切说，手机设计人员需要多种多样的LE D,包括更高亮度的单色LED器件、真彩LCD显示屏(特别是第2.5代和第3代手机的LCD)背景光源用 的白色LED以及实现产品差异化所需的蓝色和紫罗兰色等待殊色LED。同时，山于手机的复杂度越來越 高，体枳也越來越小，有更多的用户对LED提出了更薄更小外形包装的要求。特别是越来越多的人希望高性能LED能提供“芯片LED”的表贴封装，即工业标准的1.6X0.8mm外形 尺寸。话机制造商要求对LED的颜色与强

8、度进行分类，以确保背景光源设备能与用户需求取得高度一致。这样做 能使LED非常适合用于背景光源设备，即LCD、按键、前面板、符号与键盘背景照明等，因为这些设备 上颜色与光强度的和谐统一非常重要。汽车应用中的LED在汽车内外，照明设备中用得最多的还是口炽灯，但设汁师与汽车制进商正在逐渐采纳LED,开始时LED 可能只用于豪华型汽车，但慢慢会过渡到大多数汽车上。LED的最大卖点之一是具有很长的平均无故障工 作时间(MTBF), LED照明器件的使用寿命一般都要超过汽车本身的寿命。有很多种LED产品，其封装和器件适合仪表板、空调、收音机和电子开关等汽车内部照明设备使用。例如 那些SMT器件就非常适合

9、汽车仪表板使用。多用途的3mm和5mm注塑灯仍是汽车内部照明设备和外 部照明设备的候选产品，目前这些器件已被广泛应用于中央高位安装停止灯(CHMSL)设备中。对内部和外部照明设备來说,LED汽车灯装置与口炽灯装置的热设计有很大不同。这是因为白炽灯会产生 相当大的热量，而白炽灯泡能承受这样的高温环境。LED灯阵列所产生的热最一般要比白炽灯少，但LED 灯的域大内部温度必须保持在推荐的上限范围以内才能保持LED的可夕工作,如果超HI LED灯的最高结温, 就可能山于环氧材料的膨胀而导致导线粘结剂或被抬髙的LED裸片发生突发性故障。在湿度比较高的热循 环或加强型热循环环境中，这些故障会显得尤其突出。

10、LED灯的故人内部结温受限于环氧封装材料的热膨胀特性。与汽车白炽信号灯设计相比,山于存在故人结 温的限制，LED汽车信号灯设计必须认真考虑热设计问题。用于照明的LED传统LED灯中使用的芯片是0.25X0.25m m大小，而照明用的LED-般都要在1.0X 1.0mm以上。 专注于结构化裸片成型的设计工作台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计能够改善LED的发光效率， 从而使芯片发出更多的光。封装设计方面的革新包括将高传导率的金属块用作基底、倒装芯片设计和裸盘浇铸式引线框等，这些方法 都能设计出可高功率、低热阻的器件，而且这些器件能比以前的器件照度更大。H前-个典型的高光通量LED器件能够产生几

11、流明到数十流明的光通量。吏新的设计可以在一个器件中集 成更多的LED,或者在单个组装件中安装多个器件，从而使输出的流明数相当于小型白炽灯。例如，一个 高功率的12芯片单色LED器件能够输出200流明的光能帚，所消耗的功率在1 0到1 5瓦之间。LED已经被广泛应用于各种照明设备中，如电池供电的闪光灯、微型声控灯、安全照明灯、室内室外道路 和楼梯照明灯以及建筑物与标记连续照明灯。本文小结随着时代的发展,我们将开发更多新的芯片级结构，以获得更好的光能提収以及幅性能。磷材料的开发与 磷掺杂工艺的改进有望继续提高磷转换式彩色发光二极管的发光效率。在引线框、PCB和注模技术等基底 设计方面的更深入研发有

12、架进一步降低封装和材料的成木，从而降低LED器件每个流明的总体成木。LED发光二极管历史：早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材 料是GaAsP,发红光（X p= 650nm ）,在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分Z几个 流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N,使LED产生绿光（Xp=555nm）,黄光（Xp=590n m ）和橙光（入p=610nm）,光效也提高到1流明厂乩。到了 80年代初，出现了 GaAIAs的LED光源，使得红色LED的光效达到1 0流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAllnP和发绿、蓝

13、光的Gal nN两种新材料的开发成功，使 LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、师 （Xp=615nm） 的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（入p=530nm）的光效可以达 到50流明/瓦。从1998年发白光的LED开发成功，至U 02年开始，由于手机彩色化的趋 势，手机背光源采用白光LED的趋势更加明显，預期未來几年H光LED將如蓝光LED 样呈現高度的成长模式。白光LED的技术概况自从岀现发光二极管LED以来，人们一直在努力追求实现固体光源，随着发光二极管LED 制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，使发白色光的LE

14、D 半导体固体光源性能不断完善并进入实用阶段。白光LED的出现，使高亮度LED应用领域 跨足至高效率照明光源市场。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡 2麻，最伟大的发明乙一。所谓片光是多种颜色混合而成的光，以人类眼睛所能见的H光形 式至少须两种光混合，如二波长光（蓝色光+黄色光）或三波长光（蓝色光+绿色光+红色光）， 目前已商品化的产品仅有二波长蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，在未来较被看好的是三 波长光，以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，此外有机单层三波长型白光LED也有 成木低、制作容易的优点。预计三波长白光LED今年有商品化的机机会，未来应用在取代 荧光灯、紧

15、凑熨节能荧光灯泡及LCD背光源等市场，对白光LED的市场成长有很大的帮助。在技术方面白光LED目前主要分为两种发光方式：目前主要的商品化作法是日亚化学 （Nichia）以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射 此一荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光 予以混合，便可得出肉眼所需的白光。白光LED JT-发基础在于蓝光技术，日前在蓝光LED 技术方面仍以口亚化学领先，拥有众多专利权。第二种是口本住友电T亦开发出以ZnSe 为材料的白光LED,不过发光效率较差，但由于目前白光LED市场热销，仍呈现供不应由 求现象。白光

16、LED的应用与市场规模新世纪照明主流是高亮度口光LED的终极H标。对口光LED而言，照明替换市场是相当有潜力的。过去 常规LED只能在产品上充当指示灯号，而今随著技术进步、亮度提升，高亮度白光LED正一步步进军潜 力庞大无比的灯光照明市场。根据Frost&Sullivan的统计，当前全球照明市场的年均成长率约为5.5%, 2000年市场规模达45亿美元，是可见光LED的2倍以上。若以每年白光LED发光效率平均成长60% 的速度开发下去，要达到大型化、低价化、使用寿命氏的照明用光源并非不可能。业界一般认为，白光LED 照明市场可望在2010年左右趋于成熟.目前日亚化工、丰HI合成、SONY、住友电工等业者都己有初步 的照明产品问世，唯因价格与常规灯泡相比仍有很大的差距。预计未來10年内，高亮度LED对全球照明 工业将造成巨大的冲击。正因为此 各界都对白光LED寄以厚望，有绿色照明光源之称。表三:白光LED市场