led显示屏封装工艺,led灯光污染与可能采取措施

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  • Post last modified:2022年6月23日

今日导读:随着城市建设进程的不断推进,户外LED大屏幕在城市里“遍地开花”,与其相关的光污染、光感染等问题也开始逐步暴露出来。 今天匠心文化小编就针对这个问题来给大家做详细的介绍

  随着城市建设进程的不断推进,户外LED大屏幕在城市里“遍地开花”,与其相关的光污染、光感染等问题也开始逐步暴露出来。

  今天匠心文化小编就针对这个问题来给大家做详细的介绍。

  目前来说,一般有以下几种方法规避光污染:

  合理规划大屏幕面积和安装位置:根据观看的距离、周围环境和观看角度,合理规划显示面积和位置。

  使 LED大屏幕的安装保持一定的倾斜度和一定的高度。

  当LED大屏幕与垂直面的倾斜度小于45°时,更符合人的视角,能够减少LED大屏幕的直射光、逸散光对周边的环境影响。

  LED大屏幕安装在距地面10m以内的高度,能够减少逸散光和直射光对周边环境的影响。

  适当控制LED大屏幕的亮度:由于夜晚周围环境的亮度较低,通过亮度调节技术降低夜晚LED大屏幕的亮度,白天恢复设计亮度,这样既不影响LED大屏幕的效果,也降低了夜间光污染,节约了电能。

  合理设计播放内容:由于LED大屏幕的光污染与显示的色彩密切相关,因此设计播放影片时要多用高纯度的颜色,多使用混合色,尽量少使用低纯度、高亮度的颜色作为主色;上一个视频与下一个视频之间的转接宜缓不宜急;不要采用闪烁太多的画面。

  采用可自动调节亮度的调节系统:不同的时间、环境亮度变化很大,如果LED大屏幕的亮度大于环境过多,特别是在晚上,强烈的眩光会造成人们眼睛的不适应。

  通过自动亮度调整系统,就能自动换算适合环境的播出亮度,避免光污染。

  除了以上方法,业内人士关注更多的是如何通过对封装器件的改良来减少LED大屏幕光污染问题。

  目前来说,不管是直插器件还是表贴器件,都有厂家推出了各自的解决方案。

  直插器件非对称的光学设计

  按照绝大部分观看者的视线来说,LED大屏幕的上视角是LED大屏幕的无效显示范围。

  因此,以美国科锐、日本日亚为代表的封装厂商通过对直插器件进行非对称的光学设计,将上视角的部分能量,转移到下视角的可视范围内,提高在有效亮度。

  通过这样的非对称光学设计,从而达到增加下视角有效可视范围内亮度,避免对居民楼、夜空等无效可视范围造成光污染。

  表贴黑灯提高屏幕清晰度

  有研究表明,人眼对于色彩的感受,要大于对亮暗的感受。

  一般来说对比度越大,图像越清晰醒目,色彩也越鲜明艳丽;而对比度小,则会让整个画面都灰蒙蒙的,人眼也不容易分辨。

  另外,对比度对于动态视频显示效果影响要更大一些,由于动态图像中明暗转换比较快,对比度越高,人的眼睛越容易分辨出这样的转换过程。

  所以,在户外环境中与其一味追求的高亮度造成光污染,也许增加LED大屏幕的对比度从而提高图像的可识别性是更为可行的方法。

  在同等亮度下,对比度越大,显示的图像层次感越强,越生动,消费者也会有更清晰的观看效果。

  在这种理念下,欧司朗、国星光电等封装企业加大力度了对SMD黑灯的推广力度,从器件环节减少户外LED大屏幕的光污染问题。

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  LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的,但却有很大的特殊性。

  LED显示屏在一般情况下,分立器件的管芯被密封在封装体内,封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。

  而LED封装则是完成输出电信号,保护管芯正常工作,输出:可见光的功能,既有电参数,又有光参数的设计及技术要求,无法简单地将分立器件的封装用于LED。

  LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯,当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时,就会发出可见光,紫外光或近红外光。

  但pn结区发出的光子是非定向的,即向各个方向发射有相同的几率,因此,并不是管芯产生的所有光都可以释放出来,这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料,应用要求提高LED的内、外部量子效率。

  常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上,管芯的正极通过球形接触点与金丝,键合为内引线与一条管脚相连,负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连,然后其顶部用环氧树脂包封。

  反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光,向期望的方向角内发射。

  顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用:保护管芯等不受外界侵蚀;采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂),起透镜或漫射透镜功能,控制光的发散角;管芯折射率与空气折射率相关太大,致使管芯内部的全反射临界角很小,其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失,选用相应折射率的环氧树脂作过渡,提高管芯的光出射效率。

  用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性,绝缘性,机械强度,对管芯发出光的折射率和透射率高。

  选择不同折射率的封装材料,封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的,发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。

  若采用尖形树脂透镜,可使光集中到LED的轴线方向,相应的视角较小;如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型,其相应视角将增大。

  一般情况下,LED的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃,光谱宽度随之增加,影响颜色鲜艳度。

  另外,当正向电流流经pn结,发热性损耗使结区产生温升,在室温附近,温度每升高1℃,LED的发光强度会相应地减少1%左右,封装散热;时保持色纯度与发光强度非常重要,以往多采用减少其驱动电流的办法,降低结温,多数LED的驱动电流限制在20mA左右。

  但是,LED的光输出会随电流的增大而增加,目前,很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级,需要改进封装结构,全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术,改善热特性。

  例如,采用大面积芯片倒装结构,选用导热性能好的银胶,增大金属支架的表面积,焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。

  此外,在应用设计中,PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。

  进入21世纪后,LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新,红、橙LED光效已达到100Im/W,绿LED为501m/W,单只LED的光通量也达到数十Im。

  LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式,在增加芯片的光输出方面,研发不仅仅限于改变材料内杂质数量,晶格缺陷和位错来提高内部效率,同时,如何改善管芯及封装内部结构,增强LED内部产生光子出射的几率,提高光效,解决散热,取光和热沉优化设计,改进光学性能,加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。

  产品封装结构类型

  自上世纪九十年代以来,LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破,透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构,商品化的超高亮度(1cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市,如表1所示,2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。

  LED的上、中游产业受到前所未有的重视,进一步推动下游的封装技术及产业发展,采用不同封装结构形式与尺寸,不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式,可生产出多种系列,品种、规格的产品。

  LED产品封装结构的类型如表2所示,也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。

  单个管芯一般构成点光源,多个管芯组装一般可构成面光源和线光源,作信息、状态指示及显示用,发光显示器也是用多个管芯,通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的,构成发光显示器的发光段和发光点。

  表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED,应用设计更灵活,已在LED显示市场中占有一定的份额,有加速发展趋势。

  固体照明光源有部分产品上市,成为今后LED的中、长期发展方向。

  引脚式封装

  LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。

  标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案,典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封内,其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板,再散发到空气中,如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。

  包封材料多采用高温固化环氧树脂,其光性能优良,工艺适应性好,产品可*性高,可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装,不同的透镜形状构成多种外形及尺寸,例如,圆形按直径分为Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等数种,环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。

  花色点光源有多种不同的封装结构:陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能,引脚可弯曲成所需形状,体积小;金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯,适作电源指示用;闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装,可自行产生较强视觉冲击的闪烁光;双色型由两种不同发光颜色的管芯组成,封装在同一环氧树脂透镜中,除双色外还可获得第三种的混合色,在大屏幕显示系统中的应用极为广泛,并可封装组成双色显示器件;电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装,可直接替代5—24V的各种电压指示灯。

  面光源是多个LED管芯粘嵩谖⑿蚉CB板的规定位置上,采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成,PCB板的不同设计确定外引线排列和连接方式,有双列直插与单列直插等结构形式。

  点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸,供市场及客户适用。

  LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品,由实际需求设计成各种形状与结构。

  以数码管为例,有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构,连接方式有共阳极和共阴极两种,一位就是通常说的数码管,两位以上的一般称作显示器。

  反射罩式具有字型大,用料省,组装灵活的混合封装特点,一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳,将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上,每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区,用压焊方法键合引线,在反射罩内滴人环氧树脂,与粘好管芯的PCB板对位粘合,然后固化即成。

  反射罩式又分为空封和实封两种,前者采用散射剂与染料的环氧树脂,多用于单位、双位器件;后者上盖滤色片与匀光膜,并在管芯与底板上涂透明绝缘胶,提高出光效率,一般用于四位以上的数字显示。

  单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯,然后划片分割成单片图形管芯,粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。

  单条七段式将已制作好的大面积LED芯片,划割成内含一只或多只管芯的发光条,如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上,经压焊、环氧树脂封装构成。

  单片式、单条式的特点是微小型化,可采用双列直插式封装,大多是专用产品。

  LED光柱显示器在106mm长度的线路板上,安置101只管芯(最多可达201只管芯),属于高密度封装,利用光学的折射原理,使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像,完成每只管芯由点到线的显示,封装技术较为复杂。

  半导体pn结的电致发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光,同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光,只能在封装时借助荧光物质,蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉,间接产生宽带光谱,合成白光;或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内,通过色光的混合构成白光LED全彩屏。

  这两种方法都取得实用化,日本2000年生产白光LED达1亿只,发展成一类稳定地发白光的产品,并将多只白光LED设计组装成对光通量要求不高,以局部装饰作用为主,追求新潮的电光源。

  表面贴装封装

  在2002年,表面贴装封装的LED(SMD LED)逐渐被市场所接受,并获得一定的市场份额,从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势,很多生产厂商推出此类产品。

  早期的SMD LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型,外形尺寸3.04×1.11mm,卷盘式容器编带包装。

  在SOT-23基础上,研发出带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列,SLM-245系列LED,前者为单色发光,后者为双色或三色发光。

  近些年,SMD LED成为一个发展热点,很好地解决了亮度、视角、平整度、可*性、一致性等问题,采用更轻的PCB板和反射层材料,在显示反射层需要填充的环氧树脂更少,并去除较重的碳钢材料引脚,通过缩小尺寸,降低重量,可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更趋完美,尤其适合户内,半户外全彩显示屏应用。

  表3示出常见的SMD LED的几种尺寸,以及根据尺寸(加上必要的间隙)计算出来的最佳观视距离。

  焊盘是其散热的重要渠道,厂商提供的SMD LED的数据都是以4.0×4.0mm的焊盘为基础的,采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。

  超高亮度LED产品可采用PLCC(塑封带引线片式载体)-2封装,外形尺寸为3.0×2.8mm,通过独特方法装配高亮度管芯,产品热阻为400K/W,可按CECC方式焊接,其发光强度在50mA驱动电流下达1250mcd。

  七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD LED显示器件的字符高度为5.08-12.7mm,显示尺寸选择范围宽。

  PLCC封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序,符合自动拾取—贴装设备的生产要求,应用设计空间灵活,显示鲜艳清晰。

  多色PLCC封装带有一个外部反射器,可简便地与发光管或光导相结合,用反射型替代目前的透射型光学设计,为大范围区域提供统一的照明,研发在3.5V、1A驱动条件下工作的功率型SMD LED封装。

  功率型封装

  LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装也是其关键技术,能承受数W功率的LED封装已出现。

  5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货,白光LED光输出达1871m,光效44.31m/W绿光衰问题,开发出可承受10W功率的LED,大面积管;匕尺寸为2.5×2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达2001m,作为固体照明光源有很大发展空间。

  Luxeon系列功率LED是将A1GalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中,键合引线进行封装。

  这种封装对于取光效率,散热性能,加大工作电流密度的设计都是最佳的。

  其主要特点:热阻低,一般仅为14℃/W,只有常规LED的1/10;可*性高,封装内部填充稳定的柔性胶凝体,在-40-120℃范围,不会因温度骤变产生的内应力,使金丝与引线框架断开,并防止环氧树脂透镜变黄,引线框架也不会因氧化而玷污;反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。

  另外,其输出光功率,外量子效率等性能优异,将LED固体光源发展到一个新水平。

  Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合,底座直径31.75mm,发光区位于其中心部位,直径约(0.375×25.4)mm,可容纳40只LED管芯,铝板同时作为热沉。

  管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接,根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目,可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯,其发射光分别为单色,彩色或合成的白色,最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。

  这种封装采用常规管芯高密度组合封装,取光效率高,热阻低,较好地保护管芯与键合引线,在大电流下有较高的光输出功率,也是一种有发展前景的LED固体光源。

  在应用中,可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上,形成功率密度LED,PCB板作为器件电极连接的布线之用,铝芯夹层则可作热沉使用,获得较高的发光通量和光电转换效率。

  此外,封装好的SMD LED体积很小,可灵活地组合起来,构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

  功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。

  LED发展及应用前景

  近几年,LED的发光效率增长100倍,成本下降10倍,广泛用于大面积图文显示全彩屏,状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源,汽车组合尾灯及车内照明等等方面,其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。

  极具发展与应用前景的是白光LED,用作固体照明器件的经济性显著,且有利环保,正逐步取代传统的白炽灯,世界年增长率在20%以上,美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。

  目前,普通白光LED发光效率251m/W,专家预计2005年可能超过3001m/W。

  功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域,被学术界和产业界认为是LED进入照明市场的必由之路。

  为替代荧光灯、白光LED必须具有150—2001m/W的光效,且每Im的价格应明显低于0.015/Im(现价约0.25$/Im,红LED为0.065/Im),要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究,但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。

  按固体发光物理学原理,LED的发光效率能近似100%,因此,LED被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。

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  近日来,LED封装企业酝酿涨价事件备受关注,有业内人士指出,目前从供给来看,LED封装原有产品本身定价已经接近材料成本,给企业造成巨大的成本压力,向下游转嫁成本或是一种策略。然而,转嫁成本并非长久之计。

  业内人士表示:未来单纯做LED封装的企业将越来越少!一些LED封装企业将逐步向下游市场延伸,分羹下游市场份额。

  1、LED封装市场竞争白热化 企业另谋出路

  由于LED应用市场渗透率不断提升,多数国际LED封装厂家看好中国国内应用市场,纷纷在国内设立生产基地。在调整型经济下,市场需求放缓明显,供过于求的现象愈加明显。白热化竞争直接导致国际LED封装大厂产品价格亦下滑超过20%,国内封装企业产品价格近乎腰斩,行业增速放缓。数据显示,2015年中国LED封装行业规模预计可达642亿元,同比增长13%,增速较2014年下滑7.1个百分点。

  与此同时,LED封装所处的“尴尬”境地也影响了其发展。众所周知,封装作为上下游之间的衔接环节,在市场不好的时候受影响较大,而市场好转时,又会受到芯片供应不足,下游不断要求降低成本的双重挤压,加之国内国外的整个大环境下竞争压力之下,封装厂家的发展已然显得举步维艰,致使一些封装厂逐步向下游延伸。

  在过去的几年里,不少的LED封装企业通过收购等手段快速扩展至上下游产业链的趋势愈加鲜明。但并购并不是封装企业切入下游应用市场的唯一手段。据悉,LED封装企业有意直接切入下游市场,分羹LED显示屏市场。

  2、发挥封装自身优势 或抢占小间距市场

  在过去的一年里,LED下游应用市场也曾是“叫苦连天”,那么LED封装企业想要分羹的市场何在呢?

  众所周知,LED下游应用市场中,LED照明曾经绝对是一块肥沃的土壤,但早在2014年前的中国市场,出身封装,搅局下游照明应用者就出现了。以LED封装业务为主营业务上市的企业中,涉及下游LED照明业务的主要有国星光电、鸿利光电、万润科技、长方照明等,如今已经是初具规模。传统的照明业务已被瓜分,其他的LED封装厂商想要在已经成型的领域创新发展,似乎也不太现实。

  与此相比,LED显示屏的市场显然更具吸引力。据统计数据显示,2014年,全球LED显示(包含显示屏及其他背光产品)的市场规模已经达到96亿美元,根据预测,未来一段时期全球LED显示屏的市场需求仍将保持快速增长,未来5年的年均增速将超过20%,预计到2020年,全球LED显示屏的市场规模将达到300亿美元。而LED封装企业要发展新业务看中的是其未来市场前景与现存的空间,显然LED显示屏的市场正好符合这些要求。

  但是,我们不得不正视一点,目前LED显示屏市场格局基本成型,传统的LED显示屏产品趋向饱和,这时LED封装企业的切入就需要发挥自身的优势。

  从应用层面来看,随着小间距的发展成熟,目前LED显示屏市场处在一种“求大于供”的状态。且由于户内和户外小间距更密了,因此市场对灯珠的需求数量在增加。而作为掌握LED封装技术的企业,转入小间距市场则能够保证期原材料的供应以及成本的控制,利用自身的优势制造出相对物美价廉的小间距的产品,而这也将对原有的显示屏企业带来更大的冲击。

  3、分羹显示市场 势必会引起“鲢鱼效应”

  封装企业一旦进入下游市场,势必会引起“鲢鱼效应”。专业的封装企业借用资本市场的力量或企业本身技术和渠道优势取得快速发展。原有的LED显示屏企业将会与封装企业形成有力的竞争。LED封装企业可凭借其优势技术,生产出质优价廉的产品,自动淘汰劣质厂商。

  虽然经过一段时间内的行业整合,已经筛选掉相当一部分不合格的厂商,但市场上还是存在一些劣质产品,封装行业的进入,将挤占这些不合格厂商的市场空间。

  另外,随着LED封装企业进入显示屏市场,那么将会逼迫LED显示屏的厂商们细分市场,开发新的领域。LED封装企业在产业链中承上启下,对于把握产品的细节有着绝对优势。封装企业介入下游产业后,原LED显示屏厂商将努力维护原有优势,发展封装企业不能马上深入的特色业务,为其制造业务壁垒。

  同时,封装企业的介入将促进LED屏在原有优势上发展新产品的进程。LED显示屏行业在竞争越发激烈的市场环境下,将会不断提升技术创新实力,通过创新型产品寻求突围。逐渐形成产品品种、规格也多元化的格局。并且在产品应用领域也将不断扩展,从传统的用于公共广场、交通、企业形象宣传、商业广告、机场、火车站、高速公路、地铁等等扩展到用于智能交通系统,物流系统等等。

  总而言之,LED封装企业进驻下游显示屏市场,无疑会带来一定的竞争冲击,但也将催促着原有的LED显示屏企业不断进步,而被淘汰的企业也会是LED显示屏行业发展中不可避免的。

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  今天关于led显示屏封装工艺,led灯光污染与可能采取措施的相关资讯就为大家介绍到这里,大家看完以后有没有什么收获呢,更多关于宣传片制作的资讯请关注匠心文化。


视频参考资料:led显示屏封装工艺

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