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照明和指示器應用的 SMD LED 考慮因素

發(fā)布時間:

2023-05-18 10:16


開發(fā)照明和指示器設備時,表面貼裝二極管 (SMD) LED 具有多種優(yōu)勢。了解可用選項(包括多色 SMD LED)及其提供的優(yōu)勢。

 

表面貼裝二極管 (SMD) 發(fā)光二極管 (LED)是現(xiàn)代指示和背光應用中使用的眾多LED選項之一。隨著對照明和指示器解決方案要求的不斷發(fā)展,SMD LED 成為工程師和制造商在優(yōu)化時使用的主要工具之一: 

  • 狀態(tài)指示
  • 能量消耗
  • 發(fā)熱
  • 光照控制
  • 工作空間

例如,為最新的可穿戴技術(shù)(如圖 1 所示的智能健身監(jiān)視器)提供有效的背光意味著存在與尺寸、功耗、成本等相關的限制。 

 

智能手表和健身手表體積小、便攜、重量輕,一次充電即可長時間使用

圖 1.智能手表和健身手表體積小、便攜、重量輕,一次充電即可長時間使用。圖片由Pixabay提供

 

然而,SMD LED 具有哪些特性可以幫助工程師找到最佳的照明和指示燈解決方案?在本文中,我們將回答這個問題并介紹一些不同的 LED 類型、SMD LED 的優(yōu)勢/用途,最后看看 VCC 的潛在解決方案/產(chǎn)品。 

 

LED 類型:DIP、COB、SMD

共有三種基本的 LED 技術(shù):

  • DIP(雙列直插式封裝)
  • COB(板上芯片)
  • SMD(表面貼裝二極管)

DIP LED 是更傳統(tǒng)的 LED 照明方法,是一種熟悉的景象,具有連接到封閉二極管的兩條平行線/引線/引腳。它們的能效低于 COB 和 SMD LED,而且發(fā)熱是一個問題,導致使用壽命比其他選擇更短。

雖然 COB 和 SMD 比 DIP LED 更小且能效更高,但如圖 2 中所示的 SMD LED 可以改變顏色并產(chǎn)生比其他兩種 LED 類型更少的熱量。 


SMD LED 種類繁多

圖 2。SMD LED 種類繁多。圖片由VCC提供

 

時尚的狀態(tài)指示和照明解決方案

工程師必須滿足當前對時尚狀態(tài)指示和照明控制的需求,這可以通過 SMD 的高度通用性來實現(xiàn)。SMD 直接放置在電路板的表面上,而不是需要額外電線才能發(fā)揮作用的傳統(tǒng)通孔LED。它們還具有比 DIP 和 COB LED 更寬的角度,這意味著它們更適合背光(例如,SMD 為 120 度,而 DIP 為 45 度和 60 度)。反過來,這意味著需要更少的 LED,進一步簡化了設計和與之相關的成本。 

最大限度地減少視覺混亂、在需要的地方聚焦光/指示、簡化所涉及的電路——所有這些問題都可以通過緊湊型 SMD LED 及其單獨使用或與光管等更先進的解決方案一起使用的能力來解決

高性價比、長壽命的照明產(chǎn)品

與傳統(tǒng)的照明和照明方法相比,SMD LED 的使用壽命更長。當二極管的性能下降到亮度降低 50% 時,它就達到了使用壽命的盡頭。SMD LED 以低功耗和低發(fā)熱而著稱,從而延長了使用壽命。 

與傳統(tǒng)二極管選項相比,SMD LED 可以以更少的功率提供更高的亮度,從而減少最終會降低性能的熱量產(chǎn)生。SMD LED 的封裝也比 DIP 或 COB LED 更有效地促進產(chǎn)生的熱量從 LED 轉(zhuǎn)移出去。

用于光強度和顏色選項的 SMD LED

在工程師開發(fā)創(chuàng)新照明產(chǎn)品時,他們還需要顏色和光強度選項。例如,一些 SMD LED 制造商的產(chǎn)品僅使用一個 LED 或作為LED 陣列的一部分支持一種、兩種或三種顏色。另一個例子是當照明行業(yè)通常專注于提供盡可能最亮的 LED 時,對低亮度 LED 的需求。 

與其他光電設備的多功能性和兼容性 

SMD LED 以其多功能性而著稱,因為它們可以用作其他光電設備的光源,例如光管和面板安裝指示燈。此外,它們可以用作單個或陣列照明單元和/或用作燈/燈泡光源。

以下是工程師已經(jīng)在使用 SMD LED 的各種應用示例:

  • 可穿戴設備的光源,例如智能手表或健身手環(huán)
  • 便攜式設備的狀態(tài)指示,例如筆記本電腦、耳機或控制器
  • 室內(nèi)/室外氛圍、情緒/照明照明和控制。
  • 智能電器的狀態(tài)指示,從智能恒溫器到家庭安全燈
  • IoT 和 IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))設備
  • 醫(yī)療保健應用,例如心率監(jiān)測器和葡萄糖監(jiān)測器

使用 LED SMD 進行亮度控制的好處

一般背光照明和狀態(tài)指示是 LED SMD 擅長的領域。這部分是由于它們出色的發(fā)光效率(或每瓦功率的亮度)。 

低強度亮度通常被選擇用于室內(nèi)背光或智能家電照明和指示等應用。它們還可以用于低/昏暗光線設置環(huán)境中的指示器,例如: 

  • 機艙(如圖3所示)
  • 電信控制室
  • 電影院
  • 電動汽車 (EV) 站 

如前所述,隨著許多 SMD、DIP 和 COB LED 制造商將注意力轉(zhuǎn)移到高亮度芯片上,低亮度解決方案變得越來越難找到。

 

飛機機艙是 LED 亮度需要從低到高可調(diào)的應用示例

圖 3。機艙是 LED 亮度需要從低到高可調(diào)的應用示例。海隆興提供

 

當然,在工業(yè)控制室等環(huán)境或日光能見度至關重要的環(huán)境中,對高亮度 LED 的需求仍然很高。此外,SMD LED 還可以提供每瓦 50 至 100 流明的極高亮度水平。

 

VCC SpectraBright RGB 和雙色 SMD LED

在了解了 SMD LED 的優(yōu)點和用途之后,一種可能的解決方案是 VCC 的 SpectraBright RGB 和雙色 SMD LED。這些 LED 產(chǎn)品專門設計用于滿足從顏色選項到亮度的各種狀態(tài)指示器和照明需求。 

在顏色選擇方面,這些產(chǎn)品提供 3 色 (RGB) 和 2 色選擇(紅色/綠色、黃色/綠色、琥珀色/綠色)。這是使用單色 LED 實現(xiàn)不同狀態(tài)指示的替代方法。

此外,使用 SMD LED 可以節(jié)省功率和空間,更不用說成本了,如下面的圖 4 所示。 

 

圖 4多色 SMD LED 通過使用單個芯片取代了對多個 LED 的需求。圖片海隆興提供

 

這是因為實現(xiàn)這些顏色選項所需的 LED 數(shù)量減少了。SpectraBright 提供的 3 色和 2 色功能還降低了工程師和制造商的設計復雜性。

這些 LED 具有 120 度視角,用作指示燈時很容易看到,用作背光燈時可以照亮很大的空間。這些有高亮度和低亮度兩種選擇,以及雙色和三色組合。

此外,這些 SMD LED 經(jīng)過精心設計,可實現(xiàn)最佳設計空間/幾何形狀和封裝。因此,它們可以創(chuàng)造最小的占地面積,同時保持電源效率和極低的發(fā)熱量。

最后,SpectraBright 產(chǎn)品線聲稱與傳統(tǒng) LED 方法相比可提供 50,000 小時以上的預期壽命,因為 VCC 的芯片設計可以將熱量從 LED 傳導出去,并且可以有效利用功率,這意味著產(chǎn)生的熱量更少。

 

解決緊迫的設計挑戰(zhàn)

VCC SpectraBright 系列等多色 SMD LED 旨在幫助工程師解決最緊迫的挑戰(zhàn),同時為客戶和制造商提供更高效的持久、可靠、安全的指示和照明控制。立即聯(lián)系 VCC,了解有關其 SMD LED 照明和狀態(tài)指示解決方案的更多信息。

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發(fā)光二極管

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2023.11.15

LED 即為發(fā)光二極管,是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導體固體發(fā)光器件,其核心是 PN 結(jié),它除了具有一般 PN 結(jié)的正向?qū)?、反向截止和擊穿特性外,在一定條件下,它還具有發(fā)光特性 。其結(jié)構(gòu)主要包含以下幾個部分:引線、支架、封裝膠、鍵合絲、LED 芯片、固晶膠和熒光粉。LED 燈珠變色失效與其材料、結(jié)構(gòu)、封裝工藝和使用條件密切相關,以下將通過具體的案例來對其變色原因進行分析。 ????封裝膠原因 ?1??封裝膠中殘留外來異物? 失效燈珠的外觀呈現(xiàn)局部變色發(fā)黑,如圖 2 所 示。揭開封裝膠,發(fā)現(xiàn)有一個黑色異物夾雜在封裝膠內(nèi),用掃描電鏡及能譜儀 (SEM&EDS) 對異物進行成分分析,確認其主成分為鋁(Al)、碳(C)、氧 (O)元素, 還含有少量的雜質(zhì)元素,測試結(jié)果如圖 3 所示。結(jié)合用戶反饋的失效背景可知,該異物是在封裝過程中引入的。 ?2??封裝膠受化學物質(zhì)侵蝕發(fā)生膠體變色? 失效品為玻璃光管燈,內(nèi)部的 LED 燈帶使用單組份室溫固化硅橡膠粘結(jié)固定在玻璃管上,固膠部位燈帶上的 LED 燈珠出現(xiàn)發(fā)黃變暗現(xiàn)象。失效燈珠封裝膠的材質(zhì)為硅橡膠,使用 SEM&EDS 測試封裝膠的元素成分,發(fā)現(xiàn)其比正常燈珠封裝膠成分多檢出了硫(S)元素。 通常硫磺、有機二硫化物和多硫化物等含硫物質(zhì)可以作為硫化劑,使橡膠發(fā)生硫化交聯(lián)反應,從而使橡膠的結(jié)構(gòu)改變,呈現(xiàn)出顏色發(fā)黃變暗、熱分解溫度升高的現(xiàn)象。通過 TGA 測試燈珠封裝膠體的熱分解溫度可知,失效燈珠封裝膠在失重 2%、5%、10%、15%和 20%時的溫度均比同批次良品封裝膠相同失重量的溫度高出 25 ℃以上,封裝膠熱分解曲線如圖 5 所示,證實了封裝膠因發(fā)生硫化交聯(lián)導致其熱分解溫度升高的現(xiàn)象。使用 ICPOES 進一步對起固定作用的單組份固化硅橡膠進行化學成分分析,檢出其中含有約 400ppm 的硫(S)元素。 由此可知,LED 燈珠發(fā)黃變暗的原因為玻璃燈管內(nèi)粘結(jié)固定用的單組份室溫固化硅橡膠在固化過程中揮發(fā)出的含硫(S)的氣體侵入到了 LED 封裝膠中,使封裝膠發(fā)生了進一步的硫化交聯(lián)反應, 而再次硫化交聯(lián)導致封裝膠體變黃變暗。后續(xù)用戶改用未使用單組份固化硅橡膠的塑料燈管則未出現(xiàn)燈珠變色的現(xiàn)象。因此,LED 生產(chǎn)方在產(chǎn)品設計選材和制造時應考慮產(chǎn)品各部件所用不同材料相互間的匹配性,避免因材料的不兼容而導致后續(xù)出現(xiàn)可靠性問題。 ????熒光粉沉降 燈珠裝配成 LED 燈具后在倉庫儲存時,發(fā)生了色溫漂移失效,失效 LED 燈珠的封裝膠由橙色變?yōu)闇\黃色,對其進行 I-V 特性測試,發(fā)現(xiàn)燈珠可以正常點亮,且 I-V 曲線正常,只是出光亮度發(fā)生改變。取一些失效燈珠,以機械開封方式取出封裝膠,發(fā)現(xiàn)支架表面均殘留有透明顆粒物,使用 SEM&EDS 測試顆粒物成分,結(jié)果顯示其含有高含量的鍶(Sr)元素,如圖 6 所示;而封裝膠與支架接觸面也檢出了高含量的鍶(Sr)元素和鋇(Ba)元素。 與之相比,良品燈珠開封后,支架表面較干凈,表面主成分為銀(Ag)和少量的碳(C)元素,未檢出鍶(Sr)元素, 且在其封裝膠與支架的接觸面上也未檢出鍶(Sr)和鋇(Ba)元素。通過測試失效品和良品燈珠封裝膠的截面成分得知,二者所用的熒光粉的成分相 同,均為釔鋁石榴石(主要成分為氧 (O) 、鋁(Al)和釔(Y))與硅酸鍶鋇(主要成分為碳(C)、氧(O)、 硅(Si)、鍶(Sr)、鋇(Ba)和鈣(Ca))混合熒光粉。 因此,LED 燈珠的失效原因為所使用的硅酸鹽熒光粉沉降到了封裝膠底部及支架表層,致使因光折射規(guī)律不一致而發(fā)生色散現(xiàn)象,導致色溫漂移,同時發(fā)生燈珠變色現(xiàn)象。 ????支架原因 ?1??異物污染支架? 失效燈珠一側(cè)變色,揭開封裝膠后可以看到變色部位的支架的表面覆蓋了一層異物,對異物進行元素成分測試,顯示其主成分為錫 (Sn) 、鉛(Pb)元素,測得的結(jié)果如圖 8 所示。揭開燈珠變色部位外圍的白色塑膠,在與白色塑膠接觸的支架 表面也檢出了錫 (Sn)、 鉛 (Pb) 成分。由于異物覆蓋部位的支架與燈珠一側(cè)的引腳相連,而引腳采用錫鉛焊接。 顯而易見,如果燈珠在進行表面貼裝時,引腳沾附了多余的錫膏,則在焊接時,熔化的焊料會沿著引腳爬升至與之相連的支架表面,形成覆蓋層。因此,此案例中 LED 燈珠失效的原因是LED燈珠在進行組裝焊接時,引腳焊接部位的焊料進入了支架表面,形成了覆蓋物,從而導致了燈珠變色。 ?2??支架腐蝕? 失效 LED 燈珠的中間部位變色發(fā)黑,開封后將其放在光學顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)整個支架的表面明顯地變黑,使用 SEM&EDS 測試發(fā)黑支架的成 分,結(jié)果顯示,除了正常的材質(zhì)成分外,發(fā)黑支架中還具有較高含量的腐蝕性硫 (S)元素,而支架表面鍍銀層局部也呈現(xiàn)出疏松的腐蝕形貌,如圖 9 所示。通常 LED 燈珠在生產(chǎn)過程中,由于材料自身不純或工藝過程污染等原因引入硫(S)、氯 (Cl)等腐蝕性元素時,在一定條件下(如高溫、水汽殘留等),其金屬支架極易發(fā)生腐蝕,導致燈珠出現(xiàn)變色、漏電等失效現(xiàn)象。 ?3??支架鍍層質(zhì)量差? LED 燈珠點亮老化后出現(xiàn)變色發(fā)黑現(xiàn)象,且失效率高達30%。去掉燈珠表面的封裝膠后,發(fā)現(xiàn)支架表層銀鍍層失去原有的光亮,呈現(xiàn)灰色。使用SEM 觀察支架表層微觀形貌,發(fā)現(xiàn)與未裝配的半成品支架相比,LED 失效燈珠的支架表面銀層疏松且有較多的孔洞。 將半成品支架和失效 LED 制作成切片, 觀察其截面鍍層質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)支架鍍層結(jié)構(gòu)為銅鍍鎳再鍍銀,與半成品相比,失效品支架的鎳鍍層變薄,表層銀層變得疏松,且鎳銀鍍層界限變得模糊, 樣品的支架截面形貌如圖 10 所示。使用 AES 測試失效 LED 支架淺表層成分,發(fā)現(xiàn)其中會有鎳(Ni)元素, 測試結(jié)果如圖 11b 所示,很顯然,鎳鍍層擴散至了銀層表面。 由此得出,LED 燈珠變色的原因為所用的支架鍍層不良, 老化后銀層疏松產(chǎn)生孔洞、鎳層經(jīng)過銀層孔洞擴散到銀層表面,導致銀層發(fā)黑,燈珠變色。 在眾多的 LED 變色失效案例中,因支架變色或腐蝕導致的失效所占的比例是最高的。因 此,LED 或支架生產(chǎn)方應采取一些措施來預防產(chǎn)品失效。例如:選擇質(zhì)量良好的、耐蝕的支架基材;采取適宜的電鍍工藝條件,保證形成晶粒細膩、結(jié)構(gòu)致密的鍍層,鍍層厚度均勻并達到防護要求;對于表層鍍層為銀的支架,選取有效的銀保護工藝,提高銀支架的防變色能力;在 LED 生產(chǎn)裝配的過程中,則應防止外來的污染或腐蝕性物質(zhì)的引入,確保LED 封裝嚴密,以降低因環(huán)境中的水汽和氧氣等的侵入而引發(fā)各種腐蝕的可能性。 以上分析了因封裝膠、熒光粉和支架構(gòu)件異常導致 LED 燈珠變色失效的原因和機理,希望能為業(yè)界提供參考和指引,使 LED 生產(chǎn)方在選材及制造過程中采取有效的措施來預防這些失效現(xiàn)象的發(fā)生,進一步地提高 LED 成品的可靠性。

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2023.11.15

貼片LED燈珠的焊接方法有多種,下面是其中一種常用的方法,供參考。首先用電烙鐵在燈珠的正、負極焊盤上燙上一些焊錫(焊錫千萬不能多,否則,用熱風槍一加熱,正、負極的焊盤就會連在一起),然后用熱風槍同時加熱正、負極焊盤,待錫熔化后,用鑷子將燈珠的正負極放在對應的焊盤上即可。    該操作要快、要準,否則,熱風槍會把LED的塑封熔化而損壞。    在沒有熱風槍的情況下,按LED燈珠的結(jié)構(gòu)和所用基板的不同也可用不同的焊接方法。貼片LED燈珠引腳有采用半塑封的,即燈珠兩邊外露一小部分引腳,如常用的5730、7020、4014等;也有采用全塑封的,即燈珠的正負極全部在芯片的底部,如3030等。對半塑封的燈珠如7020的焊接也比較容易,同樣在焊接前要先在焊盤上燙一點錫(燈珠的引腳不要燙錫),兩邊用鑷子把燈珠的正負極對應放在焊盤上,用手指或小改錐壓住燈珠,最后用電烙鐵迅速對外露的電極進行加熱,同時手指適當加力往下壓(加熱時,烙鐵不能來回搓動,手指的壓力也不要過大,否則會損壞燈珠)。      對于全塑封的燈珠(如3030),若燈條基板為普通的電路板,則先用刀片把燈珠焊盤周圍的漆刮干凈,露出銅線,然后在焊盤上燙少許錫,先焊焊盤大的電極,接著把電烙鐵放在新刮出的銅線上加熱(不能放到焊盤上),待焊盤上的錫熔化后,用鑷子把燈珠的對應極放在焊盤上略加壓即可,最后焊焊盤小的電極。必須先焊焊盤大的電極是因為所需的加熱時間長,若后焊此電極,燈珠易過熱而損壞。      若燈條基板為鋁基板,就不能用上述方法了,因為用鋁基板的線路都設計得很細。在焊接這類燈條的燈珠時,可利用熱傳導來焊接燈珠,對燈珠正負極焊盤的背面鋁板同時加熱,待焊盤上的錫熔化后,把燈珠放在焊盤上略加壓即可。加熱器可從淘寶上購買,也可用大功率電烙鐵(不小于100W的)來代替。      用電烙鐵焊接燈珠時,電烙鐵的外殼必須很好地接地,最好也戴上防靜電手環(huán),以防感應電和靜電損壞LED燈珠。另外,烙鐵頭要磨成馬蹄形的,以增大接觸面積,縮短焊接時間。

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