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照明和指示器应用的 SMD LED 考虑因素

发布时间:

2023-05-18 10:16


开发照明和指示器设备时,表面贴装二极管 (SMD) LED 具有多种优势。了解可用选项(包括多色 SMD LED)及其提供的优势。

 

表面贴装二极管 (SMD) 发光二极管 (LED)是现代指示和背光应用中使用的众多LED选项之一随着对照明和指示器解决方案要求的不断发展,SMD LED 成为工程师和制造商在优化时使用的主要工具之一: 

  • 状态指示
  • 能量消耗
  • 发热
  • 光照控制
  • 工作空间

例如,为最新的可穿戴技术(如图 1 所示的智能健身监视器)提供有效的背光意味着存在与尺寸、功耗、成本等相关的限制。 

 

智能手表和健身手表体积小、便携、重量轻,一次充电即可长时间使用

图 1.智能手表和健身手表体积小、便携、重量轻,一次充电即可长时间使用。图片由Pixabay提供

 

然而,SMD LED 具有哪些特性可以帮助工程师找到最佳的照明和指示灯解决方案?在本文中,我们将回答这个问题并介绍一些不同的 LED 类型、SMD LED 的优势/用途,最后看看 VCC 的潜在解决方案/产品。 

 

LED 类型:DIP、COB、SMD

共有三种基本的 LED 技术:

  • DIP(双列直插式封装)
  • COB(板上芯片)
  • SMD(表面贴装二极管)

DIP LED 是更传统的 LED 照明方法,是一种熟悉的景象,具有连接到封闭二极管的两条平行线/引线/引脚。它们的能效低于 COB 和 SMD LED,而且发热是一个问题,导致使用寿命比其他选择更短。

虽然 COB 和 SMD 比 DIP LED 更小且能效更高,但如图 2 中所示的 SMD LED 可以改变颜色并产生比其他两种 LED 类型更少的热量。 


SMD LED 种类繁多

图 2SMD LED 种类繁多。图片由VCC提供

 

时尚的状态指示和照明解决方案

工程师必须满足当前对时尚状态指示和照明控制的需求,这可以通过 SMD 的高度通用性来实现。SMD 直接放置在电路板的表面上,而不是需要额外电线才能发挥作用的传统通孔LED。它们还具有比 DIP 和 COB LED 更宽的角度,这意味着它们更适合背光(例如,SMD 为 120 度,而 DIP 为 45 度和 60 度)。反过来,这意味着需要更少的 LED,进一步简化了设计和与之相关的成本。 

最大限度地减少视觉混乱、在需要的地方聚焦光/指示、简化所涉及的电路——所有这些问题都可以通过紧凑型 SMD LED 及其单独使用或与光管等更先进的解决方案一起使用的能力来解决

高性价比、长寿命的照明产品

与传统的照明和照明方法相比,SMD LED 的使用寿命更长。当二极管的性能下降到亮度降低 50% 时,它就达到了使用寿命的尽头。SMD LED 以低功耗和低发热而著称,从而延长了使用寿命。 

与传统二极管选项相比,SMD LED 可以以更少的功率提供更高的亮度,从而减少最终会降低性能的热量产生。SMD LED 的封装也比 DIP 或 COB LED 更有效地促进产生的热量从 LED 转移出去。

用于光强度和颜色选项的 SMD LED

在工程师开发创新照明产品时,他们还需要颜色和光强度选项。例如,一些 SMD LED 制造商的产品仅使用一个 LED 或作为LED 阵列的一部分支持一种、两种或三种颜色。另一个例子是当照明行业通常专注于提供尽可能最亮的 LED 时,对低亮度 LED 的需求。 

与其他光电设备的多功能性和兼容性 

SMD LED 以其多功能性而著称,因为它们可以用作其他光电设备的光源,例如光管和面板安装指示灯。此外,它们可以用作单个或阵列照明单元和/或用作灯/灯泡光源。

以下是工程师已经在使用 SMD LED 的各种应用示例:

  • 可穿戴设备的光源,例如智能手表或健身手环
  • 便携式设备的状态指示,例如笔记本电脑、耳机或控制器
  • 室内/室外氛围、情绪/照明照明和控制。
  • 智能电器的状态指示,从智能恒温器到家庭安全灯
  • IoT 和 IIoT(工业物联网)设备
  • 医疗保健应用,例如心率监测器和葡萄糖监测器

使用 LED SMD 进行亮度控制的好处

一般背光照明和状态指示是 LED SMD 擅长的领域。这部分是由于它们出色的发光效率(或每瓦功率的亮度)。 

低强度亮度通常被选择用于室内背光或智能家电照明和指示等应用。它们还可以用于低/昏暗光线设置环境中的指示器,例如: 

  • 机舱(如图3所示)
  • 电信控制室
  • 电影院
  • 电动汽车 (EV) 站 

如前所述,随着许多 SMD、DIP 和 COB LED 制造商将注意力转移到高亮度芯片上,低亮度解决方案变得越来越难找到。

 

飞机机舱是 LED 亮度需要从低到高可调的应用示例

图 3机舱是 LED 亮度需要从低到高可调的应用示例。海隆兴提供

 

当然,在工业控制室等环境或日光能见度至关重要的环境中,对高亮度 LED 的需求仍然很高。此外,SMD LED 还可以提供每瓦 50 至 100 流明的极高亮度水平。

 

VCC SpectraBright RGB 和双色 SMD LED

在了解了 SMD LED 的优点和用途之后,一种可能的解决方案是 VCC 的 SpectraBright RGB 和双色 SMD LED。这些 LED 产品专门设计用于满足从颜色选项到亮度的各种状态指示器和照明需求。 

在颜色选择方面,这些产品提供 3 色 (RGB) 和 2 色选择(红色/绿色、黄色/绿色、琥珀色/绿色)。这是使用单色 LED 实现不同状态指示的替代方法。

此外,使用 SMD LED 可以节省功率和空间,更不用说成本了,如下面的图 4 所示。 

 

图 4多色 SMD LED 通过使用单个芯片取代了对多个 LED 的需求。图片海隆兴提供

 

这是因为实现这些颜色选项所需的 LED 数量减少了。SpectraBright 提供的 3 色和 2 色功能还降低了工程师和制造商的设计复杂性。

这些 LED 具有 120 度视角,用作指示灯时很容易看到,用作背光灯时可以照亮很大的空间。这些有高亮度和低亮度两种选择,以及双色和三色组合。

此外,这些 SMD LED 经过精心设计,可实现最佳设计空间/几何形状和封装。因此,它们可以创造最小的占地面积,同时保持电源效率和极低的发热量。

最后,SpectraBright 产品线声称与传统 LED 方法相比可提供 50,000 小时以上的预期寿命,因为 VCC 的芯片设计可以将热量从 LED 传导出去,并且可以有效利用功率,这意味着产生的热量更少。

 

解决紧迫的设计挑战

VCC SpectraBright 系列等多色 SMD LED 旨在帮助工程师解决最紧迫的挑战,同时为客户和制造商提供更高效的持久、可靠、安全的指示和照明控制。立即联系 VCC,了解有关其 SMD LED 照明和状态指示解决方案的更多信息。

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发光二极管

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2023.11.15

LED 即为发光二极管,是一种将电能转化为光能的半导体固体发光器件,其核心是 PN 结,它除了具有一般 PN 结的正向导通、反向截止和击穿特性外,在一定条件下,它还具有发光特性 。其结构主要包含以下几个部分:引线、支架、封装胶、键合丝、LED 芯片、固晶胶和荧光粉。LED 灯珠变色失效与其材料、结构、封装工艺和使用条件密切相关,以下将通过具体的案例来对其变色原因进行分析。     封装胶原因  1  封装胶中残留外来异物  失效灯珠的外观呈现局部变色发黑,如图 2 所 示。揭开封装胶,发现有一个黑色异物夹杂在封装胶内,用扫描电镜及能谱仪 (SEM&EDS) 对异物进行成分分析,确认其主成分为铝(Al)、碳(C)、氧 (O)元素, 还含有少量的杂质元素,测试结果如图 3 所示。结合用户反馈的失效背景可知,该异物是在封装过程中引入的。  2  封装胶受化学物质侵蚀发生胶体变色  失效品为玻璃光管灯,内部的 LED 灯带使用单组份室温固化硅橡胶粘结固定在玻璃管上,固胶部位灯带上的 LED 灯珠出现发黄变暗现象。失效灯珠封装胶的材质为硅橡胶,使用 SEM&EDS 测试封装胶的元素成分,发现其比正常灯珠封装胶成分多检出了硫(S)元素。 通常硫磺、有机二硫化物和多硫化物等含硫物质可以作为硫化剂,使橡胶发生硫化交联反应,从而使橡胶的结构改变,呈现出颜色发黄变暗、热分解温度升高的现象。通过 TGA 测试灯珠封装胶体的热分解温度可知,失效灯珠封装胶在失重 2%、5%、10%、15%和 20%时的温度均比同批次良品封装胶相同失重量的温度高出 25 ℃以上,封装胶热分解曲线如图 5 所示,证实了封装胶因发生硫化交联导致其热分解温度升高的现象。使用 ICPOES 进一步对起固定作用的单组份固化硅橡胶进行化学成分分析,检出其中含有约 400ppm 的硫(S)元素。 由此可知,LED 灯珠发黄变暗的原因为玻璃灯管内粘结固定用的单组份室温固化硅橡胶在固化过程中挥发出的含硫(S)的气体侵入到了 LED 封装胶中,使封装胶发生了进一步的硫化交联反应, 而再次硫化交联导致封装胶体变黄变暗。后续用户改用未使用单组份固化硅橡胶的塑料灯管则未出现灯珠变色的现象。因此,LED 生产方在产品设计选材和制造时应考虑产品各部件所用不同材料相互间的匹配性,避免因材料的不兼容而导致后续出现可靠性问题。     荧光粉沉降 灯珠装配成 LED 灯具后在仓库储存时,发生了色温漂移失效,失效 LED 灯珠的封装胶由橙色变为浅黄色,对其进行 I-V 特性测试,发现灯珠可以正常点亮,且 I-V 曲线正常,只是出光亮度发生改变。取一些失效灯珠,以机械开封方式取出封装胶,发现支架表面均残留有透明颗粒物,使用 SEM&EDS 测试颗粒物成分,结果显示其含有高含量的锶(Sr)元素,如图 6 所示;而封装胶与支架接触面也检出了高含量的锶(Sr)元素和钡(Ba)元素。 与之相比,良品灯珠开封后,支架表面较干净,表面主成分为银(Ag)和少量的碳(C)元素,未检出锶(Sr)元素, 且在其封装胶与支架的接触面上也未检出锶(Sr)和钡(Ba)元素。通过测试失效品和良品灯珠封装胶的截面成分得知,二者所用的荧光粉的成分相 同,均为钇铝石榴石(主要成分为氧 (O) 、铝(Al)和钇(Y))与硅酸锶钡(主要成分为碳(C)、氧(O)、 硅(Si)、锶(Sr)、钡(Ba)和钙(Ca))混合荧光粉。 因此,LED 灯珠的失效原因为所使用的硅酸盐荧光粉沉降到了封装胶底部及支架表层,致使因光折射规律不一致而发生色散现象,导致色温漂移,同时发生灯珠变色现象。     支架原因  1  异物污染支架  失效灯珠一侧变色,揭开封装胶后可以看到变色部位的支架的表面覆盖了一层异物,对异物进行元素成分测试,显示其主成分为锡 (Sn) 、铅(Pb)元素,测得的结果如图 8 所示。揭开灯珠变色部位外围的白色塑胶,在与白色塑胶接触的支架 表面也检出了锡 (Sn)、 铅 (Pb) 成分。由于异物覆盖部位的支架与灯珠一侧的引脚相连,而引脚采用锡铅焊接。 显而易见,如果灯珠在进行表面贴装时,引脚沾附了多余的锡膏,则在焊接时,熔化的焊料会沿着引脚爬升至与之相连的支架表面,形成覆盖层。因此,此案例中 LED 灯珠失效的原因是LED灯珠在进行组装焊接时,引脚焊接部位的焊料进入了支架表面,形成了覆盖物,从而导致了灯珠变色。  2  支架腐蚀  失效 LED 灯珠的中间部位变色发黑,开封后将其放在光学显微镜下观察,发现整个支架的表面明显地变黑,使用 SEM&EDS 测试发黑支架的成 分,结果显示,除了正常的材质成分外,发黑支架中还具有较高含量的腐蚀性硫 (S)元素,而支架表面镀银层局部也呈现出疏松的腐蚀形貌,如图 9 所示。通常 LED 灯珠在生产过程中,由于材料自身不纯或工艺过程污染等原因引入硫(S)、氯 (Cl)等腐蚀性元素时,在一定条件下(如高温、水汽残留等),其金属支架极易发生腐蚀,导致灯珠出现变色、漏电等失效现象。  3  支架镀层质量差  LED 灯珠点亮老化后出现变色发黑现象,且失效率高达30%。去掉灯珠表面的封装胶后,发现支架表层银镀层失去原有的光亮,呈现灰色。使用SEM 观察支架表层微观形貌,发现与未装配的半成品支架相比,LED 失效灯珠的支架表面银层疏松且有较多的孔洞。 将半成品支架和失效 LED 制作成切片, 观察其截面镀层质量,发现支架镀层结构为铜镀镍再镀银,与半成品相比,失效品支架的镍镀层变薄,表层银层变得疏松,且镍银镀层界限变得模糊, 样品的支架截面形貌如图 10 所示。使用 AES 测试失效 LED 支架浅表层成分,发现其中会有镍(Ni)元素, 测试结果如图 11b 所示,很显然,镍镀层扩散至了银层表面。 由此得出,LED 灯珠变色的原因为所用的支架镀层不良, 老化后银层疏松产生孔洞、镍层经过银层孔洞扩散到银层表面,导致银层发黑,灯珠变色。 在众多的 LED 变色失效案例中,因支架变色或腐蚀导致的失效所占的比例是最高的。因 此,LED 或支架生产方应采取一些措施来预防产品失效。例如:选择质量良好的、耐蚀的支架基材;采取适宜的电镀工艺条件,保证形成晶粒细腻、结构致密的镀层,镀层厚度均匀并达到防护要求;对于表层镀层为银的支架,选取有效的银保护工艺,提高银支架的防变色能力;在 LED 生产装配的过程中,则应防止外来的污染或腐蚀性物质的引入,确保LED 封装严密,以降低因环境中的水汽和氧气等的侵入而引发各种腐蚀的可能性。 以上分析了因封装胶、荧光粉和支架构件异常导致 LED 灯珠变色失效的原因和机理,希望能为业界提供参考和指引,使 LED 生产方在选材及制造过程中采取有效的措施来预防这些失效现象的发生,进一步地提高 LED 成品的可靠性。

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2023.11.15

贴片LED灯珠的焊接方法有多种,下面是其中一种常用的方法,供参考。首先用电烙铁在灯珠的正、负极焊盘上烫上一些焊锡(焊锡千万不能多,否则,用热风枪一加热,正、负极的焊盘就会连在一起),然后用热风枪同时加热正、负极焊盘,待锡熔化后,用镊子将灯珠的正负极放在对应的焊盘上即可。    该操作要快、要准,否则,热风枪会把LED的塑封熔化而损坏。    在没有热风枪的情况下,按LED灯珠的结构和所用基板的不同也可用不同的焊接方法。贴片LED灯珠引脚有采用半塑封的,即灯珠两边外露一小部分引脚,如常用的5730、7020、4014等;也有采用全塑封的,即灯珠的正负极全部在芯片的底部,如3030等。对半塑封的灯珠如7020的焊接也比较容易,同样在焊接前要先在焊盘上烫一点锡(灯珠的引脚不要烫锡),两边用镊子把灯珠的正负极对应放在焊盘上,用手指或小改锥压住灯珠,最后用电烙铁迅速对外露的电极进行加热,同时手指适当加力往下压(加热时,烙铁不能来回搓动,手指的压力也不要过大,否则会损坏灯珠)。      对于全塑封的灯珠(如3030),若灯条基板为普通的电路板,则先用刀片把灯珠焊盘周围的漆刮干净,露出铜线,然后在焊盘上烫少许锡,先焊焊盘大的电极,接着把电烙铁放在新刮出的铜线上加热(不能放到焊盘上),待焊盘上的锡熔化后,用镊子把灯珠的对应极放在焊盘上略加压即可,最后焊焊盘小的电极。必须先焊焊盘大的电极是因为所需的加热时间长,若后焊此电极,灯珠易过热而损坏。      若灯条基板为铝基板,就不能用上述方法了,因为用铝基板的线路都设计得很细。在焊接这类灯条的灯珠时,可利用热传导来焊接灯珠,对灯珠正负极焊盘的背面铝板同时加热,待焊盘上的锡熔化后,把灯珠放在焊盘上略加压即可。加热器可从淘宝上购买,也可用大功率电烙铁(不小于100W的)来代替。      用电烙铁焊接灯珠时,电烙铁的外壳必须很好地接地,最好也戴上防静电手环,以防感应电和静电损坏LED灯珠。另外,烙铁头要磨成马蹄形的,以增大接触面积,缩短焊接时间。

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