芯片級(jí)拆解：剖析新型LED燈泡設(shè)計(jì)的藝術(shù)

電子發(fā)燒友網(wǎng)訊（編譯/David）：時(shí)下，LED照明技術(shù)正掀起產(chǎn)業(yè)革命旋風(fēng)。LED照明燈泡廠商正致力于快速提高性能和降低LED燈泡價(jià)格。去年，普通家庭款式的LED燈泡，如A19 LED燈泡售價(jià)在20美金至60美金之間，當(dāng)時(shí)已具有非常高的性價(jià)比。今年，高端的LED燈泡，如LG公司的LED燈泡，售價(jià)低至10美金，破“10”指日可待。

LED燈泡的性能和熒光燈（CFLs）差不多，50-60 lumens/watt。盡管如此，LED在技術(shù)層面上依然比CFL高出一籌。7.5W LG燈泡發(fā)出485 lumens，相當(dāng)于65 lm/W。在相同的485 lumens前提下，舊式40W燈泡只能發(fā)出12 lm/W，與前者相比少了約五倍。

LG 7.5W LED A19燈泡LB08D830L0A。E50JWU0在包裝內(nèi)外對(duì)比

關(guān)于均勻照明問(wèn)題

當(dāng)我們放置一個(gè)裝有LED燈泡的臺(tái)燈，而且可以控制燈的亮度向上照射。這是由于LED發(fā)射器內(nèi)部是水平放置的。Philips燈泡采用三個(gè)垂直調(diào)整的LED面來(lái)減緩照明亮度的控制問(wèn)題。盡管這樣，讀書用臺(tái)燈或工作燈的均勻性照明方式，使得熱量不會(huì)集中到某個(gè)照明對(duì)象上。

如圖中所示，LG燈泡可以將控制大部分光線向上投射，這是因?yàn)樵跓襞輧?nèi)部LED基板是水平放置的造成的

臺(tái)燈的設(shè)計(jì)也是從愛(ài)迪生燈泡的原理進(jìn)化而來(lái)——光線的發(fā)射是朝各方向散射式。隨著電燈泡進(jìn)化了一個(gè)多世紀(jì)，現(xiàn)代臺(tái)燈設(shè)計(jì)和其先驅(qū)鼻祖——煤油燈，又顯得很不一樣。

最初的電燈泡在效率和普及程度方面并沒(méi)有存在強(qiáng)制的要求，然而它們的優(yōu)點(diǎn)引致了它們的盛行，同時(shí)導(dǎo)致了油燈的衰落。總有一天，電燈會(huì)發(fā)展成為適應(yīng)LED光源獨(dú)特性的產(chǎn)品，這一天離我們并不遠(yuǎn)了。當(dāng)LED光源在接下來(lái)的十幾年能夠提高其使用壽命，其取代電燈是毋容置疑的了，同時(shí)燈具會(huì)具有各種各樣的規(guī)格和形狀。與此同時(shí)，強(qiáng)制LED去采取愛(ài)迪生的樣式版本無(wú)異于將一個(gè)方形的釘子打進(jìn)一個(gè)圓形的洞里面。

然而，Strategies Unlimited預(yù)測(cè)“被替代的傳統(tǒng)光源的全球市場(chǎng)份額到2016年會(huì)上升到37億美元，而這個(gè)數(shù)據(jù)在2011年還是27億?！睂?shí)際上，LED燈管提供了非常舒適的亮度，相對(duì)于緊湊的熒光燈泡，會(huì)令人更愉悅，人們會(huì)很愿意采用這類產(chǎn)品的。這種燈泡比CFLs更耐用，不含水印，同時(shí)一打開(kāi)就亮。而那些討厭的CFLs則會(huì)耗費(fèi)一段時(shí)間才能達(dá)到其最大亮度。

LED燈管是一種復(fù)雜的電子設(shè)備。LED本身是半導(dǎo)體二極管，只需要一個(gè)大概3V的直流電壓供電。普通家庭根據(jù)地理位置不同，其供電是110V或220V的交流電。LG的燈管是不可以調(diào)節(jié)亮度的。盡管新型號(hào)的調(diào)光器是必須的，但價(jià)格相對(duì)高一點(diǎn)的產(chǎn)品亮度還是可調(diào)的。和CFLs一樣，LED燈管有一個(gè)很小的電路板裝在燈管的“脖子”里面。

拆解新型LED燈泡

已經(jīng)拆解開(kāi)了的LED燈泡

在燈泡的頸部位置，被外殼包住的電路板

細(xì)看LED燈泡電路板

如上圖可知，電路板內(nèi)置了一個(gè)變壓器，幾個(gè)電容器和一個(gè)功率晶體管。LED控制器被垂直安裝在一個(gè)子卡上。它是由安森美半導(dǎo)體制造的型號(hào)為HS01G的半橋諧振控制器。

考慮到燈泡高亮度輸出因素，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)LED芯片事實(shí)上顯得非常小巧。LG燈泡使用了32個(gè)LED芯片，每個(gè)尺寸為0.5mm x 0.5mm。而一顆米粒的尺寸約為5mm x 2mm。這些LED芯片均以4x4封裝在黃色圓形的熒光燈中，發(fā)射出的藍(lán)光再通過(guò)氮化鎵核心部件轉(zhuǎn)化為白光。

通常，熒光粉被用于日光燈的媒介。在該LED發(fā)射極內(nèi)，硅樹脂將小顆粒狀的釔鋁石榴石（yttrium aluminum-garnet，YAG）、鋇、鍶和硅酸鈣凝聚在一起。使用不同的材料，便會(huì)相應(yīng)得到不同的色溫。

探秘四個(gè)LEDs

四個(gè)LEDs，每個(gè)尺寸約為0.5mm x 0.5mm x 0.1mm，封裝在LED凸圓底下

設(shè)計(jì)好發(fā)射極控制散熱問(wèn)題

由于LEDs容易過(guò)熱，發(fā)射極背面的設(shè)計(jì)就專門針對(duì)解決LED散熱問(wèn)題的

LED芯片核心部位特寫照

如上圖所示，用電子顯微鏡所拍攝的LED芯片核心部位特寫照。類似用嵌入式工藝將電極和陰極連接起來(lái)，其他一部分則與陽(yáng)極連接起來(lái)。

每個(gè)LED芯片核心部件雖然都很小，但是大部分都用于支撐材料。斜對(duì)角線的刻痕劃分隔開(kāi)了雙襯底，在天藍(lán)色的基板上，可以看到有一層很薄的氮化鎵（GaN），大約只有7μm薄。藍(lán)寶石襯底主要是注入了GaN生長(zhǎng)介質(zhì)。

在襯底隆起的圖樣，降低了GaN的位錯(cuò)密度，在襯底基質(zhì)起到機(jī)械性支持和散熱片的作用。在GaN底部6μm處通常不起作用。結(jié)晶體會(huì)逐漸干涉滲透到1μm處，這時(shí)，光發(fā)射極區(qū)域便確定了。光發(fā)射區(qū)要小到一定的數(shù)量級(jí)，達(dá)到納米（nm）級(jí)范圍內(nèi)，最后植入在上表面下的約100nm處。

LED芯片核心部分橫截面圖樣

見(jiàn)上圖，LED芯片核心部分對(duì)角線橫截面圖樣，可測(cè)得約為0.1mm。GaN層的表面是薄薄的柵欄層。用陰極追蹤查探得知電極位于很靠近中心位置。

GaN層圖樣一覽

如上圖所示，在電子顯微鏡下的GaN層。在該區(qū)域的頂部是GaN是p類摻雜，下面部分為n類摻雜。

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