Introdução aos LEDs
1. Introdução básica aos LEDs
LED, abreviação de “Light Emitir Diode”, é um dispositivo semicondutor que converte energia elétrica em luz. O núcleo de um LED é um chip composto de semicondutores do tipo p-e do tipo n-. Uma junção p-n se forma entre os dois. Quando os portadores minoritários injetados se recombinam com os portadores majoritários, o excesso de energia é liberado como luz, convertendo assim a energia elétrica em luz. Chips feitos de materiais diferentes podem emitir luz em várias cores, como vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta, daí o nome "diodo emissor de luz".
Em comparação com a iluminação tradicional, os LED oferecem poupanças de energia significativas e são atualmente a tecnologia de iluminação mais avançada do mundo. Eles são considerados uma das maiores invenções da humanidade desde a invenção da lâmpada incandescente por Edison.
Outra vantagem importante dos LEDs é a sua compatibilidade ambiental. Como dispositivos emissores de-luz de estado sólido-, os LEDs não contêm mercúrio e, portanto, quebras durante a produção e uso não resultarão em poluição ambiental por metais tóxicos.
2. Aplicações e classificações de LED
Em meio à crise energética global, os semicondutoresIluminação LED, caracterizada por seu design-de economia de energia, ecologicamente correto, colorido, seguro,-duradouro e miniaturizado, foi reconhecida mundialmente como a terceira revolução da iluminação na história da humanidade. Com os avanços na tecnologia LED, suas aplicações estão continuamente se expandindo e ampliando, com aplicações em retroiluminação de LCD, iluminação geral, displays de sinalização, semáforos e iluminação automotiva.
3. Embalagem de LED e classificações de produtos
A embalagem de LED refere-se ao processo de encapsulamento dochip LEDe suporte com materiais como resina epóxi ou silicone. Especificamente, envolve organizar, fixar e conectar o chip de LED e outros componentes em um suporte ou substrato, estendendo os terminais de fiação e, em seguida, encapsulando e fixando-os com um dielétrico de transmissão-de luz de plástico para formar uma estrutura tri-dimensional. Isso fornece proteção para o chip e dissipação de calor.
Atualmente, os tipos de dispositivos LED são principalmente do tipo de inserção direta (lâmpada) e do tipo de montagem em superfície (SMD). Entre eles, os produtos SMD têm muitas características únicas e excelentes em comparação com os produtos de lâmpadas, como alta densidade de montagem, tamanho pequeno do produto eletrônico, peso leve, economia de materiais, energia, equipamentos, mão de obra, tempo, etc.
(1) baixa taxa de defeitos nas juntas de solda, boas características de alta-frequência e redução de interferência eletromagnética e de radiofrequência;
(2) alta confiabilidade e forte resistência à vibração;
(3) fácil de automatizar, melhorar a eficiência da produção e reduzir custos em 30% -50%;
(4) O volume e o peso dos componentes SMD são apenas cerca de 1/10 dos componentes de plug-in-tradicionais. Geralmente, após a adoção do SMT, o volume de produtos eletrônicos é reduzido em 40%-60% e o peso é reduzido em 60%-80%.
Atualmente, os LEDs SMD são usados principalmente em retroiluminação, iluminação e outros campos. Com base no tipo de embalagem, os produtos LED SMD incluem as categorias de chip, topo, visão lateral e alta-potência. Os produtos superiores, laterais e de alta{3}}potência apresentam principalmente luz branca e alto brilho e são usados principalmente em iluminação de fundo (por exemplo, telefones celulares e computadores) e iluminação (por exemplo, iluminação interna e externa). Portanto, embalagens SMD-de última geração normalmente incluem produtos superiores, laterais e de alta-potência, especificamente produtos de luz branca e alto brilho. O mercado doméstico de dispositivos passantes está essencialmente saturado, com lucros diminuindo anualmente. A concorrência em dispositivos SMD-de baixo custo está se tornando cada vez mais acirrada, enquanto a capacidade de produção de dispositivos SMD de médio- a alto-está sendo gradualmente liberada, resultando em flutuações significativas de preços.
4. Classificação de LED por cor e aplicação
Os LEDs pertencem à categoria de dispositivos optoeletrônicos semicondutores e são categorizados por cor em LEDs monocromáticos, LEDs-coloridos e LEDs brancos. Os LEDs brancos são usados principalmente em retroiluminação e iluminação e têm uma ampla gama de aplicações. As áreas de classificação e aplicação de vários LEDs coloridos são as seguintes:
Com a crescente eficiência luminosa dos LEDs de luz branca, a iluminação semicondutora tem sido amplamente utilizada em telefones celulares, retroiluminação, iluminação especial e outros campos, e agora está se expandindo para a iluminação geral. De acordo com o "US Semiconductor Lighting Development Blueprint (OIDA 2002.11)" (Fonte: "China Semiconductor Lighting Industry Development Yearbook (2008-2009)"), espera-se que a eficiência luminosa dos LEDs de iluminação atinja 150 lm/w até 2012 e 200 lm/w até 2020, penetrando em todos os campos de iluminação. Atualmente, a eficiência luminosa dos LEDs de luz branca é de aproximadamente 120 lm/w. Melhorar continuamente a eficiência luminosa dos LEDs de luz branca tornou-se um fator chave na promoção do avanço da tecnologia LED de luz branca. Até o momento, não foi encontrado nenhum produto mais adequado para iluminação semicondutora do que os LEDs de luz branca.
5. Visão geral do desenvolvimento de aplicações LED
Já em 1907, os humanos descobriram o fenômeno dos materiais semicondutores que emitem luz quando energizados. No entanto, foi somente na década de 1960 que os LEDs vermelhos, feitos do material semicondutor composto GaAsP, tornaram-se comercialmente disponíveis. Devido à sua eficiência luminosa extremamente baixa e alto custo, eles foram usados apenas como indicadores de sinal em vários dispositivos eletrônicos caros.
Desde a década de 1990, com a melhoria gradual da eficiência e intensidade luminosa do LED e a expansão da cobertura da cor da luz em todo o espectro visível, a economia-de energia e os benefícios práticos doLuz LEDfontes têm se tornado cada vez mais proeminentes, expandindo significativamente suas áreas de aplicação. Atualmente, os LEDs são amplamente utilizados em retroiluminação de LCD, telas grandes externas, fontes de luz de comunicação óptica, semáforos, iluminação de palco, iluminação paisagística e lanternas traseiras automotivas, e estão gradualmente entrando em aplicações de iluminação tradicionais, como iluminação pública, iluminação interna e faróis automotivos.
6. Desenvolvimento da indústria global de embalagens LED
O desenvolvimento da indústria global de embalagens LED acompanhou o avanço das tecnologias da cadeia da indústria LED, demonstrando uma tendência clara de transferência industrial. As cinco maiores empresas de LED do mundo: Nichia e Toyoda Gosei do Japão, CREE e Lumileds dos Estados Unidos, e Osram da Alemanha, representam o mais alto nível de tecnologia LED e lideram o desenvolvimento da indústria LED.
Na década de 1950, o primeiro LED (diodo emissor de luz) moderno foi inventado na Grã-Bretanha. Em 1962, a General Electric dos Estados Unidos foi pioneira no desenvolvimento do primeiro diodo emissor de luz-visível prático. Na década de 1970, surgiram os LEDs amarelos e verdes. Com o advento de novos materiais e melhorias na eficiência luminosa, a potência e o fluxo luminoso de fontes de luz LED individuais também aumentaram rapidamente. Nas décadas que se seguiram, os LEDs desenvolveram-se rapidamente, aderindo à Lei de Moore, com o brilho duplicando a cada 18 meses. Na década de 1990, o desenvolvimento de LEDs azuis pela Nichia Corporation do Japão levou ao desenvolvimento bem-sucedido de LEDs brancos, expandindo significativamente a aplicação de LEDs, desde a simples sinalização até a iluminação.
Com o avanço contínuo da tecnologia, os LEDs estão superando problemas como deterioração da luz, dissipação de calor e eficiência luminosa, tornando-se reconhecidos como uma nova fonte de luz-de economia de energia e ecologicamente correta, com benefícios econômicos e sociais superiores e uma vasta perspectiva de aplicação. Os governos de todo o mundo estão prestando cada vez mais atenção a esta questão. Para conservar energia e promover a proteção ambiental, muitos países estão atualmente a acelerar a legislação, a lançar programas de investigação e aplicação correspondentes ou a definir prazos claros para incentivar a utilização de fontes de luz-que poupam energia. Em julho de 2001, o Departamento de Energia dos EUA lançou a Next{6}}Iniciativa de Iluminação de Geração (NGLI), também conhecida como "Iniciativa de Iluminação de Próxima Geração". A Iniciativa de Iluminação do Século 21 do Japão é um programa nacional iniciado e organizado pelo Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Metais do Japão e pela Nova Energia e Tecnologia Industrial.
Organização de Desenvolvimento (NEDO). Em julho de 2000, a União Europeia implementou o projeto Rainbow (Bringing Color to LEDs) e estabeleceu a Direção Executiva{2}}Geral de Pesquisa (ECCR) para apoiar a promoção de aplicações de LED de luz branca por meio do programa BRITE/EURAM-3 da UE. Em resposta à tendência global de conservação de energia e proteção ambiental, o Ministério do Comércio e Energia da Coreia do Sul estabeleceu o "Programa de Desenvolvimento de Semicondutores Ópticos GaN" para avançar na pesquisa sobre fontes de iluminação LED de luz branca baseadas em materiais GaN. Desde 2000, a China tem introduzido continuamente inúmeras políticas para apoiar os LEDs e, em 2009, lançou o programa de promoção de iluminação LED "Dez Cidades, Dez Mil Lâmpadas" para desenvolver vigorosamente a indústria LED.
Graças ao forte apoio das políticas governamentais em todo o mundo, a economia globalIndústria LEDtem visto ampla aplicação em vários campos e rápido crescimento. Atualmente, a indústria global de embalagens LED está concentrada principalmente em regiões como Japão, Taiwan, Estados Unidos, Europa, Coreia do Sul e China continental. O Japão, os Estados Unidos e a Europa, com as suas vantagens em tecnologia industrial avançada e equipamentos de produção, estão entre as primeiras regiões a desenvolver a indústria de embalagens LED. Taiwan e a Coreia do Sul possuem uma cadeia completa da indústria de electrónica de consumo, com uma clara divisão de trabalho nos sectores upstream, midstream e downstream, e fornecimento e marketing estáveis, levando ao seu rápido crescimento nos últimos anos. A China continental, com suas vantagens de custo e mercado de aplicação de LED em rápida expansão, tem visto um fluxo constante de capital de embalagens de LED de países ao redor do mundo, incluindo Taiwan, durante a última década, com vários países estabelecendo fábricas de embalagens lá. As empresas nacionais de embalagens continuaram a crescer e a se desenvolver, com tecnologias cada vez mais sofisticadas e inovadoras, tornando a China continental uma das regiões de crescimento mais rápido-para embalagens de LED.
As embalagens de LED exigem muita tecnologia-e capital-. Devido às vantagens de custo da China continental e ao mercado de aplicação de LED em rápida expansão, os fabricantes de embalagens internacionais e taiwaneses migraram para o continente para estabelecer fábricas, capitalizando a proximidade dos equipamentos de suporte e do mercado-final. Isto permitiu um crescimento rápido e sustentado da indústria de embalagens LED da China continental, tornando-a uma base global significativa de embalagens LED. Isto não só expandiu a participação de mercado da China continental no setor global de embalagens LED, mas também melhorou a tecnologia de embalagens LED dos fabricantes da China continental, acelerando o rápido desenvolvimento de toda a indústria. A indústria de embalagens da China formou inicialmente quatro grandes regiões-de uso intensivo de LED: o Delta do Rio das Pérolas, o Delta do Rio Yangtze, a região de Fujian-Jiangxi e a Orla de Bohai. A China se tornou uma importante base global de embalagens LED.
7. Tendência de desenvolvimento da indústria de embalagens LED
(1) A embalagem SMD torna-se gradualmente a principal forma de embalagem LED
O LED SMD embalado para montagem em superfície tornou-se um ponto de acesso de desenvolvimento importante, que resolveu efetivamente os problemas de brilho, ângulo de visão, planicidade, confiabilidade, consistência, etc. Ele usa placas PCB mais leves e materiais de camada reflexiva, requer menos resina epóxi para ser preenchida na camada reflexiva da tela e remove os pinos de material de aço carbono mais pesados. Ao reduzir o tamanho e o peso, o peso do produto pode ser facilmente reduzido pela metade, tornando a aplicação mais perfeita. Ele é especialmente adequado para vários produtos de retroiluminação com espessura de produto continuamente decrescente e aplicações de exibição em cores internas e semi{3}}externas-.
As embalagens SMD LED apresentam certas dificuldades técnicas, que se refletem em:
Primeiro, como projetar a estrutura do dispositivo e otimizar a combinação de materiais de embalagem para melhorar a eficiência luminosa do dispositivo e fazer com que a curva de distribuição de luz atenda aos requisitos. Uma boa forma de embalagem pode não apenas melhorar o efeito de uso dos chips LED, mas também ajudar as empresas a alcançar a diferenciação do produto. A pesquisa contínua em estruturas de dispositivos SMD levou ao desenvolvimento contínuo de estruturas de dispositivos, resultando no surgimento de dispositivos especializados para nichos de mercado, como LEDs ovais para aplicações de exibição externa e LEDs de emissão lateral para retroiluminação de LCD de tamanho pequeno-.
Em segundo lugar, a dissipação de calor eficaz é crucial para melhorar a fiabilidade do dispositivo. A alta resistência térmica em dispositivos LED aumenta a temperatura da junção PN do chip, levando aLuz LEDdegradação. A dissipação de calor é o principal desafio técnico nas embalagens de LED. A pesquisa contínua nesta tecnologia chave enriqueceu e desenvolveu materiais de embalagem, reduzindo significativamente a resistência térmica do dispositivo e garantindo fundamentalmente a vida útil do dispositivo.
A tecnologia de embalagem de LED branco tornou-se uma área-chave de foco e pesquisa na indústria. Técnicas avançadas de empacotamento melhoram o controle sobre parâmetros como temperatura de cor, coordenadas de cromaticidade e índice de reprodução de cores (CRI). Isso resulta em LEDs brancos de alta-qualidade que atendem aos diversos requisitos de diferentes mercados e alcançam CRI altamente consistente na produção em massa. Isto representa um desafio técnico significativo para qualquer fabricante.
(2) Os produtos de retroiluminação e iluminação se tornarão a força motriz para o rápido crescimento subsequente do mercado de LED
Com o rápido aumento na taxa de penetração da retroiluminação LED em painéis LCD de grande-tamanho e o desenvolvimento inesperado do mercado de iluminação LED, toda a indústria LED verá um impulso de crescimento acelerado. A retroiluminação LED e a iluminação geral LED são duas áreas com crescimento mais rápido. A retroiluminação e a iluminação se tornarão a força motriz para o rápido crescimento subsequente do mercado de LED.
8. Demanda do mercado de LED de retroiluminação
Retroiluminação LEDinclui luz de fundo de-tamanho pequeno, luz de fundo de-tamanho médio e luz de fundo de-tamanho grande. A retroiluminação-de tamanho pequeno é usada principalmente em telefones celulares, MP3, MP4, PDA, câmeras digitais, câmeras de vídeo e equipamentos de ginástica; a retroiluminação-de tamanho médio é usada principalmente em notebooks, netbooks, telas e monitores de computador; O tamanho-grande é usado principalmente em TVs LCD.
Os requisitos de número e desempenho da retroiluminação LED para diferentes tamanhos de telas LCD são os seguintes:
9. Demanda do mercado de iluminação LED
A iluminação LED apresenta vantagens em relação à iluminação comum, como economia de energia, proteção ambiental, curto tempo de resposta e longa vida útil, o que determina que seja uma fonte de luz alternativa ideal. Atualmente, os LEDs são relativamente caros, dificultando a sua adoção generalizada. No entanto, à medida que os custos do LED diminuem gradualmente, os governos de todo o mundo estão empenhados em promover políticas de-poupança de energia e a eliminação global-das lâmpadas incandescentes. A iluminação LED apresentará enormes oportunidades de desenvolvimento. O mercado de iluminação LED pode ser categorizado principalmente em iluminação paisagística externa (luzes de guarda-corpo, holofotes, luzes de gramado, etc.), iluminação geral interna, iluminação decorativa, iluminação especial (luzes de rua, lanternas, faróis, luzes de leitura, etc.), iluminação especial (iluminação militar, médica, iluminação biomédica, etc.) e iluminação automotiva.
Com a proibição das lâmpadas incandescentes, estão a surgir oportunidades de mercado para lâmpadas LED com menos de 10W. Atualmente, a iluminação é responsável por 19% do consumo global de eletricidade, consumindo um total de 2.651 terawatts-horas de energia. Espera-se que a substituição das fontes de luz existentes por fontes{7}com eficiência energética economize 30% de energia. A integração adicional da iluminação{10}com eficiência energética com sensores, redes inteligentes e outras aplicações pode economizar potencialmente mais 30%.
Perguntas frequentes
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