Introduzione ai LED
1. Introduzione di base ai LED
Il LED, abbreviazione di "Light Espiring Diode", è un dispositivo a semiconduttore che converte l'energia elettrica in luce. Il nucleo di un LED è un chip composto da semiconduttori di tipo p-e di tipo n-. Tra i due si forma una giunzione p-n. Quando i portatori minoritari iniettati si ricombinano con i portatori maggioritari, l’energia in eccesso viene rilasciata come luce, convertendo così l’energia elettrica in luce. I chip realizzati con materiali diversi possono emettere luce in vari colori, come rosso, arancione, giallo, verde, blu e viola, da qui il nome "diodo a emissione luminosa".
Rispetto all'illuminazione tradizionale, i LED offrono un notevole risparmio energetico e rappresentano attualmente la tecnologia di illuminazione più avanzata al mondo. Sono considerate una delle più grandi invenzioni dell'umanità dopo l'invenzione della lampadina a incandescenza da parte di Edison.
Un altro vantaggio chiave dei LED è la loro compatibilità ambientale. Essendo dispositivi a emissione di luce-allo stato solido-, i LED non contengono mercurio e pertanto la rottura durante la produzione e l'utilizzo non comporterà l'inquinamento ambientale dovuto ai metalli tossici.
2. Applicazioni e classificazioni dei LED
Nel mezzo della crisi energetica globale, i semiconduttoriIlluminazione a LED, caratterizzata dal suo design a risparmio energetico-, rispettoso dell'ambiente, colorato, sicuro, di lunga durata-e miniaturizzato, è stata riconosciuta in tutto il mondo come la terza rivoluzione dell'illuminazione nella storia umana. Con i progressi nella tecnologia LED, le sue applicazioni sono in continua espansione ed estensione, con applicazioni nella retroilluminazione LCD, illuminazione generale, display di segnali, semafori e illuminazione automobilistica.
3. Imballaggi LED e classificazioni dei prodotti
L'imballaggio LED si riferisce al processo di incapsulamento delCircuito integrato del LEDe staffa con materiali come resina epossidica o silicone. Nello specifico, comporta la disposizione, il fissaggio e il collegamento del chip LED e di altri componenti su una staffa o un substrato, estendendo i terminali del cablaggio e quindi incapsulandoli e fissandoli con un dielettrico di plastica-trasmettitore della luce per formare una struttura tridimensionale. Ciò fornisce protezione per il chip e dissipazione del calore.
Al momento, i tipi di dispositivi LED sono principalmente il tipo a inserimento diretto- (lampada) e il tipo a montaggio superficiale (SMD). Tra questi, i prodotti SMD hanno molte caratteristiche uniche ed eccellenti rispetto ai prodotti con lampade, come elevata densità di assemblaggio, dimensioni ridotte del prodotto elettronico, leggerezza, risparmio di materiali, energia, attrezzature, manodopera, tempo, ecc. Nello specifico, sono:
(1) basso tasso di difetti dei giunti di saldatura, buone caratteristiche di alta-frequenza e ridotte interferenze elettromagnetiche e radiofrequenze;
(2) elevata affidabilità e forte resistenza alle vibrazioni;
(3) facile da automatizzare, migliorare l'efficienza produttiva e ridurre i costi del 30%-50%;
(4) Il volume e il peso dei componenti SMD sono solo circa 1/10 dei tradizionali componenti plug-. Generalmente, dopo l'adozione di SMT, il volume dei prodotti elettronici si riduce del 40%-60% e il peso del 60%-80%.
Attualmente, i LED SMD vengono utilizzati principalmente nella retroilluminazione, nell'illuminazione e in altri campi. In base al tipo di confezione, i prodotti LED SMD includono le categorie chip, superiore, laterale e ad alta-potenza. I prodotti con vista dall'alto, laterale e ad alta-potenza sono caratterizzati principalmente da luce bianca e luminosità elevata e vengono utilizzati principalmente nella retroilluminazione (ad esempio telefoni cellulari e computer) e nell'illuminazione (ad esempio illuminazione per interni ed esterni). Pertanto, il packaging SMD di fascia alta-in genere include prodotti top, sideview e ad alta-potenza, in particolare prodotti a luce bianca e ad alta luminosità. Il mercato nazionale dei dispositivi through-hole è essenzialmente saturo, con profitti in calo ogni anno. La competizione per i dispositivi SMD di fascia bassa-sta diventando sempre più agguerrita, mentre la capacità di produzione per i dispositivi SMD di fascia medio- e-alta viene gradualmente rilasciata, con conseguenti significative fluttuazioni dei prezzi.
4. Classificazione dei LED per colore e applicazione
I LED appartengono alla categoria dei dispositivi optoelettronici a semiconduttore e sono classificati in base al colore in LED monocromatici, LED- a colori e LED bianchi. I LED bianchi vengono utilizzati principalmente nella retroilluminazione e nell'illuminazione e hanno un'ampia gamma di applicazioni. La classificazione e le aree di applicazione dei LED di vari colori sono le seguenti:
Con la crescente efficienza luminosa dei LED a luce bianca, l'illuminazione a semiconduttore è stata ampiamente utilizzata nei telefoni cellulari, nelle retroilluminazione, nell'illuminazione speciale e in altri campi e ora si sta espandendo nell'illuminazione generale. Secondo il "US Semiconductor Lighting Development Blueprint (OIDA 2002.11)" (Fonte: "China Semiconductor Lighting Industry Development Yearbook (2008-2009)"), si prevede che l'efficienza luminosa dei LED raggiungerà i 150 lm/w entro il 2012 e i 200 lm/w entro il 2020, penetrando in tutti i campi dell'illuminazione. Attualmente l'efficienza luminosa dei LED a luce bianca è di circa 120 lm/w. Il miglioramento continuo dell’efficienza luminosa dei LED a luce bianca è diventato un fattore chiave nel promuovere il progresso della tecnologia LED a luce bianca. Ad oggi non è stato trovato nessun prodotto più adatto all'illuminazione a semiconduttori dei LED a luce bianca.
5. Panoramica sullo sviluppo di applicazioni LED
Già nel 1907 gli esseri umani scoprirono il fenomeno dei materiali semiconduttori che emettono luce quando vengono energizzati. Tuttavia, fu solo negli anni '60 che i LED rossi, realizzati con il materiale semiconduttore composto GaAsP, divennero disponibili in commercio. A causa della loro efficienza luminosa estremamente bassa e del costo elevato, venivano poi utilizzati solo come indicatori di segnale in vari costosi dispositivi elettronici.
Dagli anni '90, con il graduale miglioramento dell'efficienza e dell'intensità luminosa dei LED e l'espansione della copertura del colore della luce nell'intero spettro visibile, il-risparmio energetico e i vantaggi pratici deiLuce LEDfonti sono diventate sempre più importanti, ampliando notevolmente i loro ambiti di applicazione. Attualmente, i LED sono ampiamente utilizzati nelle retroilluminazione LCD, negli schermi di grandi dimensioni per esterni, nelle fonti luminose di comunicazione ottica, nei semafori, nell'illuminazione scenica, nell'illuminazione paesaggistica e nei fanali posteriori delle automobili, e stanno gradualmente entrando nelle applicazioni di illuminazione tradizionali come l'illuminazione stradale, l'illuminazione per interni e i fari delle automobili.
6. Sviluppo del settore globale degli imballaggi LED
Lo sviluppo dell’industria globale degli imballaggi LED è andato di pari passo con il progresso delle tecnologie della catena industriale dei LED, dimostrando una chiara tendenza al trasferimento industriale. Le cinque più grandi aziende LED al mondo: Nichia e Toyoda Gosei del Giappone, CREE e Lumileds degli Stati Uniti e Osram della Germania, rappresentano il livello più alto della tecnologia LED e guidano lo sviluppo dell'industria dei LED.
Negli anni '50, in Gran Bretagna fu inventato il primo moderno LED (diodo a emissione di luce). Nel 1962, la General Electric degli Stati Uniti ha aperto la strada allo sviluppo del primo diodo pratico che emette luce visibile-. Negli anni '70 emersero i LED gialli e verdi. Con l'avvento di nuovi materiali e il miglioramento dell'efficienza luminosa, anche la potenza e il flusso luminoso delle singole sorgenti luminose a LED sono aumentati rapidamente. Nei decenni successivi, i LED si svilupparono rapidamente, aderendo alla Legge di Moore, con una luminosità che raddoppiava ogni 18 mesi. Negli anni '90, lo sviluppo dei LED blu da parte della Nichia Corporation del Giappone ha portato allo sviluppo di successo dei LED bianchi, espandendo in modo significativo l'applicazione dei LED dalla semplice segnaletica all'illuminazione.
Con il continuo progresso della tecnologia, i LED stanno superando problemi quali il decadimento della luce, la dissipazione del calore e l'efficienza luminosa, diventando riconosciuti come una nuova fonte di luce-a risparmio energetico e rispettosa dell'ambiente con vantaggi economici e sociali superiori e una vasta prospettiva di applicazione. I governi di tutto il mondo prestano sempre più attenzione a questo problema. Per risparmiare energia e promuovere la protezione ambientale, molti paesi stanno attualmente accelerando la legislazione, lanciando programmi di ricerca e applicazione corrispondenti o stabilendo scadenze chiare per incoraggiare l'uso di fonti luminose a risparmio energetico-. Nel luglio 2001, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha lanciato la Next-Generation Lighting Initiative (NGLI), nota anche come "Next Generation Lighting Initiative". L'Iniziativa giapponese per l'illuminazione del 21° secolo è un programma nazionale avviato e organizzato dal Centro giapponese per la ricerca e lo sviluppo dei metalli e dalla Nuova energia e tecnologia industriale
Organizzazione per lo sviluppo (NEDO). Nel luglio 2000, l'Unione Europea ha implementato il progetto Rainbow (Bringing Color to LEDs) e ha istituito la Direzione esecutiva-Generale per la ricerca (ECCR) per sostenere la promozione delle applicazioni LED a luce bianca attraverso il programma BRITE/EURAM-3 dell'UE. In risposta alla tendenza globale verso il risparmio energetico e la protezione ambientale, il Ministero del Commercio e dell'Energia della Corea del Sud ha istituito il "Programma di sviluppo di semiconduttori ottici GaN" per promuovere la ricerca sulle sorgenti di illuminazione LED a luce bianca basate su materiali GaN. Dal 2000, la Cina ha continuamente introdotto numerose politiche a sostegno dei LED e, nel 2009, ha lanciato il programma di promozione dell'illuminazione a LED "Dieci città, diecimila lampade" per sviluppare vigorosamente l'industria dei LED.
Grazie al forte sostegno delle politiche governative di tutto il mondo, del mondoIndustria dei LEDha visto un'applicazione diffusa in vari campi e una rapida crescita. Attualmente, l’industria globale degli imballaggi LED è concentrata principalmente in regioni come Giappone, Taiwan, Stati Uniti, Europa, Corea del Sud e Cina continentale. Il Giappone, gli Stati Uniti e l’Europa, con i loro vantaggi in termini di tecnologia industriale avanzata e attrezzature di produzione, sono tra le prime regioni a sviluppare l’industria degli imballaggi LED. Taiwan e la Corea del Sud vantano una filiera completa dell’elettronica di consumo con una chiara divisione del lavoro nei settori upstream, midstream e downstream e forniture e marketing stabili, che hanno portato alla loro rapida crescita negli ultimi anni. La Cina continentale, con i suoi vantaggi in termini di costi e il mercato delle applicazioni LED in rapida espansione, ha visto un afflusso costante di capitali per l’imballaggio LED da paesi di tutto il mondo, tra cui Taiwan, negli ultimi dieci anni, con numerosi paesi che vi hanno stabilito impianti di imballaggio. Le aziende di imballaggio nazionali hanno continuato a crescere e svilupparsi, con tecnologie sempre più sofisticate e innovative, rendendo la Cina continentale una delle regioni in più rapida crescita-per gli imballaggi LED.
Gli imballaggi LED sono ad alta intensità di tecnologia-e di capitale-. A causa dei vantaggi in termini di costi della Cina continentale e del mercato delle applicazioni LED in rapida espansione, i produttori di imballaggi internazionali e taiwanesi si sono riversati sulla terraferma per stabilire fabbriche, sfruttando la vicinanza alle apparecchiature di supporto e al mercato finale. Ciò ha consentito una crescita rapida e sostenuta del settore degli imballaggi LED nella Cina continentale, rendendolo un'importante base globale di imballaggi LED. Ciò non solo ha ampliato la quota di mercato della Cina continentale nel settore globale degli imballaggi LED, ma ha anche migliorato la tecnologia di imballaggio LED dei produttori cinesi continentali, accelerando il rapido sviluppo dell'intero settore. L'industria cinese degli imballaggi ha inizialmente formato quattro principali regioni ad alta intensità di LED-: il delta del fiume Pearl, il delta del fiume Yangtze, la regione del Fujian-Jiangxi e il Bohai Rim. La Cina è diventata una delle principali basi globali di imballaggi LED.
7. Tendenza allo sviluppo del settore degli imballaggi LED
(1) L'imballaggio SMD diventa gradualmente la forma principale di imballaggio LED
Il LED SMD confezionato a montaggio superficiale è diventato un punto caldo di sviluppo, che ha risolto efficacemente i problemi di luminosità, angolo di visione, planarità, affidabilità, consistenza, ecc. Utilizza schede PCB più leggere e materiali di strato riflettente, richiede meno resina epossidica per riempire lo strato riflettente del display e rimuove i perni di materiale in acciaio al carbonio più pesanti. Riducendo le dimensioni e il peso, il peso del prodotto può essere facilmente ridotto della metà, rendendo l'applicazione più perfetta. È particolarmente adatto per vari prodotti retroilluminati con spessore del prodotto in continua diminuzione e applicazioni con display a colori per interni e semi-esterni-.
L'imballaggio LED SMD presenta alcune difficoltà tecniche, che si riflettono in:
Innanzitutto, come progettare la struttura del dispositivo e ottimizzare la combinazione dei materiali di imballaggio per migliorare l'efficienza luminosa del dispositivo e far sì che la curva di distribuzione della luce soddisfi i requisiti. Una buona forma di imballaggio può non solo migliorare l'effetto d'uso dei chip LED, ma anche aiutare le aziende a differenziare il prodotto. La continua ricerca sulle strutture dei dispositivi SMD ha portato al continuo sviluppo delle strutture dei dispositivi, determinando l'emergere di dispositivi specializzati per mercati di nicchia, come LED ovali per applicazioni di display per esterni e LED a emissione laterale-per retroilluminazione LCD di piccole- dimensioni.
In secondo luogo, un’efficace dissipazione del calore è fondamentale per migliorare l’affidabilità del dispositivo. L'elevata resistenza termica nei dispositivi LED aumenta la temperatura della giunzione PN del chip, portando aLuce LEDdegradazione. La dissipazione del calore è la sfida tecnica principale negli imballaggi LED. La continua ricerca su questa tecnologia chiave ha arricchito e sviluppato materiali di imballaggio, riducendo significativamente la resistenza termica del dispositivo e garantendone sostanzialmente la durata.
La tecnologia di confezionamento dei LED bianchi è diventata un’area chiave di interesse e ricerca nel settore. Le tecniche di confezionamento avanzate migliorano il controllo su parametri quali la temperatura del colore, le coordinate cromatiche e l'indice di resa cromatica (CRI). Ciò si traduce in LED bianchi di alta-qualità che soddisfano i diversi requisiti dei diversi mercati e raggiungono un CRI altamente coerente nella produzione di massa. Ciò rappresenta una sfida tecnica significativa per qualsiasi produttore.
(2) I prodotti di retroilluminazione e illuminazione diventeranno la forza trainante per la successiva rapida crescita del mercato dei LED
Con il rapido aumento del tasso di penetrazione della retroilluminazione a LED nei pannelli LCD di grandi- dimensioni e lo sviluppo inaspettato del mercato dell'illuminazione a LED, l'intero settore dei LED vedrà uno slancio di crescita accelerato. La retroilluminazione a LED e l’illuminazione generale a LED sono due aree con la crescita più rapida. La retroilluminazione e l'illuminazione diventeranno la forza trainante per la successiva rapida crescita del mercato dei LED.
8. Domanda del mercato dei LED per retroilluminazione
Retroilluminazione a LEDinclude la retroilluminazione di dimensioni-piccole, la retroilluminazione di-dimensioni medie e la retroilluminazione di-dimensioni grandi. La retroilluminazione-di piccole dimensioni viene utilizzata principalmente nei telefoni cellulari, MP3, MP4, PDA, fotocamere digitali, videocamere e attrezzature per il fitness; la retroilluminazione di medie-dimensioni viene utilizzata principalmente nei computer notebook, netbook, display e monitor di computer; il formato grande-è utilizzato principalmente nei televisori LCD.
Il numero e i requisiti prestazionali della retroilluminazione a LED per le diverse dimensioni degli schermi LCD sono i seguenti:
9. Domanda del mercato dell'illuminazione a LED
L'illuminazione a LED presenta vantaggi rispetto all'illuminazione ordinaria come risparmio energetico, protezione ambientale, tempi di risposta brevi e lunga durata, che determinano che è una fonte di luce alternativa ideale. Attualmente, i LED sono relativamente costosi, il che ne ostacola un’adozione diffusa. Tuttavia, poiché i costi dei LED diminuiscono gradualmente, i governi di tutto il mondo si impegnano a promuovere politiche di risparmio energetico e l'eliminazione graduale globale delle lampadine a incandescenza. L'illuminazione a LED presenterà enormi opportunità di sviluppo. Il mercato dell'illuminazione a LED può essere classificato principalmente in illuminazione paesaggistica esterna (luci guardrail, faretti, luci da prato, ecc.), illuminazione generale per interni, illuminazione decorativa, illuminazione speciale (lampioni stradali, torce elettriche, fari, luci da lettura, ecc.), illuminazione speciale (illuminazione militare, medica, illuminazione biomedica, ecc.) e illuminazione automobilistica.
Con il divieto delle lampadine a incandescenza stanno emergendo opportunità di mercato per le lampadine LED inferiori a 10 W. Attualmente, l'illuminazione rappresenta il 19% del consumo globale di elettricità, per un totale di 2.651 terawatt{5}}ora di energia. Si prevede che la sostituzione delle sorgenti luminose esistenti con altre-efficienti dal punto di vista energetico consentirà di risparmiare il 30% di energia. L'ulteriore integrazione dell'illuminazione-efficiente dal punto di vista energetico con sensori, reti intelligenti e altre applicazioni può potenzialmente far risparmiare un ulteriore 30%.
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