Spécification d’inspection LED

Préface

Depuis qu’Edison a inventé la lampe à incandescence en 1879, l’éclairage par source lumineuse électrique a traversé plus d’un siècle. Parmi eux, il y a trois étapes importantes de développement. Les sources lumineuses représentatives sont les lampes à incandescence, les lampes fluorescentes et les lampes HID (High Intensity Discharge). La lampe à incandescence est facile à installer et à utiliser, mais c’est une source de rayonnement thermique. La majeure partie de l’énergie électrique d’entrée devient un rayonnement infrarouge et une perte de chaleur importante. La proportion de rayonnement tombant dans la région de la lumière visible est faible, de sorte que son efficacité lumineuse est faible. De plus, il a une courte durée de vie et est facilement endommagé.

Brève introduction à la LED

Le principe de fonctionnement de la lampe fluorescente est le suivant : le courant électrique excite les atomes de mercure et leur fait émettre des photons ultraviolets, ces photons excitent le phosphore pour émettre de la lumière visible. Bien qu’il puisse économiser de l’électricité par rapport aux lampes à incandescence, il est limité par l’efficacité de conversion des rayons ultraviolets en lumière visible, et l’amélioration de l’efficacité lumineuse est limitée.

De plus, il présente des inconvénients tels que la pollution électromagnétique, la courte durée de vie et la fragilité. Le principal composant du mercure peut également provoquer une pollution de l’environnement. .

L’efficacité de l’éclairage HID peut déjà dépasser 100 lm/W, mais en raison de la perte de conductivité thermique, ultraviolet et infrarouge, il est difficile d’améliorer considérablement l’efficacité lumineuse, et il y a des problèmes tels que le coût élevé, la maintenance difficile, la courte durée de vie et l’électromagnétisme radiation.

Au cours des dernières décennies, les gens n’ont jamais cessé de rechercher et d’explorer le développement de nouvelles sources d’éclairage. L’Europe a spécialement formulé un plan d’action quinquennal, proposant que les nouvelles sources lumineuses remplissent trois conditions : haute efficacité et économie d’énergie ; les matériaux ne sont pas nocifs pour l’environnement; simulation de lumière naturelle, indice de rendu des couleurs proche de 100.

 

La diode électroluminescente (diode électroluminescente, appelée LED) est un dispositif optoélectronique important. Il est largement utilisé dans la recherche scientifique et la production industrielle et agricole. Bien que la diode électroluminescente soit petite, il est nécessaire de mesurer avec précision ses paramètres de lumière et de rayonnement. Ce n’est pas une tâche facile.

À l’heure actuelle, il existe encore de grandes différences dans les comparaisons de tests à travers le monde. Dans cette optique, l’équipe CIE (Commission internationale de l’éclairage) TC2-34 a mené une étude à ce sujet, et le rapport technique proposé a constitué le document CIE127-1997.

 

Avec l’émergence d’une nouvelle génération de matériaux semi-conducteurs AlGaAs (arséniure d’aluminium gallium), AlInGaP (aluminium indium gallium phosphure) et AlInGaN (aluminium indium gallium nitrure) et des avancées technologiques dans le boîtier des diodes électroluminescentes, monopuce rouge, vert, bleu , Le niveau de puissance des LED blanches continue d’augmenter et les LED haute luminosité devraient devenir la quatrième génération de sources lumineuses.

La LED est une toute nouvelle révolution et une percée majeure dans le développement des sources lumineuses électriques. Il modifie fondamentalement le mécanisme d’émission de lumière des sources lumineuses. Il présente les avantages d’une efficacité lumineuse élevée, d’une couleur, d’une longue durée de vie, de la protection de l’environnement et d’une petite taille.

Il peut être appliqué à une variété de zones éclairées colorées et blanches. Tout en améliorant la qualité et l’utilité de l’éclairage, les sources lumineuses à LED peuvent économiser de l’énergie et améliorer la pollution de l’environnement, ce qui est propice au développement harmonieux de l’économie nationale et des moyens de subsistance de la population.

Par conséquent, la recherche active de nouvelles technologies pour les sources lumineuses LED et l’accélération du développement de l’industrie de l’éclairage LED ont des avantages économiques importants et une signification sociale de grande envergure.

L’histoire du développement des matériaux LED

Selon le mécanisme d’émission de lumière des LED, les niveaux d’énergie occupés par les électrons et les trous sont différents selon le matériau. La différence de niveau d’énergie relative détermine le niveau d’énergie émis par la combinaison des deux porteurs, qui peut produire des niveaux d’énergie différents. Les photons peuvent contrôler la longueur d’onde de la lumière émise par la LED, qui est le spectre ou la couleur. Par conséquent, pour déterminer la couleur de la lumière émise par la LED, celle-ci peut être sélectionnée par la structure du matériau. En fait, le développement des LED repose sur le développement de matériaux semi-conducteurs.

Le matériau utilisé pour le premier laser à semi-conducteur de l’histoire de la fabrication est du GaAs avec une jonction isomorphe p-n avec un intervalle d’énergie de 1,424 eV, et la longueur d’onde des photons émis est d’environ 0,84 m, qui se situe dans le spectre infrarouge. La relation entre cet écart énergétique et la longueur d’onde des photons émis peut être facilement calculée théoriquement. Les chercheurs utilisent ces calculs théoriques pour prédire les matériaux qui doivent être utilisés dans diverses gammes de lumière visible, puis en fonction des caractéristiques de ces matériaux. Et la technologie des processus de conception et l’équipement connexe.

En plus du GaAs, l’un des matériaux luminescents les plus connus est un matériau appelé phosphure de gallium (GaP) avec une structure similaire, avec un écart énergétique de 2,261eV. En mélangeant GaAs et GaP, la structure de GaAs1-xPx peut être obtenue, où x représente le pourcentage de phosphore substitué à l’arsenic. Lorsque x augmente progressivement de 0 à 1, la structure du matériau passe de GaAs à GaP. L’écart énergétique est augmenté de 1,424 eV à 2,261 eV. Dans cette plage, théoriquement, toutes les longueurs d’onde de la lumière infrarouge à la lumière verte peuvent être obtenues. En fait, le système GaAs1-xPx est la structure matérielle la plus importante de l’industrie des LED au début.

 

En 1962, la première LED rouge était constituée de GaAsP, un matériau semi-conducteur composé. Jusqu’à ce que le développement des éléments quaternaires arrive à maturité, presque toutes les LED à lumière visible sont fabriquées avec cette série de matériaux. En plus de la lumière infrarouge émise par GaAs, les plus utilisées sont les LED rouges GaP et GaAs0.6P0.4, les LED orange GaAs0.35P0.65, les LED jaunes GaAs0.14P0.86 et la LED verte GaP. L’écart énergétique du GaP est le plus élevé dans cette série de matériaux, et la longueur d’onde émise est également la plus courte, mais elle n’atteint que la plage verte.

Les premières LED rouges avaient une efficacité lumineuse très faible. Avec l’émergence des matériaux semi-conducteurs AlGaAs et l’application de la technologie de gap énergétique direct à correspondance de réseau complet, leur efficacité lumineuse a été considérablement améliorée, dépassant celle des lampes à incandescence à filtres rouges. La technologie de substrat transparent consistant à faire repousser AlGaAs sur substrat AlGaAs double l’efficacité lumineuse de la LED rouge.

 

LED jaune, rouge et blanche

Le développement de la technologie OMVPE (organic metal vapor phase epitaxy) a favorisé la naissance d’un nouveau matériau AlInGaP, qui a fait passer le développement des LED à haute luminosité de la lumière jaune à la lumière rouge. Au début des années 1990, Lumileds Lighting Company a utilisé le matériau AlInGaP pour fabriquer des LED à haute luminosité pouvant émettre de la lumière rouge et son spectre de longueur d’onde proche.

 

Initialement, les performances des matériaux AlInGaP n’étaient pas particulièrement bonnes. L’ordre des alliages, la passivation par atome d’hydrogène accepteur, le positionnement de la jonction PN et l’oxygénation des couches semi-conductrices contenant de l’aluminium sont plusieurs problèmes qui doivent être résolus de toute urgence. Les chercheurs ont passé près d’une décennie. Après avoir résolu ce problème, l’efficacité de conversion quantique de la lumière à l’intérieur de la LED en AlInGaP peut être considérablement améliorée, proche de 100 %, et presque chaque paire d’électrons et de trous peut produire un photon.

Cependant, ces photons internes ne peuvent pas être complètement convertis en lumière visible à l’extérieur de la LED. Le principal obstacle est que les photons seront absorbés par la bande interdite étroite sur la base de GaAs. En 1994, Hewlett-Packard (HP) a utilisé une méthode de gravure pour éliminer la base de GaAs et l’a remplacée par un GaP transparent à l’aide d’un processus de collage de plaquettes, ce qui a considérablement amélioré l’efficacité lumineuse à 25 lm/W, presque avec un filtre rouge dix fois celui des lampes à incandescence. Les LED rouges sont également progressivement utilisées dans les feux arrière des voitures, les feux de circulation et les panneaux d’affichage extérieurs.

Peu de temps après la commercialisation d’AlInGaP, Shuji Nakamura de Nichia Chemical, les professeurs Akasaki et Amano de l’Université de Nagoya et l’Université Meijo ont progressivement maîtrisé un nouveau processus de fabrication de matériaux semi-conducteurs, c’est-à-dire l’utilisation de la pression d’air OMVPE dans le revêtement en saphir AlInGaN est cultivé sur le fond .

Par rapport à AlInGaP, AlInGaN a un écart énergétique plus large et peut émettre de la lumière verte, bleue et ultraviolette, mais l’efficacité lumineuse est inférieure. L’efficacité de conversion quantique de la lumière de la LED verte AlInGaN est d’environ 20 % à 40 % et la lumière bleue d’environ 40 à 60 %. Bien que les LED vertes aient une efficacité lumineuse inférieure, les yeux humains sont plus sensibles à la lumière verte qu’à la lumière bleue et rouge, donc des entreprises telles que Nichia Chemical et Lumileds ont utilisé des LED rouges, vertes et bleues pour faire des indications en couleur. Feux et feux de signalisation.

 LED haute luminosité

Les progrès continus de la technologie et des matériaux des semi-conducteurs ont grandement favorisé le développement des LED. Au cours des dernières décennies, similaire à la loi de Moore bien connue dans les circuits intégrés à grande échelle, l’augmentation continue du flux lumineux des LED suit la loi de Haitz, qui double tous les 18-24 mois.

Au cours des dix dernières années, la haute luminosité et la colorisation complète ont toujours été des sujets de pointe dans la recherche sur les matériaux LED et la technologie des appareils. La haute luminosité fait référence aux LED dont l’intensité lumineuse atteint ou dépasse 100mcd, également appelées LED candela (cd). Le développement d’AlInGaP et d’InGaN à haute luminosité progresse très rapidement et a atteint un niveau de performance que les matériaux conventionnels GaA1As, GaAsP et GaP ne peuvent atteindre.

 

En 1991, Toshiba Corporation du Japon et Hewlett-Packard Company des États-Unis ont développé la LED orange haute luminosité AlInGaP 620 nm, et en 1992 la LED jaune haute luminosité AlInGaP590 nm a été mise en pratique. La même année, Toshiba a développé avec succès une LED InGaA1P 573nm jaune-vert haute luminosité avec une intensité lumineuse normale de 2cd.

En 1994, Nichia, au Japon, a développé une LED haute luminosité bleue (verte) InGaN 450 nm. À ce stade, les trois couleurs primaires des LED rouge, verte, bleue, orange et jaune requises pour l’affichage couleur ont atteint une intensité lumineuse de niveau candela, atteignant une luminosité élevée et une couleur pleine.

Les LED rouges à haute luminosité de la série A1GaAs ont une efficacité lumineuse supérieure à celle des LED de la série GaAsP. Le rendement lumineux des LED de la série A1GaAs à substrat transparent (640 nm) est proche de 10 lm/w, ce qui est 10 fois supérieur à celui des LED rouges de la série GaAsP. Les LED haute luminosité de la série AlInGaP fournissent les mêmes couleurs que les LED de la série GaAsP, y compris : jaune vert (560 nm), jaune vert clair (570 nm), jaune (585 nm), jaune clair (590 nm), orange (605 nm), rouge clair (625 nm) , Rouge profond (640 nm). L’efficacité lumineuse de la LED de la série AlInGaP à substrat transparent est comparée à d’autres structures LED. L’efficacité lumineuse du substrat absorbant LED de la série AlInGaP est de 10 lm/w, et le substrat transparent est de 20 lm/w, ce qui est supérieur à celui des LED de la série GaAsP dans la plage de longueurs d’onde de 590 à 626 nm. L’efficacité est 10 à 20 fois supérieure à celle de la LED GaAsP-GaP dans la plage de longueurs d’onde de 560 à 570.

 

Les LED InGaN haute luminosité fournissent une lumière bleue et une lumière verte, avec une plage de longueurs d’onde de 450 à 480 nm pour le bleu, 500 nm pour le bleu-vert, 520 nm pour le vert et un rendement lumineux de 10 à 15 lm/w. L’efficacité lumineuse actuelle des LED à haute luminosité a dépassé celle des lampes à incandescence et peut remplacer les lampes à incandescence d’une puissance inférieure à 1 W, et les matrices de LED peuvent remplacer les lampes à incandescence d’une puissance de 150 W. Pour de nombreuses applications, les lampes à incandescence utilisent des filtres pour obtenir des couleurs rouge, orange, verte et bleue, tandis que les LED haute luminosité en matériaux AlInGaP et InGaN combinent plusieurs puces LED haute luminosité (rouge, bleu et vert). les couleurs peuvent être obtenues sans filtres, notamment le rouge, l’orange, le jaune, le vert et le bleu. À l’heure actuelle, son efficacité lumineuse a dépassé celle des lampes à incandescence, et la lampe fluorescente avant en est proche et la luminosité lumineuse est supérieure à 1000mcd.

Classification LED

Selon la couleur lumineuse du tube lumineux :

Il peut être divisé en rouge, orange, vert (subdivisé en jaune-vert, vert standard et vert pur), lumière bleue et ainsi de suite. De plus, certaines diodes électroluminescentes contiennent des puces de deux ou trois couleurs.

Selon les diodes électroluminescentes dopées ou non dopées avec des agents diffusants, colorées ou incolores, les diodes électroluminescentes de différentes couleurs précitées peuvent être divisées en quatre types : colorées et transparentes, incolores et transparentes, à diffusion colorée et à diffusion incolore . Des diodes électroluminescentes diffusantes sont utilisées comme voyants lumineux. Selon les caractéristiques de la surface électroluminescente du tube lumineux.

Selon les caractéristiques de la surface électroluminescente du tube lumineux :

Lampes rondes, lampes carrées, rectangles, tubes émetteurs de surface, tubes latéraux, microtubes pour montage en surface, etc. Selon le diamètre, la lampe circulaire est divisée en φ2mm, φ4.4mm, φ5mm, φ8mm, φ10mm et φ20mm. Dans les pays étrangers, les diodes électroluminescentes avec φ3 mm sont généralement enregistrées comme T-1; ceux avec φ5mm sont enregistrés comme T-1 (3/4); ceux avec φ4,4 mm sont enregistrés comme T-1 (1/4).

Il existe trois catégories de la distribution angulaire de l’intensité lumineuse :

 

(1) Haute directivité. Généralement, il s’agit d’un emballage en époxy pointu ou d’un emballage avec une cavité réfléchissante en métal, et aucun agent de diffusion n’est ajouté. L’angle de demi-valeur est de 5° à 20° ou moins, avec une directivité élevée, et peut être utilisé comme source lumineuse d’éclairage local, ou combiné avec un détecteur de lumière pour former un système de détection automatique.

(2) Type standard. Habituellement utilisé comme voyant lumineux, son angle de demi-valeur est de 20°～45°.

(3) Type de diffusion. Il s’agit d’un voyant lumineux avec un angle de vision plus grand, l’angle de demi-valeur est de 45°-90° ou plus, et la quantité d’agent de diffusion est plus grande.

 

Selon la structure des diodes électroluminescentes :

Selon la structure des diodes électroluminescentes, il existe une encapsulation époxy complète, une encapsulation époxy à base de métal, une encapsulation époxy à base de céramique et une encapsulation en verre.

 

Selon l’intensité lumineuse et le courant de travail :

Selon l’intensité lumineuse et le courant de travail, il existe des LED de luminosité ordinaires (intensité lumineuse 100mcd); l’intensité lumineuse entre 10-100mcd est appelée LED haute luminosité.

Généralement, le courant de fonctionnement des LED varie de dix mA à des dizaines de mA, tandis que le courant de fonctionnement des LED à faible courant est inférieur à 2 mA (la luminosité est la même que celle des LED ordinaires).

En plus des méthodes de classification ci-dessus, il existe également des méthodes de classification par matériau de puce et de classification par fonction.