高亮LED芯片探討

薄膜芯片技術(shù)嶄露鋒芒

目前，LED芯片技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于基底材料和晶圓生長技術(shù)。基底材料除了傳統(tǒng)的藍寶石材料、硅(Si)、碳化硅(SiC)以外，氧化鋅(ZnO)和氮化鎵(GaN)等也是當前研究的焦點。無論是重點照明和整體照明的大功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡單輔助照明的小功率芯片，技術(shù)提升的關(guān)鍵均圍繞如何研發(fā)出更高效率、更穩(wěn)定的芯片。因此，提高LED芯片的效率成為提升LED照明整體技術(shù)指標的關(guān)鍵。在短短數(shù)年內(nèi)，借助芯片結(jié)構(gòu)、表面粗化、多量子阱結(jié)構(gòu)設計等一系列技術(shù)的改進，LED在發(fā)光效率出現(xiàn)重大突破，LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展如圖1所示。相信隨著該技術(shù)的不斷成熟，LED量子效率將會得到進一步的提高，LED芯片的發(fā)光效率也會隨之攀升。

圖1　LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

薄膜芯片技術(shù)(Thinfilm)是生產(chǎn)超亮LED芯片的關(guān)鍵技術(shù)，可以減少側(cè)向的出光損失，通過底部反射面可以使得超過97%的光從正面輸出(圖2)，不僅大大提高LED發(fā)光效率，也簡易透鏡的設計。

圖2　普通LED和薄技技術(shù)LED的正面出光率比較

三大封裝技術(shù)介紹

高功率LED封裝技術(shù)可區(qū)分為單顆芯片、多芯片整合及芯片板上封裝三大類，以下將進行說明。

發(fā)光效率、散熱、可靠性為單顆芯片封裝優(yōu)勢

單顆芯片封裝是封裝技術(shù)中應用最多的，其主要的技術(shù)瓶頸在于芯片的良率、色溫的控制及熒光粉的涂敷技術(shù)，而歐司朗光電半導體的Golden DRAGON Plus LED，采用硅膠封裝，其封裝外型及內(nèi)部簡要結(jié)構(gòu)如圖3所示。該LED具有170度的光束角，能理想地配合二次光學透鏡或反光杯，其硅膠透鏡有著耐高溫及低衰減的特性。獨特的封裝設計進一步提升LED的散熱性能，使產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦6.5℃左右，有助于降低熱阻。另外，熒光粉的特定配制使LED的色溫覆蓋冷白、中性白和暖白范圍。單芯片封裝的優(yōu)勢在于光效高、易于散熱、易配光及可靠性。

圖3　歐司朗光電半導體Golden DRAGON Plus LED的封裝外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多芯片整合封裝于小體積內(nèi)可達高光通量

多芯片整合組件是目前大功率LED組件最常見的另一種封裝形式，可區(qū)分為小功率和大功率芯片整合組件兩類，前者以六顆低功率芯片整合的1瓦大功率LED組件最典型，此類組件的優(yōu)勢在于成本較低，是目前不少大功率組件的主要制作途徑。大功率芯片結(jié)合以OSTAR SMT系列為代表，其封裝外型如圖4所示，通過優(yōu)化設計，可使最終產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時可以驅(qū)動高達15瓦的高功率。該封裝的優(yōu)勢在于在很小的空間內(nèi)達到很高的光通量。

圖4　歐司朗光電半導體OSTAR SMT LED的封裝外型

COB有效改進散熱缺陷

COB技術(shù)沿用傳統(tǒng)半導體技術(shù)，即直接將LED芯片固定在印刷電路板(PCB)上。利用該技術(shù)，目前已有厚度僅達0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接與PCB板接觸，增加導熱面積，散熱問題得以改善。此封裝形式多以小功率芯片為主。

燈具散熱、光學、驅(qū)動IC設計舉足輕重

提高散熱效能延長燈具使用壽命

燈具的壽命一直是大家所關(guān)注的主要問題之一。建構(gòu)良好的燈具散熱系統(tǒng)，單靠選擇熱阻低的LED組件并不夠，必須有效降低PN接面到環(huán)境的熱阻，以盡可能降低LED的PN接面溫度，提高LED燈具的壽命和實際光通量。與傳統(tǒng)光源不同的是，PCB即是LED的供電載體，同時也是散熱載體，因此，PCB和散熱器的散熱設計也尤為重要。此外，散熱材料的材質(zhì)、厚度、面積大小及散熱接口的處理、連接方式等都是燈具廠商所要考慮的因素。

光學設計應妥善發(fā)揮LED標準

LED的方向性和點光源是不同于傳統(tǒng)光源的最典型特征之一，如何利用LED此兩大特性為燈具光學設計的關(guān)鍵。通過LED的二次光學設計，LED燈具可達到比較理想的配光曲線，如在室內(nèi)的整體照明中，要求燈具的亮度高，可使用透過率較高的燈罩以提高出光效率;另外也有燈具中加入導光板技術(shù)，使LED點光源成為面光源，提高其均勻度而防止眩光發(fā)生;此外部分輔助照明、重點照明則需要一定的聚光效果以突顯被照物，則可以選擇配一些聚光透鏡或反光杯來達到光學要求。

驅(qū)動設計須確保恒流輸出量

LED對驅(qū)動電路的要求為保證恒流輸出，因LED正向工作時，LED正向電壓相對變化區(qū)域很小，為保證LED驅(qū)動電流的恒定也就是確保LED輸出功率的恒定。另外，調(diào)光設計也是目前驅(qū)動電路的主流設計之一，此在一些情景照明中應用較多，根據(jù)不同環(huán)境調(diào)配不同亮度，充分達到節(jié)能效果。目前驅(qū)動器的主要設計方向圍繞在提高電源功率因子、降低耗電量、提高控制精度及加快響應速度為主。除了驅(qū)動電源的設計之外，PCB布線及串并聯(lián)方式也是設計考慮。

標準制定不可或缺

LED照明作為一個嶄新的領(lǐng)域，需要產(chǎn)品標準、測量標準、控制與接口標準等的制定，加上目前市面上的LED照明產(chǎn)品良莠不齊，眾多產(chǎn)品信息皆不夠完整，容易誤導消費者，同時還有來自包括有機發(fā)光二極管(OLED)等其他高效率光源和傳統(tǒng)低價光源之競爭，LED照明產(chǎn)業(yè)急需一套完善的標準體系來維護和促進產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。目前美國的能源部(DOE)正在積極推動關(guān)于半導體照明的相關(guān)標準，中國大陸、臺灣、韓國、日本等也都在積極展開LED標準的制定工作。

照明用大功率LED技術(shù)挑戰(zhàn)重重

雖然LED在室內(nèi)照明的重點照明和裝飾照明獲得發(fā)揮空間，但LED離真正的通用照明或者環(huán)境照明還存在諸多挑戰(zhàn)，如初期成本、低色溫的發(fā)光效率、顯色指數(shù)及系統(tǒng)的可靠性等。

透過整體系統(tǒng)優(yōu)化降低初期成本

就室內(nèi)照明而言，尤其是家庭照明對成本相對比較敏感，雖然LED燈的款式不斷增加，發(fā)光效率也越來越高，但價格昂貴的問題依然存在。此有待進一步調(diào)降LED光源價格，同時須要從整體系統(tǒng)的層面去優(yōu)化設計，降低總成本。從緊湊型熒光燈在剛進入市場初期的15美元左右降低至目前的1.5美元以下，由此可知，隨著市場不斷發(fā)展，不久的將來，LED燈的價格也較為普羅大眾接受。

擺脫熒光粉限制低色溫發(fā)光效率

室內(nèi)家庭照明往往會傾向于4,000K以下的偏低色溫，暖白光讓整個環(huán)境變得較為溫馨放松;而冷白光會給人干凈、高效及明快的感覺，適合于辦公室的照明和室外的照明。而受到熒光粉的影響，LED低色溫時的發(fā)光效率往往要比高色溫時的光效低約30%。

混合紅光LED兼顧光效和顯色指數(shù)

LED的光效越高，其顯色指數(shù)往往有些偏低，而室內(nèi)照明要求能夠客觀顯示物體的明暗度與色彩性，獲得人眼直接觀察外部景物的真實效果，因而通常需要較高的顯色指數(shù)。此需要LED在發(fā)光效率提升的同時，進一步提高顯色指數(shù)，但也可以通過在燈具層面混入一些紅光LED來得到顯示指數(shù)大于90的效果。

提高大電流驅(qū)動效率縮減LED成本

現(xiàn)階段，1瓦的LED驅(qū)動電流可達350～1,000毫安，但通常在大電流驅(qū)動條件下，雖然光通量提高，但整體的效率下降比較明顯，因而在整體成本和系統(tǒng)光效之間須找尋平衡，若能夠提高LED在大電流驅(qū)動下的發(fā)光效率，則可保證在較高系統(tǒng)發(fā)光效率前提下，大幅縮減所需LED顆數(shù)，從而明顯降低成本。

減小LED的封裝尺寸有助于加大設計彈性

LED室內(nèi)燈具的發(fā)展在節(jié)能環(huán)保健康的前提下，也會朝藝術(shù)化、迷你化和個性化的方向發(fā)展，因而縮小LED的封裝尺寸可加大在燈具設計時的靈活性和創(chuàng)新空間。在某些須使用混光來提升顯色性的場合，較小的封裝尺寸會有利于混光透鏡的設計和混光的效果。

關(guān)鍵組件提高系統(tǒng)壽命、可靠性缺一不可

對于LED在通用照明中的應用，須從系統(tǒng)的角度來提高整體效率、壽命和可靠性。傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的系統(tǒng)組成相對簡單，而LED照明系統(tǒng)涉及多個組件(圖5)。

圖5　LED照明系統(tǒng)的組成部件(LED燈具=ED+電源+驅(qū)動+散熱+光學)

LED光源 光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率。

電源轉(zhuǎn)換 將交流電、電池等電源高效轉(zhuǎn)換至安全的低壓恒流電源。

控制和驅(qū)動 采用電子電路對LED進行恒流驅(qū)動和控制。

熱管理 為了實現(xiàn)更長的工作壽命，LED結(jié)點溫度控制非常重要，須要分析散熱。

光學組件 將光聚焦至需要之處，要求使用透鏡、反光杯或?qū)Ч獠牧稀?/p>