如何讓LED光源在照明領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用

　　半導(dǎo)體照明光源（這里主要指的是LED光源）現(xiàn)已經(jīng)批量進(jìn)入照明領(lǐng)域，但還是出現(xiàn)了不少問題，主要是能效、可靠性、光色質(zhì)量以及成本等問題。有關(guān)能效和光色質(zhì)量所涉及的內(nèi)容很豐富，比如視覺舒適度、智能化調(diào)光控制等，在此我們暫不描述。本文將討論急需解決的主要技術(shù)問題，歸結(jié)為“三高一低”，即高光效、高顯色性、高可靠和低成本的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)低成本其實(shí)質(zhì)上也是技術(shù)問題。解決這四大技術(shù)問題，需要在半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)上采取一系列措施，比如采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料等，這里只提及應(yīng)該采取的技術(shù)路線和方向，希望對LED企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新有所幫助。

　　一、如何實(shí)現(xiàn)高光效

　　半導(dǎo)體照明的光效，或者說能效，是節(jié)能效果的重要指標(biāo)。目前LED器件光效產(chǎn)業(yè)化水平可達(dá)120～140lm/W，作成照明燈具總的能效可大于100lm/W。這還是不高，節(jié)能效果不明顯，離半導(dǎo)體器件光效理論值250lm/W還有很大距離。真正要做到高光效，要從產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)上解決相關(guān)的技術(shù)問題，主要是提高內(nèi)量子效率、外量子效率、封裝出光效率和燈具效率，本文將針對外延、芯片，封裝，燈具等幾個(gè)環(huán)節(jié)要解決的技術(shù)問題探討。

　　1. 提高內(nèi)量子效率和外量子效率

　　主要采取以下幾點(diǎn)措施來提高內(nèi)量子效率和外量子效率。

　?。?）襯底表面粗化及非極性襯底

　　采用納米級圖型襯底、“取向型”圖型襯底或非極性、半極性襯底生長GaN，減少位錯(cuò)和缺陷密度及極性場影響，提高內(nèi)量子效率［1］。

　?。?）廣義同質(zhì)襯底

　　采用HVPE（氫化物液相外延）在Al2O3藍(lán)寶石襯底上生長GaN，作為混合同質(zhì)襯底GaN/Al2O3，在此基礎(chǔ)上外延生長GaN，可極大地降低位錯(cuò)密度達(dá)106～107cm-2，并較大地提高內(nèi)量子效率。日亞、Cree及我國北大均在研發(fā)之中［2］。

　?。?）改進(jìn)量子阱結(jié)構(gòu)

　　控制In組分的變化方式和變化量、優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)提高電子和空穴交疊幾率，增加幅射復(fù)合幾率以及調(diào)節(jié)非平衡載流子的輸運(yùn)等，提高內(nèi)量子效率。

　?。?）采用新結(jié)構(gòu)的芯片

　　采用新結(jié)構(gòu)要求芯片六面出光，在芯片界面上采用新技術(shù)進(jìn)行多種表面粗化方式，減少光子在芯片界面上反射幾率，并增加表面透光率，以提高芯片的外量子效率。

　　2. 提高封裝出光效率及降低結(jié)溫

　?。?）熒光粉效率及涂覆工藝

　　熒光粉的光激發(fā)效率目前還不高，黃粉可達(dá)70%左右，紅粉和綠粉的效率較低，有待進(jìn)一步提高。另外，熒光粉的涂覆工藝非常重要，有報(bào)道稱在芯片表面均勻涂復(fù)60微米厚度的熒光粉，激發(fā)效率較高。

　?。?）COB封裝

　　當(dāng)前半導(dǎo)體照明的光源采用各種形式COB封裝，提高COB封裝的出光效率是當(dāng)務(wù)之急，有報(bào)道稱，采用第二代（有的稱第三代）COB矩陣式結(jié)構(gòu)封裝，其光效可達(dá)120lm/W以上。如果采用倒裝芯片和六面發(fā)光體進(jìn)行全反射的結(jié)構(gòu)，光效可達(dá)160lm/W以上。

　?。?）降低結(jié)溫

　　結(jié)溫為25℃時(shí)的發(fā)光量設(shè)為100%，當(dāng)結(jié)溫上升至60℃時(shí)其發(fā)光量只有90%，當(dāng)上升至140℃時(shí)只有70%，所以在封裝時(shí)要加大散熱措施，保持較低結(jié)溫，維持較高的發(fā)光效率。

　　3. 提高燈具的取光效率

　　不同LED燈具的效率相差很大，一般LED燈具效率大于80%，有一部分可大于90%。要根據(jù)LED光源的特點(diǎn)以及不同的應(yīng)用場合，對燈具進(jìn)行精細(xì)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，也要考慮燈具散熱和眩光問題，提高LED燈具的取光效率。

　　二、實(shí)現(xiàn)高顯色性

　　白光LED的光色質(zhì)量內(nèi)容很多，包括色溫、顯色性、光色保真度、光色自然度、色調(diào)識別度、視覺舒適度等［3］。美國SSL計(jì)劃提出，LED照明產(chǎn)品的光譜分布要達(dá)到類似太陽光的光譜分布。要達(dá)到上述這些要求是很難的，要做很多基礎(chǔ)研究工作，將來一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。這里只討論目前急需解決的色溫和顯色性問題。美國能源之星標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，室內(nèi)照明的顯色指數(shù)CRI≥80，但在一些高端的應(yīng)用場合要求CRI≥90。制作高顯色性LED光源，會(huì)損失較多的光效，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要照顧這兩方面因素。

　　在此有必要說明一下有關(guān)顯色指數(shù)CRI的評價(jià)問題［4］，CIE（TC1-62）技術(shù)報(bào)告177的結(jié)論：“CIE的CRI不適合用于表示白光LED光源的顯色范圍”?，F(xiàn)在有很多種針對CRI定標(biāo)提出的修正辦法，如CQS色品質(zhì)度、GAI全色域指數(shù)、RF夫勒特利指數(shù)、CPI顏色偏愛指數(shù)、CDI色分辨指數(shù)等，目前CIE要采用哪一種修正尚未定論。美國NIST（國家標(biāo)準(zhǔn)研究院）提出采用CQS來評價(jià)光源顏色的質(zhì)量，將測試樣品擴(kuò)大到15種，包含部分高色飽和度的樣品，這樣就好得多，很多人給予認(rèn)同。要提高顯色性，原則上要考慮RGB三基色組合來實(shí)現(xiàn)，目前有三種辦法。

　?。?）多基色熒光粉

　　LED光源采用LED藍(lán)光芯片加鋁酸鹽黃粉和氮化物紅粉、綠粉組合成LED白光，其顯色指數(shù)CRI可達(dá)80～90。據(jù)有關(guān)報(bào)道，如采用RGBY熒光粉有效組合，其CRI可達(dá)98。

　?。?）RGB多芯片組合

　　采用RGB多芯片有效組合的LED白光，顯色指數(shù)CRI也可達(dá)80～90，可能由于驅(qū)動(dòng)方式和成本等因素，目前較少應(yīng)用。

　?。?）熒光粉加芯片

　　LED光源采用藍(lán)光芯片加鋁酸鹽黃粉加紅色芯片，有效組合LED白光，其顯色指數(shù)可達(dá)80以上，光效較高，成本尚可，是目前普遍采用的組合方式。

　　三、提高可靠性

　　LED器件及光源（燈具）的可靠性、失效率、壽命等指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中存在不同的理解和描述，有必要作些解釋。

　　1. 可靠性

　　可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力［5］。LED失效類別主要有嚴(yán)重失效（指關(guān)鍵參數(shù)改變至LED不亮）和參數(shù)失效（指光電參數(shù)由初始值變化至超一定限度）。失效曲線包括早期失效（在使用初期失效率高，隨后迅速下降）、偶然失效（失效率低，但很穩(wěn)定）和耗損失效（隨使用時(shí)間愈長，耗損失效不斷上升）。

　　2. 壽命

　　壽命是產(chǎn)品可靠性的表征值。由于產(chǎn)品所規(guī)定各種壽命的含義不同，容易造成混淆，在此作具體描述。有關(guān)壽命的描述有很多種，這里列舉10種不同含義的壽命，即：壽命、平均壽命、中位壽命、特征壽命、預(yù)期壽命、可靠壽命、工作壽命、光通維持壽命、平均無故障工作時(shí)間和平均失效前工作時(shí)間等。其中LED壽命的常用表述有：

　　壽命：一般指統(tǒng)計(jì)平均值，對大量元器件而言，LED器件的壽命就是采用這種描述的含義。

　　工作壽命：指LED產(chǎn)品的有效工作時(shí)間，不同于一般的壽命。

　　中位壽命：有50%的燈具（光源）其光通量下降至某一定值（如初始值的70%）的時(shí)間定為中位壽命L70/B50，部分照明燈具的標(biāo)準(zhǔn)是采用中位壽命表述。

　　光通維持壽命：指發(fā)光器件（LED）或燈具（光源）的光通量下降至某一定值的時(shí)間，稱為光通維持壽命（此時(shí)不考慮色參數(shù)的變化）。

　　IEC及能源之星的表述：

　　IEC組織提出用維持率來說明失效率、壽命、預(yù)期壽命等。

　　EPA（美國國家環(huán)境保護(hù)局）公布：能源之星燈具V1.0技術(shù)規(guī)范“技術(shù)中立”，規(guī)定匹配燈具壽命為1萬小時(shí)即額定光通維持率壽命，集成LED燈具要求1.5萬～2.5萬小時(shí)。

　　能源之星標(biāo)準(zhǔn)提出LED光源（燈具）在加額定電流6000小時(shí)后，測量產(chǎn)品的光通維持率，并推算產(chǎn)品的工作壽命（指有效的工作時(shí)間）同時(shí)要求在全壽命期內(nèi)色空間均勻度在CIE1976u′v′圖中0.006以內(nèi)。這個(gè)辦法得到行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同，但具體操作很難，因?yàn)樾枰?50天以上的試驗(yàn)時(shí)間，在企業(yè)中很難執(zhí)行。

　　3. 提高可靠性

　　提高LED可靠性是行內(nèi)共同努力的目標(biāo)。有關(guān)影響LED產(chǎn)品可靠性的各種因素，如芯片制造、封裝、熱阻、散熱等，以前做了較詳細(xì)描述［6］，在此希望企業(yè)對LED產(chǎn)品在執(zhí)行全面質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，再作如下兩點(diǎn)要求：

　?。?）減少失效率

　　目前在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品失效，有的甚至很嚴(yán)重。希望相關(guān)單位能通過各種試驗(yàn)，找出失效的原因，并采取有效的工藝篩選辦法，剔除早期失效和偶然失效的不良產(chǎn)品，在使用中盡可能減少失效率。

　?。?）延長耗損失效時(shí)間

　　希望相關(guān)企業(yè)對典型的LED產(chǎn)品進(jìn)行長時(shí)間老化試驗(yàn)（或加速老化試驗(yàn)），通過分析找出產(chǎn)品耗損失效的原因，并在工藝、選材等各方面加以改進(jìn)，延長耗損的時(shí)間，這也是提高LED壽命的有效辦法。

　　四、降低成本