關(guān)于高亮LED芯片的一些事

相較于白熾燈、緊湊型熒光燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管(LED)具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、指向性高等諸多優(yōu)勢(shì)，日益受到業(yè)界青睞而被用于通用照明(General Lighting)市場(chǎng)。LED照明應(yīng)用要加速普及，短期內(nèi)仍有來(lái)自成本、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等層面的問(wèn)題必須克服，技術(shù)方面，包括色溫、顯色性和效率提升等問(wèn)題，仍有待進(jìn)一步改善。而LED在通用照明市場(chǎng)的應(yīng)用涉及多方面的要求，須從系統(tǒng)的角度去考慮，如LED光源、電源轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)控制、散熱和光學(xué)等。

　　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(zhǎng)技術(shù)?；撞牧铣藗鹘y(tǒng)的藍(lán)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(dāng)前研究的焦點(diǎn)。無(wú)論是重點(diǎn)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(jiǎn)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(biāo)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(shè)計(jì)等一系列技術(shù)的改進(jìn)，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(huì)得到進(jìn)一步的提高，LED芯片的發(fā)光效率也會(huì)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(guò)底部反射面可以使得超過(guò)97%的光從正面輸出(圖2)，不僅大大提高LED發(fā)光效率，也簡(jiǎn)易透鏡的設(shè)計(jì)。

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(jìn)行說(shuō)明。

　　發(fā)光效率、散熱、可靠性為單顆芯片封裝優(yōu)勢(shì)

　　單顆芯片封裝是封裝技術(shù)中應(yīng)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(dǎo)體的Golden DRAGON Plus LED，采用硅膠封裝，其封裝外型及內(nèi)部簡(jiǎn)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(xué)透鏡或反光杯，其硅膠透鏡有著耐高溫及低衰減的特性。獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)進(jìn)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(shì)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(dǎo)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(dá)高光通量

　　多芯片整合組件是目前大功率LED組件最常見(jiàn)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(shì)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O(shè)STAR SMT系列為代表，其封裝外型如圖4所示，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使最終產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)15瓦的高功率。該封裝的優(yōu)勢(shì)在于在很小的空間內(nèi)達(dá)到很高的光通量。

圖4　歐司朗光電半導(dǎo)體OSTAR SMT LED的封裝外型

　　COB有效改進(jìn)散熱缺陷

　　COB技術(shù)沿用傳統(tǒng)半導(dǎo)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(dá)0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接與PCB板接觸，增加導(dǎo)熱面積，散熱問(wèn)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(xué)、驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)舉足輕重

　　提高散熱效能延長(zhǎng)燈具使用壽命

　　燈具的壽命一直是大家所關(guān)注的主要問(wèn)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(shí)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(shí)也是散熱載體，因此，PCB和散熱器的散熱設(shè)計(jì)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(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)妥善發(fā)揮LED標(biāo)準(zhǔn)

　　LED的方向性和點(diǎn)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(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過(guò)LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，LED燈具可達(dá)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(guò)率較高的燈罩以提高出光效率；另外也有燈具中加入導(dǎo)光板技術(shù)，使LED點(diǎn)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(diǎn)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(lái)達(dá)到光學(xué)要求。

　　驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)須確保恒流輸出量

　　LED對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求為保證恒流輸出，因LED正向工作時(shí)，LED正向電壓相對(duì)變化區(qū)域很小，為保證LED驅(qū)動(dòng)電流的恒定也就是確保LED輸出功率的恒定。另外，調(diào)光設(shè)計(jì)也是目前驅(qū)動(dòng)電路的主流設(shè)計(jì)之一，此在一些情景照明中應(yīng)用較多，根據(jù)不同環(huán)境調(diào)配不同亮度，充分達(dá)到節(jié)能效果。目前驅(qū)動(dòng)器的主要設(shè)計(jì)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(yīng)速度為主。除了驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)之外，PCB布線及串并聯(lián)方式也是設(shè)計(jì)考慮。

　　標(biāo)準(zhǔn)制定不可或缺

　　LED照明作為一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，需要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、控制與接口標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)消費(fèi)者，同時(shí)還有來(lái)自包括有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)等其他高效率光源和傳統(tǒng)低價(jià)光源之競(jìng)爭(zhēng)，LED照明產(chǎn)業(yè)急需一套完善的標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)維護(hù)和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。目前美國(guó)的能源部(DOE)正在積極推動(dòng)關(guān)于半導(dǎo)體照明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)大陸、臺(tái)灣、韓國(guó)、日本等也都在積極展開(kāi)LED標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(guò)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(duì)成本相對(duì)比較敏感，雖然LED燈的款式不斷增加，發(fā)光效率也越來(lái)越高，但價(jià)格昂貴的問(wèn)題依然存在。此有待進(jìn)一步調(diào)降LED光源價(jià)格，同時(shí)須要從整體系統(tǒng)的層面去優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低總成本。從緊湊型熒光燈在剛進(jìn)入市場(chǎng)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(chǎng)不斷發(fā)展，不久的