半導體照明四大技術(shù)問(wèn)題探討

半導體照明光源現已批量進(jìn)入照明領(lǐng)域，但出現不少問(wèn)題，主要是能效、可靠性、光色質(zhì)量以及成本等問(wèn)題，有關(guān)能效和光色質(zhì)量所涉及的內容很豐富，如視覺(jué)舒適度、智能化調光控制等，在此暫不描述。本文將討論急需解決的主要技術(shù)問(wèn)題，歸結為“三高一低”，即高光效、高顯色性、高可靠和低成本的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現低成本其實(shí)質(zhì)也是技術(shù)問(wèn)題。解決這四大技術(shù)問(wèn)題，需要在半導體照明產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節上采取一系列措施，比如采用新技術(shù)、新結構、新工藝、新材料等，這里只提及應該采取的技術(shù)路線(xiàn)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)現高光效

半導體照明的光效，或者說(shuō)能效，是節能效果的重要指標。目前LED器件光效產(chǎn)業(yè)化水平可達120～140lm/W，作成照明燈具總的能效可大于100lm/W。這還是不高，節能效果不明顯，離半導體器件光效理論值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)節上解決相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，主要是提高內量子效率、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)節要解決的技術(shù)問(wèn)題探討。

1.提高內量子效率和外量子效率

主要采取以下幾點(diǎn)措施來(lái)提高內量子效率和外量子效率。

(1)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(cháng)GaN，減少位錯和缺陷密度及極性場(chǎng)影響，提高內量子效率[1]。

(2)廣義同質(zhì)襯底

采用HVPE(氫化物液相外延)在A(yíng)l2O3藍寶石襯底上生長(cháng)GaN，作為混合同質(zhì)襯底GaN/Al2O3，在此基礎上外延生長(cháng)GaN，可極大地降低位錯密度達106～107cm-2，并較大地提高內量子效率。日亞、Cree及我國北大均在研發(fā)之中[2]。

(3)改進(jìn)量子阱結構

控制In組分的變化方式和變化量、優(yōu)化量子阱結構提高電子和空穴交疊幾率，增加輻射復合幾率以及調節非平衡載流子的輸運等，提高內量子效率。

(4)采用新結構的芯片

采用新結構要求芯片六面出光，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溫

(1)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，有報道稱(chēng)在芯片表面均勻涂復60微米厚度的熒光粉，激發(fā)效率較高。

(2)COB封裝

當前半導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務(wù)之急，有報道稱(chēng)，采用第二代(有的稱(chēng)第三代)COB矩陣式結構封裝，其光效可達120lm/W以上。如果采用倒裝芯片和六面發(fā)光體進(jìn)行全反射的結構，光效可達160lm/W以上。

(3)降低結溫

據有關(guān)報道，結溫為25℃時(shí)的發(fā)光量設為100%，當結溫上升至60℃時(shí)其發(fā)光量只有90%，當上升至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LED光源的特點(diǎn)以及不同的應用場(chǎng)合，對燈具進(jìn)行精細的二次光學(xué)設計，也要考慮燈具散熱和眩光問(wèn)題，提高LED燈具的取光效率。

二、實(shí)現高顯色性

白光LED的光色質(zhì)量?jì)热莺芏?，包括色溫、顯色性、光色保真度、光色自然度、色調識別度、視覺(jué)舒適度等[3]。美國SSL計劃提出，LED照明產(chǎn)品的光譜分布要達到類(lèi)似太陽(yáng)光的光譜分布。要達到上述這些要求是很難的，要做很多基礎研究工作，將來(lái)一定會(huì )實(shí)現。這里只討論目前急需解決的色溫和顯色性問(wèn)題。美國能源之星標準規定，室內照明的顯色指數CRI≥80，但在一些高端的應用場(chǎng)合要求CRI≥90。制作高顯色性L(fǎng)ED光源，會(huì )損失較多的光效，所以在設計時(shí)要照顧這兩方面因素。

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

(1)多基色熒光粉

LED光源采用LED藍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CRI可達80～90。據有關(guān)報道，如采用RGBY熒光粉有效組合，其CRI可達98。

(2)RGB多芯片組合

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

(3)熒光粉加芯片

LED光源采用藍光芯片加鋁酸鹽黃粉加紅色芯片，有效組合LED白光，其顯色指數可達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，在實(shí)際應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)品在規定條件下和規定時(shí)間內，完成規定功能的能力[5]。LED失效類(lèi)別主要有嚴重失效(指關(guān)鍵參數改變至LED不亮)和參數失效(指光電參數由初始值變化至超一定限度)。失效曲線(xiàn)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，但很穩定)和耗損失效(隨使用時(shí)間愈長(cháng)，耗損失效不斷上升)?！?/p>

2.壽命

壽命是產(chǎn)品可靠性的表征值。由于產(chǎn)品所規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、預期壽命、可靠壽命、工作壽命、光通維持壽命、平均無(wú)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：一般指統計平均值，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，部分照明燈具的標準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(chēng)為光通維持壽命(此時(shí)不考慮色參數的變化)。

IEC及能源之星的表述：

IEC組織提出用維持率來(lái)說(shuō)明失效率、壽命、預期壽命等。

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

能源之星標準提出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)要求在全壽命期內色空間均勻度在CIE1976u′v′圖中0.006以?xún)?。這個(gè)辦法得到行業(yè)內普遍認同，但具體操作很難，因為需要花250天以上的試驗時(shí)間，在企業(yè)中很難執行。

3.提高可靠性

提高LED可靠性是行內共同努力的目標。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，以前做了較詳細描述[6]，在此希望企業(yè)對LED產(chǎn)品在執行全面質(zhì)量控制的基礎上，再作如下兩點(diǎn)要求：

(1)減少失效率

目前在實(shí)際應用中，經(jīng)常出現產(chǎn)品失效，有的甚至很?chē)乐?。希望相關(guān)單位能通過(guò)各種試驗，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。

(2)延長(cháng)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(cháng)時(shí)間老化試驗(或加速老化試驗)，通過(guò)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(cháng)耗損的時(shí)間，這也是提高LED壽命的有效辦法。

四、降低成本

目前LED各種產(chǎn)品還沒(méi)有大規模生產(chǎn)推廣應用，主要問(wèn)題是價(jià)格過(guò)高，LED產(chǎn)品不能長(cháng)期靠補貼來(lái)發(fā)展，要不斷努力降低成本。全球相關(guān)部門(mén)單位都在關(guān)注降低LED產(chǎn)品成本，比如美國SSL計劃2015年LED光源(燈具)成本要達2美元/klm。我國也提出2015年LED光源(燈具)成本要在15元/klm之內。臺灣地區也提出在2014年之前可實(shí)現2美元/klm目標。要降低成本，除了大批量生產(chǎn)外，主要從技術(shù)上采取措施降低成本的方法、途徑。

降低成本要從LED產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節上著(zhù)手，共同努力，首先分析LED產(chǎn)品的成本結構大約是4:4:2，即光源占40%、驅動(dòng)和散熱占40%、其他占20%，主要環(huán)節是外延芯片、封裝、驅動(dòng)、散熱等方面成本有較大的下降空間，要從技術(shù)上采取有效措施，從根本上解決LED產(chǎn)品的成本問(wèn)題。

1.外延芯片環(huán)節降低成本的方法探討

目前LED產(chǎn)品的芯片占成本的40%左右，降低芯片的成本是最重要的任務(wù)。

世界主要外延生產(chǎn)廠(chǎng)家Veeco提出，對現有MOCVD的設備、工藝、架構改進(jìn)，提高量產(chǎn)效率，至2014年外延片價(jià)格達0.2美元/cm2。(2009年1美元/cm2)

采用4″及6″的MOCVD設備以及配套的芯片制造設備，使外延、芯片產(chǎn)能的效率大幅度提高，從而降低外延芯片的成本。

目前全世界很多有實(shí)力的公司正在研發(fā)在8″硅片上直接生長(cháng)GaN，并取得可喜成果。最近歐司朗發(fā)布在6″硅片上生長(cháng)GaN芯片，面積1mm2，在350mA下，色溫4500K時(shí)，光效可達127lm/W，需2年后投放市場(chǎng)。估計采取該方法生產(chǎn)可降低芯片成本50%。

開(kāi)發(fā)同質(zhì)廣義外延，采用HVPE液相外延生長(cháng)GaN襯底。在此生長(cháng)GaNLED產(chǎn)品，既能提高LED性能，又能大幅度降低外延芯片成本，采用該方法生產(chǎn)，可大幅度縮短外延生長(cháng)時(shí)間，同時(shí)可以大量節省MO源，據估算可降低芯片成本50%。

LED器件采用大電流密度下工作，如面積為1mm2芯片，一般工作電流是350mA，國外幾家大公司均已開(kāi)發(fā)可提供工作電流在1～2A下工作的功率LED器件，這樣用一只芯片可獲光通量達400～500lm，當然會(huì )損失部分光效，他們已經(jīng)較好地解決了Droop現象，在獲得同樣光通量下，可較大降低芯片成本。

2.封裝環(huán)節降低成本的方法探討

半導體照明所用的光源將采用COB及模塊封裝形式，這樣將極大地降低LED光源封裝成本。

LED光源采用COB封裝形式，目前主要是采用中功率多芯片、矩陣式集成封裝，號稱(chēng)第三代COB封裝形式，且有很多不同的結構類(lèi)型，如MCOB、COFB、MCOMB等，并可降低封裝成本30%，目前國內已開(kāi)發(fā)一種球泡燈，采用9只中功率芯片集成COB封裝，體積小、不帶散熱片，功率為7W，光通量可達500～700lm，其成本只有16元。

模塊化標準封裝LED產(chǎn)品，這將是半導體照明光源的發(fā)展方向。它是將芯片、驅動(dòng)、控制部分、散熱、零件等封裝在一起形成模塊，并進(jìn)行標準化生產(chǎn)，可用于不同照明燈具產(chǎn)品，可極大地降低封裝成本，據測算可降低封裝成本50%，各主要廠(chǎng)商均積極投入研發(fā)之中。Zhaga聯(lián)盟已著(zhù)手制定相關(guān)標準，主要是光引擎界面接口標準，它將涵蓋物理尺寸以及光引擎的光學(xué)、電氣和熱特性等，最終實(shí)現聯(lián)盟內不同制造商之間的產(chǎn)品兼容性、互換性。

3.燈具環(huán)節降低成本的方法

在保障二次光學(xué)設計出光效率和散熱性能的前提下，采用新材料、新的照明方式等，設計制作輕便、美觀(guān)、價(jià)廉的新燈具，從而降低燈具成本。此外，目前國產(chǎn)電源的性能和可靠性有較大提高。在此基礎上采取有效的技術(shù)措施，可較大幅度降低電源成本，從目前2.5～3元/W降至1.5～2元/W。

4.其他配套成本的降低

MOCVD外延爐和芯片制造設備，如能?chē)a(chǎn)化，會(huì )較大幅度降低芯片制造成本。LED產(chǎn)品的檢測設備，特別是光學(xué)檢測設備，還有降低成本的空間。此外關(guān)鍵原材料國產(chǎn)化也有利于降低成本，其中，Al2O3藍寶石襯底國產(chǎn)化，已降價(jià)不少。外延用的MO有機源，現有部分國產(chǎn)化，也有降價(jià)的余地。封裝用的熒光粉等國產(chǎn)化，均有較大降價(jià)的余地。

總體而言，除了通過(guò)上采用新技術(shù)、新工藝、新結構、新材料等措施實(shí)現半導體照明的高光效、高顯色性、高可靠和低成本外，從深層次來(lái)看，應該將提高能效和光色質(zhì)量作為L(cháng)ED照明的更高要求，即LED白光的光譜分布類(lèi)似太陽(yáng)光的光譜分布，要充分考慮視覺(jué)舒適度、人性化的照明等，并進(jìn)行智能化調光控制，減少電能損耗，提高節能效果，使半導體照明真正為人們提供節能、環(huán)保、健康、舒適的照明環(huán)境。

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