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光源，發(fā)光二極管(LED)具有發(fā)光效率高、壽命長(cháng)、指向性高等諸多優(yōu)勢，日益受到業(yè)界青睞而被用于通用照明(General Lighting)市場(chǎng)。LED照明應用要加速普及，短期內仍有來(lái)自成本、技術(shù)、標準等層面的問(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)的應用涉及多方面的要求，須從系統的角度去考慮，如LED光源、電源轉換、驅動(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(cháng)技術(shù)?；撞牧铣藗鹘y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(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。在短短數年內，借助芯片結構、表面粗化、多量子阱結構設計等一系列技術(shù)的改進(jìn)，LED在發(fā)光效率出現重大突破，LED芯片結構的發(fā)展如圖1所示。相信隨著(zhù)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芯片結構的發(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)可區分為單顆芯片、多芯片整合及芯片板上封裝三大類(lèi)，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

　　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，其封裝外型及內部簡(jiǎn)要結構如圖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(zhù)耐高溫及低衰減的特性。獨特的封裝設計進(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的封裝外型及內部結構

　　多芯片整合封裝于小體積內可達高光通量

　　多芯片整合組件是目前大功率LED組件最常見(jiàn)的另一種封裝形式，可區分為小功率和大功率芯片整合組件兩類(lèi)，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(lèi)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。大功率芯片結合以OSTAR SMT系列為代表，其封裝外型如圖4所示，通過(guò)優(yōu)化設計，可使最終產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時(shí)可以驅動(dòng)高達15瓦的高功率。該封裝的優(yōu)勢在于在很小的空間內達到很高的光通量。

圖4　歐司朗光電半導體OSTAR SMT LED的封裝外型

　　COB有效改進(jìn)散熱缺陷

　　COB技術(shù)沿用傳統半導體技術(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(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)、驅動(dòng)IC設計舉足輕重

　　提高散熱效能延長(cháng)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。建構良好的燈具散熱系統，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(chǎng)商所要考慮的因素。

　　光學(xué)設計應妥善發(fā)揮LED標準

　　LED的方向性和點(diǎn)光源是不同于傳統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)設計的關(guān)鍵。通過(guò)LED的二次光學(xué)設計，LED燈具可達到比較理想的配光曲線(xiàn)，如在室內的整體照明中，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)達到光學(xué)要求。

　　驅動(dòng)設計須確保恒流輸出量

　　LED對驅動(dòng)電路的要求為保證恒流輸出，因LED正向工作時(shí)，LED正向電壓相對變化區域很小，為保證LED驅動(dòng)電流的恒定也就是確保LED輸出功率的恒定。另外，調光設計也是目前驅動(dòng)電路的主流設計之一，此在一些情景照明中應用較多，根據不同環(huán)境調配不同亮度，充分達到節能效果。目前驅動(dòng)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。除了驅動(dòng)電源的設計之外，PCB布線(xiàn)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(gè)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(shí)還有來(lái)自包括有機發(fā)光二極管(OLED)等其他高效率光源和傳統低價(jià)光源之競爭，LED照明產(chǎn)業(yè)急需一套完善的標準體系來(lái)維護和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的健康可持續發(fā)展。目前美國的能源部(DOE)正在積極推動(dòng)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(kāi)LED標準的制定工作。

　　照明用大功率LED技術(shù)挑戰重重

　　雖然LED在室內照明的重點(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，如初期成本、低色溫的發(fā)光效率、顯色指數及系統的可靠性等。

　　透過(guò)整體系統優(yōu)化降低初期成本

　　就室內照明而言，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(lái)越高，但價(jià)格昂貴的問(wèn)題依然存在。此有待進(jìn)一步調降LED光源價(jià)格，同時(shí)須要從整體系統的層面去優(yōu)化設計，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(zhù)市場(chǎng)不斷發(fā)展，不久的