解析LED通用照明面臨的四大挑戰

當前，LED最具潛力的市場(chǎng)無(wú)疑當屬平板液晶電視、筆記本電腦和筆記本顯示器中的大尺寸LCD背光，但毫無(wú)疑問(wèn)，通用照明才是LED的最終發(fā)展目標。目前，在LED通用照明 市場(chǎng)還未真正啟動(dòng)之前，LED球泡替換燈將成為照明市場(chǎng)最主要的增長(cháng)領(lǐng)域。然而，市場(chǎng)上大量出現的LED球泡燈，等同于真正意義上的固態(tài)照明（SSL）嗎？LED是否真的為通用照明做好了準備？

LED通用照明首先面臨四大挑戰

　　美國能源部曾表示：固態(tài)照明是50年來(lái)照明領(lǐng)域最具破壞性的創(chuàng )新技術(shù)。有不少業(yè)內人士對此表示認同，并認為L(cháng)ED是顛覆性產(chǎn)品，是要革它原來(lái)產(chǎn)品命的。但事實(shí)上，LED進(jìn)入通用照明市場(chǎng)，依然面臨四大挑戰，它們分別是：光品質(zhì)、光效表現、可靠性以及簡(jiǎn)單化。

　　飛利浦亞洲地區營(yíng)銷(xiāo)總監周學(xué)軍對此解釋道：LED的光品質(zhì)與傳統照明相比仍有差距；光效表現還有部分應用無(wú)法覆蓋；由于LED照明可靠性由芯片、電、光、熱、機械、互聯(lián)部分等多個(gè)因素決定，因此無(wú)法保持足夠的光輸出流明維持壽命；由于缺乏統一標準，現在市場(chǎng)上的LED照明產(chǎn)品五花八門(mén)，復雜性也阻礙了其短期內很難被更多受眾接受。''那么，目前市場(chǎng)上有哪些提升LED光品質(zhì)和光效的方案？

光品質(zhì)

通常我們談到的光品質(zhì)主要指光分布、光角度與陰影，以及演色性。這里，周學(xué)軍特別強調設計人員要注意：不同LED 顆粒間的光色是否一致？隨著(zhù)時(shí)間推移不同顆粒的變化是否一致？一顆LED在不同角度是否存在色差？顯色指數表現如何？

　　LED的整個(gè)封裝工藝流程包括兩個(gè)重要步驟：利用金線(xiàn)對芯片和管腳進(jìn)行鍵合，以及進(jìn)行熒光粉涂布。這兩個(gè)步驟都會(huì )對LED造成色差，特別是金線(xiàn)會(huì )擋住光路，如果操作不當可能會(huì )對芯片造成隱性裂痕，從而形成芯片斷裂隱患。為了解決這些問(wèn)題，Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC（薄膜倒裝芯片技術(shù)）和獨有的Lumiramic熒光技術(shù)。

　　據周學(xué)軍介紹，TFFC技術(shù)的電極在電路板后面，表面無(wú)縱橫布線(xiàn)，因此物理結構更好。而Lumiramic熒光技術(shù)利用陶瓷熒光板代替熒光粉直接粘結到芯片上，使得表面完全平整，不會(huì )有凹凸和不均勻，因此從根本上避免了傳統封裝法因不均勻的熒光粉涂布而導致的大多數LED在偏離中心視軸的角度顯示出顏色的不一致。此外，采用Lumiramic技術(shù)還可以將白光分bin（分檔）的范圍縮小至原來(lái)的1/4，周學(xué)軍補充道。

　　目前，對于照明行業(yè)特別是照明設計來(lái)說(shuō)，最頭疼的問(wèn)題莫過(guò)于分bin。對于一些有經(jīng)驗的LED制造商來(lái)說(shuō)，通常的做法是在所有檔中使用白光LED的整個(gè)輸出范圍。然而，在特定CCT（相關(guān)顏色溫度）下，根本無(wú)法低成本生產(chǎn)出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于藍光LED芯片的波長(cháng)和熒光粉的涂布工藝。因此，制造商可能會(huì )混合使用多個(gè)分bin的LED，但是這樣一來(lái)，產(chǎn)品的應用范圍受到限制，既增加了生產(chǎn)工藝的復雜性，又產(chǎn)生了更多存貨。Cree公司對此的解決方案是EasyWhite bin,該方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封裝發(fā)，由Cree挑選四顆不同特性的白光LED芯片（上覆有熒光粉）并封裝好，混合后的白光輸出能達到預期色溫，而且遠小于A(yíng)NSI規定的標準范圍。

　　光效表現

就像半導體行業(yè)的摩爾定律一樣，LED行業(yè)也有一個(gè)Haitz定律，即LED亮度大約每18-24個(gè)月提升一倍，而在今后10年內，預計亮度可以再提升20倍，成本則將降至現有的1/10.今天，市場(chǎng)上1美金大約可以買(mǎi)到100-150流明，美國能源部預計2020年這個(gè)數字將達到1000流明。

　　LED發(fā)光效率如何提高？

首先來(lái)看封裝。目前，市面上LED光源最為常見(jiàn)的是直插式和貼片式。深圳市長(cháng)光半導體照明科技有限公司技術(shù)副總監朱嘯天則認為，這兩種封裝方式的散熱出口截面積較小，而且一次出光口通道狹窄，利用率相對不高。根據LED的出光特點(diǎn)，長(cháng)光半導體設計了扁平化的一次光學(xué)通道，形成了平面光源陣列式芯片，可以最小化光學(xué)損失。對此，朱嘯天解釋道：“像SMD的3528或505光源，使用玻璃纖維或塑料做基板，底部沒(méi)有跟任何金屬連接。平面光源陣列式芯片則采用了基于多芯片集成COB直接封裝技術(shù)，光源使用的鋁基板可以將更多熱量通過(guò)直連散熱散發(fā)出去?！睋?，目前該公司擁有完全自主知識產(chǎn)權的LED面光源技術(shù)光效已達130lm/w,整燈光效已大于100lm/w.

　　除了封裝，芯片結構、正向電壓等因素也十分關(guān)鍵。正向電壓如果能被控制在一個(gè)非常小的范圍內，就可以獲得很好的光效。在這部分，還要特別注意如何解決droop現象。眾所周知，電流密度的增加會(huì )使LED（主要指藍色、綠色等將InGaN作為發(fā)光層的LED）發(fā)出更多的光，但與此同時(shí)光效也會(huì )隨之下降。當前，芯片設計公司正在努力尋求解決方法，盡可能使光效與電流增加呈正比。也就是說(shuō)，在一平方毫米面積上，以光效無(wú)損為前提得到更多光，而不是靠提高die尺寸。當然，冷熱系數（LED在100°C結溫和25°C結溫時(shí)的燈光輸出比值）的提升也有助于簡(jiǎn)化散熱系統設計，從而降低最終應用中的每流明成本。

　　如何解決散熱問(wèn)題

　　LED抗熱性的重要已成為業(yè)界共識，這個(gè)問(wèn)題對于LED通用照明同樣存在。對此，周學(xué)軍曾生動(dòng)地比喻道：LED就像是一個(gè)雪人，冷的時(shí)候很漂亮，但是一熱了就會(huì )融化，變得很難看。

　　LED系統設計中的熱管理很重要，因為相當部分的電能轉換成了熱能。''安森美半導體電源及便攜產(chǎn)品全球銷(xiāo)售及營(yíng)銷(xiāo)高級總監鄭兆雄表示，''要解決好散熱問(wèn)題，需要提升驅動(dòng)電源的轉換能效和應用更高光效的LED,采用提供強固熱故障保護性能的LED驅動(dòng)芯片和散熱性能更好的驅動(dòng)芯片封裝，以及散熱性能更好的LED基板等。此外，為了提高系統可靠性，還需結合其它手段，如采用額定工作溫度更高的更好外部元器件，以及采用環(huán)境光傳感器以減少電能消耗和發(fā)熱量等。''

　　美國國家半導體（NS）亞太區市場(chǎng)經(jīng)理黎志遠認為：受實(shí)際操作環(huán)境影響，LED的內部溫度確實(shí)可能會(huì )飆升至極高水平。一旦LED的溫度升越閾值，進(jìn)入非安全區，那么LED的壽命及照明效果便會(huì )受到影響。而采用熱能回折電路則可以監控系統熱能，以免溫度失控。

NS的LM3424芯片正是一款這樣的產(chǎn)品，可為照明 系統的LED 設置溫度及斜坡斷點(diǎn)，確保LED停留在安全區內操作。如果出現過(guò)熱情況，LM3424的熱能回折電路便會(huì )減少流入LED的穩壓電流。減少的鎮壓電流會(huì )使LED的亮度也隨之下降，但仍然保持在工程師預設范圍內，直至操作溫度恢復到安全的操作范圍內。此外，NS還推出了一款大功率LED驅動(dòng)器LM3464,采用該芯片的過(guò)熱保護系統解決方案可以監控LED散熱器/銅箔層的溫度：若LED溫度突然大幅飆升，過(guò)熱保護功能會(huì )調低輸出電流，避免LED在不正常情況下過(guò)熱受損，同時(shí)LED可保持一定的亮度。

　　上海龍茂微電子有限公司總經(jīng)理茅于海指出，徹底解決''熱''問(wèn)題還有待LED發(fā)光效率的提高。深圳瑞豐光電子有限公司常務(wù)副總林常對此表示認同，他表示：''要解決熱管理的問(wèn)題，首先從芯片方面就要提高光效，光效提高自然熱就小了。到了封裝，要考慮如何把熱量導出，同時(shí)還需要解決封裝材料的耐熱問(wèn)題，材料不黃變，光衰減就沒(méi)有。而在應用端要做的，就是如何把熱導入到大自然環(huán)境中去，這里不燙就成了關(guān)鍵。三方面的設計人員都要做好自己應該做的事，這才是根本。針對不同的產(chǎn)品，解決方案一定不同。''據悉，目前瑞豐光電在封裝環(huán)節，已經(jīng)能夠做