如何做好LED照明系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計

因為LED照明所追求的并不完全在于技術(shù)本身，照明本身的功能也并不全然是為須要照亮而亮，當(dāng)然創(chuàng)新包括在光機(jī)電熱技術(shù)的整合突破，另外亦須兼顧消費者在視覺、觸覺等感官的價值。LED的應(yīng)用范圍極為廣泛，現(xiàn)就針對照明應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計的相關(guān)問題及開發(fā)的方向一一探討。

不同照明應(yīng)用的LED性能要求迥異

為擴(kuò)大LED光源市場接受度，其須達(dá)到功能性要求的必要性，并不是每種LED照明光源都必須追求最高發(fā)光效率、最低價格、最高演色性、最長壽命等，而是依據(jù)應(yīng)用不同而有所差異，現(xiàn)以室內(nèi)照明中的一般辦公室工作照明、閱讀照明及未來家用燈泡置換照明市場為例談起。

對于LED光源首要追求的是達(dá)到最佳的性價比，在安全保證的情況下，得到最高的流明輸出、最小的消耗電能及最低的價格。因為對于消費者大眾而言，比較傳統(tǒng)其他光源，花最少錢能買到最具經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品是購買的主要動力之一。至于是否達(dá)成無紫外線、不含汞、高演色性、5萬小時壽命等營銷的附加價值并非擴(kuò)大市場接受度的主因。當(dāng)然品牌代表某種程度的質(zhì)量信賴，此外視覺感官對于顏色喜好也會有所影響，因此如何創(chuàng)新設(shè)計適合市場需求的LED光源，將是技術(shù)面要探討的課題。

LED光源的發(fā)光效率發(fā)展至今，已超越絕大部分傳統(tǒng)光源(圖1、2)，唯獨少部分低壓或高壓放電光源的效率可以一較高下，但就電源控制和驅(qū)動上，體積與溫度又各自有其優(yōu)缺點，以下將就LED照明系統(tǒng)設(shè)計的每一環(huán)節(jié)說明。

創(chuàng)新制程/AC LED實現(xiàn)高效能芯片

市場上的LED磊芯片，無論是Cree的垂直組件、飛利浦(Philips)Lumileds的覆晶組件或日亞(Nichia)、晶元光電等平面式的組件，為求優(yōu)化芯片本身的效能，不外乎利用不同的基材(透光、導(dǎo)熱考慮)搭配光學(xué)反射層的效率(反射出光)；上/下粗化結(jié)構(gòu)(改變反射、折射增加出光)；線路光罩設(shè)計(增加出光面積改善電流分布密度，以降低驅(qū)動電壓增加出光效率)；芯片尺寸優(yōu)化的調(diào)整；再加上磊晶制程參數(shù)變異調(diào)整等來達(dá)到芯片最高的光電轉(zhuǎn)換效率，在每一制程中鉆研材料和制程所能提供增加轉(zhuǎn)換效率的方法。

至于哪種結(jié)構(gòu)是最佳的創(chuàng)新設(shè)計？就發(fā)光效率而言，或許垂直組件較優(yōu)；但就室內(nèi)照明中的一般辦公室工作照明、閱讀照明及未來家用燈泡置換照明市場的制造成本而言，臺灣目前平面式芯片則在性價比上遠(yuǎn)優(yōu)于國外大廠。另外，在芯片端的應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，除了由制程改善去創(chuàng)新整體芯片效益外；交流電(AC)LED的誕生，使LED照明應(yīng)用不僅有直流芯片串并聯(lián)的選擇，而能有交流市電直接驅(qū)動，因此可減少變壓器的成本、產(chǎn)品內(nèi)部空間、驅(qū)動電路規(guī)格迥異、變壓器效率損耗及質(zhì)量壽命等問題，大大簡化模塊及產(chǎn)品設(shè)計端的問題。然而目前在市場消費端面臨的創(chuàng)新所衍生的其他問題也隨之而來，其一為產(chǎn)生因創(chuàng)新導(dǎo)致消費者出現(xiàn)陌生的疑慮，而在消費行為上遲疑膽怯，此消費群未必是終端消費大眾，而是LED照明產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的中下游購買者，其會對產(chǎn)品因陌生而遲疑、對交流電性的不了解或?qū)Ξa(chǎn)品風(fēng)險的不確定性，而不敢創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)；其二是創(chuàng)新令消費大眾觀望，但卻令消費族群中的嘗鮮族雀躍。然而前兩者問題可在LED中下游供應(yīng)鏈中透過創(chuàng)新設(shè)計及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試手段厘清疑慮，進(jìn)而創(chuàng)造產(chǎn)品市場區(qū)隔和競爭優(yōu)勢。

創(chuàng)新封裝設(shè)計需求日益殷切

封裝設(shè)計以早期的燈源型態(tài)到塑料無接腳芯片承載封裝(PLCC)側(cè)面(Side View)或上面(Top View)型態(tài)，均以單晶或多芯片封裝型式存在，驅(qū)動電流在120毫安以下居多，早期以3C消費性電子產(chǎn)品如手機(jī)屏幕背光、數(shù)字相框背光、筆記本電腦屏幕背光等，但進(jìn)入到一般照明后，仍有眾多廠商以小瓦數(shù)PLCC封裝組件作為光源，再結(jié)合多顆光源實現(xiàn)燈具產(chǎn)品的光源模塊(圖3)，在LED光源封裝并未應(yīng)用到創(chuàng)新的設(shè)計。

創(chuàng)新投射/泛光型封裝須面面俱到

對于泛光型燈泡或聚光型光源，如E27型的球泡燈、PAR燈、AR111、MR燈、鑲?cè)肴胧酵矡簟④壍李^射等光源產(chǎn)品而言，會在LED封裝光源上趨向于單點高流明輸出(投射型)(圖4)/多點組合輸出(泛光型)(圖5)、高演色性(CRI>80)、低熱阻系數(shù)(3k/W)、光色溫的均勻度、增溫下的色溫偏移、長壽命/高可靠度等，如何從封裝(圖6)角度創(chuàng)新達(dá)到市場需求，可分別說明如下：

在實行創(chuàng)新前，要先清楚產(chǎn)品最終的目標(biāo)，達(dá)到滿足預(yù)期市場上對LED封裝光源規(guī)格趨勢。

首先，須選定最適當(dāng)?shù)男酒?，了解芯片結(jié)構(gòu)、芯片光電特性與芯片性價比，再來設(shè)計最佳的封裝結(jié)構(gòu)。目前高功率45密耳(mil)以上芯片封裝，在350毫安電流驅(qū)動下，可以達(dá)到每瓦150至160流明，今日臺灣芯片在各國其他大廠的競爭下，更可做出絕對優(yōu)于國外廠家的每美元160流明的規(guī)格。

其次，固晶上必須選用最佳芯片貼著(Die Attachement)材料及制程技術(shù)，用高導(dǎo)熱硅膠、銀膠(>15W/mk)甚至以助焊劑(Soldering Flux)焊錫(Cu-Sn-Au)，將芯片焊接在金屬基板，更或者以共金(Eutectic Bonding)制程將芯片熔接于硅芯片上。這些固晶制程的選用，都在于降低芯片節(jié)點溫度，提高在相同電流下的電光轉(zhuǎn)換效率和增加光效能，降低材料老化造成日后光衰的比例，以及提升固晶接著的可靠度。 此外，封裝單體載板(Substrate)的選用設(shè)計，過去以低功率的支架(Leadframe)為主，漸漸走入高功率的金屬支架(Metal Slug)，在進(jìn)入低溫共燒(LTCC)陶瓷(Ceramic)、高溫共燒(HTCC)陶瓷、芯片直接固定在各式金屬基板(Chip on Metal Board)，再到芯片固定在8脊櫳酒上，隨著功率不斷增加、光型的要求、單位面積內(nèi)的熱密度(Thermal Density)提高，對于封裝芯片載板設(shè)計的選用，必須去創(chuàng)新開發(fā)更能加速熱傳導(dǎo)、更能萃取光輸出、更能減低材料變異而產(chǎn)生老化衰減的材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要因選用芯片的不同而有所改變，如此才能達(dá)到封裝整體效能的優(yōu)化，并不是購買一般支架或公板陶瓷放入最大轉(zhuǎn)換功率(Power Flux)的芯片，即可封裝出最佳光效能組件。

另外，在現(xiàn)今LED照明應(yīng)用，雖有各種顏色的裝飾應(yīng)用，但最主要還是以白光為主，然而產(chǎn)生白光的方式不外乎紅綠藍(lán)光混光、紫外線激發(fā)紅綠藍(lán)熒光粉，或最為普遍的藍(lán)光加黃色為主的熒光粉。但談到創(chuàng)新，在此特別針對三個方向略述，其一為高演色性(CRI)，CRI大于80甚至于大于90，必須在熒光粉材料做創(chuàng)新開發(fā)。對于封裝研發(fā)而言，必須進(jìn)行各波段熒光粉與接近610～630奈米紅色熒光粉，更甚至到655奈米紅色熒光粉進(jìn)行在不同封裝結(jié)構(gòu)下，及藍(lán)光波段搭配的實驗比對，找到無論光輸出效率、演色性或色溫的最佳組合，再加上封裝膠材、點膠方式的不同及熒光粉沉淀與否，或多或少增加封裝難以控制的變量。其二，封膠和熒光粉涂布制程上的創(chuàng)新，從針筒點膠(Dispensing)到模具充填(Molding)、印刷填膠(Printing)、高精密度的噴膠充填(Conformal Coating and Inject Printing)等創(chuàng)新制程，提升產(chǎn)能、良率、出光效率，也改善出光的均勻性。此外，更具創(chuàng)新與商品化的是所謂的Remote Phosphor制程，其將熒光粉抽離芯片表面，在一定距離外，以不同的方式將熒光粉附著在透光結(jié)構(gòu)體上。飛利浦更將此創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用在燈泡類產(chǎn)品，其光效成果與研究機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)單位過去發(fā)表的學(xué)術(shù)實驗結(jié)果或理論相去不遠(yuǎn)，確實可達(dá)每瓦100流明以上、CRI>80的效能。 最后，在照明封裝組件創(chuàng)新過程尚須注意演色性與出光效率(圖7)。

降低結(jié)點溫度提高演色性

實際照明使用上是沒有人去看Tj=25℃下的瞬間流明效率，封裝的研發(fā)創(chuàng)新過程中，更要去注意溫度與光輸出的變異，而此變異也會明顯影響實際使用情況下的色溫差異及些微的演色性變異(圖7)，如燈泡類、嵌入式下照燈具等，LED周圍環(huán)境都相當(dāng)輕易達(dá)到60～80℃，換言之，不是優(yōu)化的照明系統(tǒng)設(shè)計，極為可能讓LED節(jié)點(Junction)溫度達(dá)到120～150℃，實際熱效應(yīng)造成光輸出的減低(Hot-cold Factor)會超過15%以上。為改善此弊病，整個照明系統(tǒng)的每一接口熱阻必須努力調(diào)降，以達(dá)到降低節(jié)點溫度目的，減少色溫偏差(圖8)。

創(chuàng)新模塊設(shè)計須考慮三大議題

完成最佳芯片封裝組件，就光特性而言已決定一大半，模塊設(shè)計上所須考慮的重要議題則是熱處理(Thermal Management)、電源控制和電路設(shè)計及二次光學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計，而此三項的設(shè)計不佳，則輕易的就能在模塊系統(tǒng)中損失50%以上的光輸出效率，就算達(dá)到每瓦150流明，在組成系統(tǒng)之后，就會發(fā)現(xiàn)終端產(chǎn)品只在60～70流明。

現(xiàn)將透過不同方式解決上述三個問題：其一為采用高導(dǎo)熱材作，如模塊電路機(jī)板、在低導(dǎo)熱材機(jī)板上增加與空氣接觸面積、將LED組件(熱源)分散放置或?qū)l(fā)熱電子組件分離或遠(yuǎn)離LED光源，避免使用任何低導(dǎo)熱絕緣層來增加LED熱傳導(dǎo)過程中的阻力(熱阻)。其次為電路板面采高反射率絕緣漆來增加向下光的反射，以高效率的定電流控制組件減少電源消耗，同時采溫度控制機(jī)制調(diào)節(jié)定電流輸出，作為一種保護(hù)機(jī)制，以及采高壓交直流轉(zhuǎn)換電路降低變壓損耗。此外，采耐久高透光性或高反射性材料做二次光學(xué)透鏡或反射光學(xué)件，以專業(yè)光學(xué)仿真軟件計算設(shè)計仿真最佳出光效率。

創(chuàng)新照明系統(tǒng)設(shè)計須兼顧開創(chuàng)/不可取代/市場性

在此結(jié)合光機(jī)電熱的系統(tǒng)中，除選對或設(shè)計最佳LED組件，搭配最佳模塊熱管理及電路設(shè)計，加上使用二次光學(xué)，始完成最接近消費者的產(chǎn)品設(shè)計。當(dāng)然產(chǎn)品設(shè)計并非在此階段才開始，而是在本文最早依據(jù)市場使用需求立論基礎(chǔ)而來。所有系統(tǒng)設(shè)計的環(huán)節(jié)，皆是為了最終產(chǎn)品目的。在創(chuàng)新LED照明框架下，終端產(chǎn)品本身必須具開創(chuàng)性、不可取代性及市場性。

圖9由圓形單片組成光源體組合的鏤空立體燈具，雖然是歐司朗光電半導(dǎo)體(OSRAM Opto Semiconductors)以有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)設(shè)計而成的概念，但此概念在目前是可以商業(yè)化且充分兼顧LED照明功能的優(yōu)越性，以及對熱對流和熱傳導(dǎo)的設(shè)計考慮。至于日本Panasonic電工所設(shè)計的薄型下照燈(圖10)，亦具備一般傳統(tǒng)光源所無法的取代性，超薄的尺寸透露輕巧的視覺感受，若采用AC LED更可將厚度再薄型化，當(dāng)然熱處理上必須考慮散熱面積、表面材質(zhì)的應(yīng)用處理，加上空氣對流設(shè)計，藉以降低空氣接觸面的熱阻，加速散熱效果。

至于戶外照明、建筑照明、特殊照明如養(yǎng)殖農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等其他LED照明應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計在基本上在光源封裝上要研發(fā)創(chuàng)新的部分差異不大，而是在模塊設(shè)計、電源電路控制及光學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計，各有其使用環(huán)境限制、菜單現(xiàn)及波長獨特性，仍需LED研發(fā)人員努力去開創(chuàng)。