關于高亮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、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。LED照明應用要加速普及，短期內仍有來自成本、技術、標準等層面的問題必須克服，技術方面，包括色溫、顯色性和效率提升等問題，仍有待進一步改善。而LED在通用照明市場的應用涉及多方面的要求，須從系統(tǒng)的角度去考慮，如LED光源、電源轉換、驅動控制、散熱和光學等。

　　薄膜芯片技術嶄露鋒芒

　　目前，LED芯片技術的發(fā)展關鍵在于基底材料和晶圓生長技術。基底材料除了傳統(tǒng)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。無論是重點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單輔助照明的小功率芯片，技術提升的關鍵均圍繞如何研發(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照明整體技術指標的關鍵。在短短數(shù)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的改進，LED在發(fā)光效率出現(xiàn)重大突破，LED芯片結構的發(fā)展如圖1所示。相信隨著該技術的不斷成熟，LED量子效率將會得到進一步的提高，LED芯片的發(fā)光效率也會隨之攀升。

圖1　LED芯片結構的發(fā)展歷程

　　薄膜芯片技術(Thinfilm)是生產超亮LED芯片的關鍵技術，可以減少側向的出光損失，通過底部反射面可以使得超過97%的光從正面輸出(圖2)，不僅大大提高LED發(fā)光效率，也簡易透鏡的設計。

圖2　普通LED和薄技技術LED的正面出光率比較

三大封裝技術介紹

　　高功率LED封裝技術可區(qū)分為單顆芯片、多芯片整合及芯片板上封裝三大類，以下將進行說明。

　　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中應用最多的，其主要的技術瓶頸在于芯片的良率、色溫的控制及熒光粉的涂敷技術，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透鏡或反光杯，其硅膠透鏡有著耐高溫及低衰減的特性。獨特的封裝設計進一步提升LED的散熱性能，使產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，通過優(yōu)化設計，可使最終產品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時可以驅動高達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有效改進散熱缺陷

　　COB技術沿用傳統(tǒng)半導體技術，即直接將LED芯片固定在印刷電路板(PCB)上。利用該技術，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、驅動IC設計舉足輕重

　　提高散熱效能延長燈具使用壽命

　　燈具的壽命一直是大家所關注的主要問題之一。建構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、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。

　　光學設計應妥善發(fā)揮LED標準

　　LED的方向性和點光源是不同于傳統(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設計的關鍵。通過LED的二次光學設計，LED燈具可達到比較理想的配光曲線，如在室內的整體照明中，要求燈具的亮度高，可使用透過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，使LED點光源成為面光源，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達到光學要求。

　　驅動設計須確保恒流輸出量

　　LED對驅動電路的要求為保證恒流輸出，因LED正向工作時，LED正向電壓相對變化區(qū)域很小，為保證LED驅動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電路的主流設計之一，此在一些情景照明中應用較多，根據(jù)不同環(huán)境調配不同亮度，充分達到節(jié)能效果。目前驅動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。除了驅動電源的設計之外，PCB布線及串并聯(lián)方式也是設計考慮。

　　標準制定不可或缺

　　LED照明作為一個嶄新的領域，需要產品標準、測量標準、控制與接口標準等的制定，加上目前市面上的LED照明產品良莠不齊，眾多產品信息皆不夠完整，容易誤導消費者，同時還有來自包括有機發(fā)光二極管(OLED)等其他高效率光源和傳統(tǒng)低價光源之競爭，LED照明產業(yè)急需一套完善的標準體系來維護和促進產業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。目前美國的能源部(DOE)正在積極推動關于半導體照明的相關標準，中國大陸、臺灣、韓國、日本等也都在積極展開LED標準的制定工作。

　　照明用大功率LED技術挑戰(zhàn)重重

　　雖然LED在室內照明的重點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。

　　透過整體系統(tǒng)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)光效率也越來越高，但價格昂貴的問題依然存在。此有待進一步調降LED光源價格，同時須要從整體系統(tǒng)的層面去優(yōu)化設計，降低總成本。從緊湊型熒光燈在剛進入市場初期的15美元左右降低至目前的1.5美元以下，由此可知，隨著市場不斷發(fā)展，不久的