LED芯片的技術(shù)和應(yīng)用設(shè)計(jì)知識(shí) - 全文

　　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(shì)，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(yīng)用要加速普及，短期內(nèi)仍有來自成本、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等層面的問題必須克服，技術(shù)方面，包括色溫、顯色性和效率提升等問題，仍有待進(jìn)一步改善。而LED在通用照明市場(chǎng)的應(yīng)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(zhuǎn)換、驅(qū)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技術(shù)?；撞牧铣藗鹘y(tǒng)的藍(lán)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(dāng)前研究的焦點(diǎn)。無論是重點(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(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(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵。在短短數(shù)年內(nèi)，借助芯片結(jié)構(gòu)、表面粗化、多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一系列技術(shù)的改進(jìn)，LED在發(fā)光效率出現(xiàn)重大突破，LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展如圖1所示。相信隨著該技術(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(jié)構(gòu)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(cè)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(shè)計(jì)。

　　圖2　普通LED和薄技技術(shù)LED的正面出光率比較

　　高功率LED封裝技術(shù)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(jìn)行說明。

　　發(fā)光效率、散熱、可靠性為單顆芯片封裝優(yōu)勢(shì)

　　單顆芯片封裝是封裝技術(shù)中應(yīng)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(dǎo)體的Golden DRAGON Plus LED，采用硅膠封裝，其封裝外型及內(nèi)部簡要結(jié)構(gòu)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，其硅膠透鏡有著耐高溫及低衰減的特性。獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)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(shì)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(dǎo)體Golden DRAGON Plus LED的封裝外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　多芯片整合封裝于小體積內(nèi)可達(dá)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(shì)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(jié)合以O(shè)STAR SMT系列為代表，其封裝外型如圖4所示，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使最終產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)15瓦的高功率。該封裝的優(yōu)勢(shì)在于在很小的空間內(nèi)達(dá)到很高的光通量。

　　圖4　歐司朗光電半導(dǎo)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(tǒng)半導(dǎo)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(dá)0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接與PCB板接觸，增加導(dǎo)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。

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(guān)注的主要問題之一。建構(gòu)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(shí)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(shí)也是散熱載體，因此，PCB和散熱器的散熱設(shè)計(jì)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商所要考慮的因素。

　　光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)妥善發(fā)揮LED標(biāo)準(zhǔn)

　　LED的方向性和點(diǎn)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(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，LED燈具可達(dá)到比較理想的配光曲線，如在室內(nèi)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(dǎo)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達(dá)到光學(xué)要求。

　　驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)須確保恒流輸出量

　　LED對(duì)驅(qū)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(duì)變化區(qū)域很小，為保證LED驅(qū)動(dòng)電流的恒定也就是確保LED輸出功率的恒定。另外，調(diào)光設(shè)計(jì)也是目前驅(qū)動(dòng)電路的主流設(shè)計(jì)之一，此在一些情景照明中應(yīng)用較多，根據(jù)不同環(huán)境調(diào)配不同亮度，充分達(dá)到節(jié)能效果。目前驅(qū)動(dòng)器的主要設(shè)計(jì)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(yīng)速度為主。除了驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)之外，PCB布線及串并聯(lián)方式也是設(shè)計(jì)考慮。

　　標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、控制與接口標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)消費(fèi)者，同時(shí)還有來自包括有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)等其他高效率光源和傳統(tǒng)低價(jià)光源之競(jìng)爭，LED照明產(chǎn)業(yè)急需一套完善的標(biāo)準(zhǔn)體系來維護(hù)和促進(jìn)產(chǎn)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(dòng)關(guān)于半導(dǎo)體照明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，中國大陸、***、韓國、日本等也都在積極展開LED標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

　　照明用大功率LED技術(shù)挑戰(zhàn)重重

　　雖然LED在室內(nèi)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(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(nèi)照明而言，尤其是家庭照明對(duì)成本相對(duì)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(jià)格昂貴的問題依然存在。此有待進(jìn)一步調(diào)降LED光源價(jià)格，同時(shí)須要從整體系統(tǒng)的層面去優(yōu)化設(shè)計(jì)，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，隨著市場(chǎng)不斷發(fā)展，不久的將來，LED燈的價(jià)格也較為普羅大眾接受。

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　　擺脫熒光粉限制低色溫發(fā)光效率

　　室內(nèi)家庭照明往往會(huì)傾向于4，000K以下的偏低色溫，暖白光讓整個(gè)環(huán)境變得較為溫馨放松；而冷白光會(huì)給人干凈、高效及明快的感覺，適合于辦公室的照明和室外的照明。而受到熒光粉的影響，LED低色溫時(shí)的發(fā)光效率往往要比高色溫時(shí)的光效低約30%。

　　混合紅光LED兼顧光效和顯色指數(shù)

　　LED的光效越高，其顯色指數(shù)往往有些偏低，而室內(nèi)照明要求能夠客觀顯示物體的明暗度與色彩性，獲得人眼直接觀察外部景物的真實(shí)效果，因而通常需要較高的顯色指數(shù)。此需要LED在發(fā)光效率提升的同時(shí)，進(jìn)一步提高顯色指數(shù)，但也可以通過在燈具層面混入一些紅光LED來得到顯示指數(shù)大于90的效果。

　　提高大電流驅(qū)動(dòng)效率縮減LED成本

　　現(xiàn)階段，1瓦的LED驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)350～1，000毫安，但通常在大電流驅(qū)動(dòng)條件下，雖然光通量提高，但整體的效率下降比較明顯，因而在整體成本和系統(tǒng)光效之間須找尋平衡，若能夠提高LED在大電流驅(qū)動(dòng)下的發(fā)光效率，則可保證在較高系統(tǒng)發(fā)光效率前提下，大幅縮減所需LED顆數(shù)，從而明顯降低成本。

　　減小LED的封裝尺寸有助于加大設(shè)計(jì)彈性

　　LED室內(nèi)燈具的發(fā)展在節(jié)能環(huán)保健康的前提下，也會(huì)朝藝術(shù)化、迷你化和個(gè)性化的方向發(fā)展，因而縮小LED的封裝尺寸可加大在燈具設(shè)計(jì)時(shí)的靈活性和創(chuàng)新空間。在某些須使用混光來提升顯色性的場(chǎng)合，較小的封裝尺寸會(huì)有利于混光透鏡的設(shè)計(jì)和混光的效果。

　　關(guān)鍵組件提高系統(tǒng)壽命、可靠性缺一不可

　　對(duì)于LED在通用照明中的應(yīng)用，須從系統(tǒng)的角度來提高整體效率、壽命和可靠性。傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的系統(tǒng)組成相對(duì)簡單，而LED照明系統(tǒng)涉及多個(gè)組件（圖5）。

　　圖5　LED照明系統(tǒng)的組成部件（LED燈具＝ED+電源+驅(qū)動(dòng)+散熱+光學(xué)）

　　LED光源 光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率。

　　電源轉(zhuǎn)換 將交流電、電池等電源高效轉(zhuǎn)換至安全的低壓恒流電源。

　　控制和驅(qū)動(dòng) 采用電子電路對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)和控制。

　　熱管理 為了實(shí)現(xiàn)更長的工作壽命，LED結(jié)點(diǎn)溫度控制非常重要，須要分析散熱。

　　光學(xué)組件 將光聚焦至需要之處，要求使用透鏡、反光杯或?qū)Ч獠牧稀?br />
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