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如何让LED光源在照明领域发挥更大的作用

类别:行业资讯 发布时间:2012-08-09

  半导体照明光源(这里主要指的是LED光源)现已经批量进入照明领域,但还是出现了不少问题,主要是能效、可靠性、光色质量以及成本等问题。有关能效和光色质量所涉及的内容很丰富,比如视觉舒适度、智能化调光控制等,在此我们暂不描述。本文将讨论急需解决的主要技术问题,归结为“三高一低”,即高光效、高显色性、高可靠和低成本的技术问题,实现低成本其实质上也是技术问题。解决这四大技术问题,需要在半导体照明产业链各个环节上采取一系列措施,比如采用新技术、新结构、新工艺、新材料等,这里只提及应该采取的技术路线和方向,希望对LED企业的产品创新有所帮助。
  一、如何实现高光效
  半导体照明的光效,或者说能效,是节能效果的重要指标。目前LED器件光效产业化水平可达120~140lm/W,作成照明灯具总的能效可大于100lm/W。这还是不高,节能效果不明显,离半导体器件光效理论值250lm/W还有很大距离。真正要做到高光效,要从产业链各个环节上解决相关的技术问题,主要是提高内量子效率、外量子效率、封装出光效率和灯具效率,本文将针对外延、芯片,封装,灯具等几个环节要解决的技术问题探讨。
  1. 提高内量子效率和外量子效率
  主要采取以下几点措施来提高内量子效率和外量子效率。
  (1)衬底表面粗化及非极性衬底
  采用纳米级图型衬底、“取向型”图型衬底或非极性、半极性衬底生长GaN,减少位错和缺陷密度及极性场影响,提高内量子效率[1]。
  (2)广义同质衬底
  采用HVPE(氢化物液相外延)在Al2O3蓝宝石衬底上生长GaN,作为混合同质衬底GaN/Al2O3,在此基础上外延生长GaN,可极大地降低位错密度达106~107cm-2,并较大地提高内量子效率。日亚、Cree及我国北大均在研发之中[2]。
  (3)改进量子阱结构
  控制In组分的变化方式和变化量、优化量子阱结构提高电子和空穴交叠几率,增加幅射复合几率以及调节非平衡载流子的输运等,提高内量子效率。
  (4)采用新结构的芯片
  采用新结构要求芯片六面出光,在芯片界面上采用新技术进行多种表面粗化方式,减少光子在芯片界面上反射几率,并增加表面透光率,以提高芯片的外量子效率。
  2. 提高封装出光效率及降低结温
  (1)荧光粉效率及涂覆工艺
  荧光粉的光激发效率目前还不高,黄粉可达70%左右,红粉和绿粉的效率较低,有待进一步提高。另外,荧光粉的涂覆工艺非常重要,有报道称在芯片表面均匀涂复60微米厚度的荧光粉,激发效率较高。
  (2)COB封装
  当前半导体照明的光源采用各种形式COB封装,提高COB封装的出光效率是当务之急,有报道称,采用第二代(有的称第三代)COB矩阵式结构封装,其光效可达120lm/W以上。如果采用倒装芯片和六面发光体进行全反射的结构,光效可达160lm/W以上。
  (3)降低结温
  结温为25℃时的发光量设为100%,当结温上升至60℃时其发光量只有90%,当上升至140℃时只有70%,所以在封装时要加大散热措施,保持较低结温,维持较高的发光效率。
  3. 提高灯具的取光效率
  不同LED灯具的效率相差很大,一般LED灯具效率大于80%,有一部分可大于90%。要根据LED光源的特点以及不同的应用场合,对灯具进行精细的二次光学设计,也要考虑灯具散热和眩光问题,提高LED灯具的取光效率。
  二、实现高显色性
  白光LED的光色质量内容很多,包括色温、显色性、光色保真度、光色自然度、色调识别度、视觉舒适度等[3]。美国SSL计划提出,LED照明产品的光谱分布要达到类似太阳光的光谱分布。要达到上述这些要求是很难的,要做很多基础研究工作,将来一定会实现。这里只讨论目前急需解决的色温和显色性问题。美国能源之星标准规定,室内照明的显色指数CRI≥80,但在一些高端的应用场合要求CRI≥90。制作高显色性LED光源,会损失较多的光效,所以在设计时要照顾这两方面因素。
  在此有必要说明一下有关显色指数CRI的评价问题[4],CIE(TC1-62)技术报告177的结论:“CIE的CRI不适合用于表示白光LED光源的显色范围”。现在有很多种针对CRI定标提出的修正办法,如CQS色品质度、GAI全色域指数、RF夫勒特利指数、CPI颜色偏爱指数、CDI色分辨指数等,目前CIE要采用哪一种修正尚未定论。美国NIST(国家标准研究院)提出采用CQS来评价光源颜色的质量,将测试样品扩大到15种,包含部分高色饱和度的样品,这样就好得多,很多人给予认同。要提高显色性,原则上要考虑RGB三基色组合来实现,目前有三种办法。
  (1)多基色荧光粉
  LED光源采用LED蓝光芯片加铝酸盐黄粉和氮化物红粉、绿粉组合成LED白光,其显色指数CRI可达80~90。据有关报道,如采用RGBY荧光粉有效组合,其CRI可达98。
  (2)RGB多芯片组合
  采用RGB多芯片有效组合的LED白光,显色指数CRI也可达80~90,可能由于驱动方式和成本等因素,目前较少应用。
  (3)荧光粉加芯片
  LED光源采用蓝光芯片加铝酸盐黄粉加红色芯片,有效组合LED白光,其显色指数可达80以上,光效较高,成本尚可,是目前普遍采用的组合方式。
  三、提高可靠性
  LED器件及光源(灯具)的可靠性、失效率、寿命等指标,在实际应用中存在不同的理解和描述,有必要作些解释。
  1. 可靠性
  可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力[5]。LED失效类别主要有严重失效(指关键参数改变至LED不亮)和参数失效(指光电参数由初始值变化至超一定限度)。失效曲线包括早期失效(在使用初期失效率高,随后迅速下降)、偶然失效(失效率低,但很稳定)和耗损失效(随使用时间愈长,耗损失效不断上升)。
  2. 寿命
  寿命是产品可靠性的表征值。由于产品所规定各种寿命的含义不同,容易造成混淆,在此作具体描述。有关寿命的描述有很多种,这里列举10种不同含义的寿命,即:寿命、平均寿命、中位寿命、特征寿命、预期寿命、可靠寿命、工作寿命、光通维持寿命、平均无故障工作时间和平均失效前工作时间等。其中LED寿命的常用表述有:
  寿命:一般指统计平均值,对大量元器件而言,LED器件的寿命就是采用这种描述的含义。
  工作寿命:指LED产品的有效工作时间,不同于一般的寿命。
  中位寿命:有50%的灯具(光源)其光通量下降至某一定值(如初始值的70%)的时间定为中位寿命L70/B50,部分照明灯具的标准是采用中位寿命表述。
  光通维持寿命:指发光器件(LED)或灯具(光源)的光通量下降至某一定值的时间,称为光通维持寿命(此时不考虑色参数的变化)。
  IEC及能源之星的表述:
  IEC组织提出用维持率来说明失效率、寿命、预期寿命等。
  EPA(美国国家环境保护局)公布:能源之星灯具V1.0技术规范“技术中立”,规定匹配灯具寿命为1万小时即额定光通维持率寿命,集成LED灯具要求1.5万~2.5万小时。
  能源之星标准提出LED光源(灯具)在加额定电流6000小时后,测量产品的光通维持率,并推算产品的工作寿命(指有效的工作时间)同时要求在全寿命期内色空间均匀度在CIE1976u′v′图中0.006以内。这个办法得到行业内普遍认同,但具体操作很难,因为需要花250天以上的试验时间,在企业中很难执行。
  3. 提高可靠性
  提高LED可靠性是行内共同努力的目标。有关影响LED产品可靠性的各种因素,如芯片制造、封装、热阻、散热等,以前做了较详细描述[6],在此希望企业对LED产品在执行全面质量控制的基础上,再作如下两点要求:
  (1)减少失效率
  目前在实际应用中,经常出现产品失效,有的甚至很严重。希望相关单位能通过各种试验,找出失效的原因,并采取有效的工艺筛选办法,剔除早期失效和偶然失效的不良产品,在使用中尽可能减少失效率。
  (2)延长耗损失效时间
  希望相关企业对典型的LED产品进行长时间老化试验(或加速老化试验),通过分析找出产品耗损失效的原因,并在工艺、选材等各方面加以改进,延长耗损的时间,这也是提高LED寿命的有效办法。
  四、降低成本
  目前LED各种产品还没有大规模生产推广应用,主要问题是价格过高,LED产品不能长期靠补贴来发展,要不断努力降低成本。全球相关部门单位都在关注降低LED产品成本,比如美国SSL计划2015年LED光源(灯具)成本要达2美元/klm。我国也提出2015年LED光源(灯具)成本要在15元/klm之内。台湾地区也提出在2014年之前可实现2美元/klm目标。要降低成本,除了大批量生产外,主要从技术上采取措施降低成本的方法、途径。
  降低成本要从LED产业链各环节上着手,共同努力,首先分析LED产品的成本结构大约是4:4:2,即光源占40%、驱动和散热占40%、其他占20%,主要环节是外延芯片、封装、驱动、散热等方面成本有较大的下降空间,要从技术上采取有效措施,从根本上解决LED产品的成本问题。
  1. 外延芯片环节降低成本的方法探讨
  目前LED产品的芯片占成本的40%左右,降低芯片的成本是最重要的任务。
  世界主要外延生产厂家Veeco提出,对现有MOCVD的设备、工艺、架构改进,提高量产效率,至2014年外延片价格达0.2美元/cm2。(2009年1美元/cm2)
  采用4″及6″的MOCVD设备以及配套的芯片制造设备,使外延、芯片产能的效率大幅度提高,从而降低外延芯片的成本。
  目前全世界很多有实力的公司正在研发在8″硅片上直接生长GaN,并取得可喜成果。最近欧司朗发布在6″硅片上生长GaN芯片,面积1mm2,在350mA下,色温4500K时,光效可达127lm/W,需2年后投放市场。估计采取该方法生产可降低芯片成本50%。
  开发同质广义外延,采用HVPE液相外延生长GaN衬底。在此生长GaNLED产品,既能提高LED性能,又能大幅度降低外延芯片成本,采用该方法生产,可大幅度缩短外延生长时间,同时可以大量节省MO源,据估算可降低芯片成本50%。
  LED器件采用大电流密度下工作,如面积为1mm2芯片,一般工作电流是350mA,国外几家大公司均已开发可提供工作电流在1~2A下工作的功率LED器件,这样用一只芯片可获光通量达400~500lm,当然会损失部分光效,他们已经较好地解决了Droop现象,在获得同样光通量下,可较大降低芯片成本。
  2. 封装环节降低成本的方法探讨
  半导体照明所用的光源将采用COB及模块封装形式,这样将极大地降低LED光源封装成本。
  LED光源采用COB封装形式,目前主要是采用中功率多芯片、矩阵式集成封装,号称第三代COB封装形式,且有很多不同的结构类型,如MCOB、COFB、MCOMB等,并可降低封装成本30%,目前国内已开发一种球泡灯,采用9只中功率芯片集成COB封装,体积小、不带散热片,功率为7W,光通量可达500~700lm,其成本只有16元。
  模块化标准封装LED产品,这将是半导体照明光源的发展方向。它是将芯片、驱动、控制部分、散热、零件等封装在一起形成模块,并进行标准化生产,可用于不同照明灯具产品,可极大地降低封装成本,据测算可降低封装成本50%,各主要厂商均积极投入研发之中。Zhaga联盟已着手制定相关标准,主要是光引擎界面接口标准,它将涵盖物理尺寸以及光引擎的光学、电气和热特性等,最终实现联盟内不同制造商之间的产品兼容性、互换性。
  3. 灯具环节降低成本的方法
  在保障二次光学设计出光效率和散热性能的前提下,采用新材料、新的照明方式等,设计制作轻便、美观、价廉的新灯具,从而降低灯具成本。此外,目前国产电源的性能和可靠性有较大提高。在此基础上采取有效的技术措施,可较大幅度降低电源成本,从目前2.5~3元/W降至1.5~2元/W。
  4. 其他配套成本的降低
  MOCVD外延炉和芯片制造设备,如能国产化,会较大幅度降低芯片制造成本。LED产品的检测设备,特别是光学检测设备,还有降低成本的空间。此外关键原材料国产化也有利于降低成本,其中,Al2O3蓝宝石衬底国产化,已降价不少。外延用的MO有机源,现有部分国产化,也有降价的余地。封装用的荧光粉等国产化,均有较大降价的余地。
 
  总体而言,除了通过上述所说的采用新技术、新工艺、新结构、新材料等措施来实现半导体照明的高光效、高显色性、高可靠性和低成本之外,从深层次上来看,应该着重将提高能效和光色质量作为LED照明的更高要求,即LED白光的光谱分布类似太阳光的光谱分布,要充分考虑视觉舒适度、人性化的照明等,并进行智能化调光控制,减少电能损耗,提高节能效果,使半导体照明真正为人们提供节能、环保、健康、舒适的照明环境。