摘要:隨著LED流明效率的不斷上升,它在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。其中LED室內(nèi)照明是增長最快的領(lǐng)域之一。論述了目前國內(nèi)外室內(nèi)照明的四大主要發(fā)展趨勢:節(jié)能化、功能多樣化、柔性化和環(huán)保化。在此基礎(chǔ)上,從LED芯片、LED封裝到LED燈具等幾個方面闡述了適合室內(nèi)照明發(fā)展的LED技術(shù)需要提升的幾要素。
關(guān)鍵詞:室內(nèi)照明;半導(dǎo)體照明;芯片;封裝;燈具;節(jié)能化;環(huán)保化
0 引言
根據(jù)StrategiesUnlimited統(tǒng)計,未來5年內(nèi)LED室內(nèi)照明的發(fā)展呈指數(shù)型增長趨勢,至2011年,其產(chǎn)值將高達(dá)數(shù)百億美元。這對于LED室內(nèi)照明來說,既是機遇,更是挑戰(zhàn)。由此,根據(jù)室內(nèi)照明發(fā)展趨勢來看提升LED技術(shù)的關(guān)鍵是十分必要的。
室內(nèi)照明目前主要有兩種方式[123]:(1)按照明方式可分為直接照明、間接照明、反射照明、透射照明、漫照明和背景照明等;(2)按照明類型分可分為整體照明、重點照明、輔助照明、層次照明、立體照明、裝飾照明等。一般而言,在辦公場所一般以整體照明(基礎(chǔ)照明、環(huán)境照明)為主,而在家居和商場,酒吧等場所則會兼具幾種照明類型。同時,一種照明類型又可包括多種照明方式。
不言而喻,室內(nèi)照明設(shè)計的好壞直接影響人們的日常生活和工作。在業(yè)界的努力下,室內(nèi)照明正往更加健康有序的方向發(fā)展,以下本文先著重論述室內(nèi)照明幾個主流發(fā)展趨勢。
1 室內(nèi)照明發(fā)展趨勢
石油緊張,煤炭告急,經(jīng)受10多年經(jīng)濟高速發(fā)展的透支之后,能源緊缺問題已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸,節(jié)能減排已是全球最關(guān)注的問題之一,室內(nèi)照明也不例外。早在20世紀(jì)90年代美國環(huán)保局就推出商品節(jié)能標(biāo)識體系能源之星(EnergyStar) (見表1),讓符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的商品貼上帶有綠色五角星的標(biāo)簽,并進(jìn)入美環(huán)保局的商品目錄加以推廣,以降低能耗。我國也已將“節(jié)能減排問題研究”列入“十二五”規(guī)劃前期重大問題研究課題。可見,節(jié)能化發(fā)展乃是室內(nèi)燈具發(fā)展趨勢。
除節(jié)能外,功能多樣化也是室內(nèi)照明的主要發(fā)展方向之一。主要體現(xiàn)在:(1)高顯色性:顯色性是光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度,顯色指數(shù)高的燈具一般能達(dá)到90以上,適合在廚房、商品柜臺、醫(yī)院手術(shù)臺等場所使用;(2)智能化:選擇高效光源并不意味著一定能生產(chǎn)出節(jié)能的燈具,目前通過電路設(shè)計、燈光控制向智能化發(fā)展,主要表現(xiàn)在灰階可調(diào)和色彩可調(diào),目的是降低眩光和進(jìn)一步節(jié)能,并賦予燈光人性化設(shè)計;(3)柔性化:透過柔性化設(shè)計,燈具的形狀可隨意更改,大大增強了其藝術(shù)感,給人以耳目一新的感覺。
除上述幾點之外,隨著人們環(huán)境意識的增強和對室內(nèi)空間要求的提高,環(huán)保、輕薄也成為室內(nèi)照明發(fā)展的主流趨勢。
以下本文就結(jié)合上述室內(nèi)照明的發(fā)展趨勢,從LED芯片、封裝、燈具等方面略述幾個需要提升的關(guān)鍵。
2 提升關(guān)鍵之一———芯片技術(shù)
目前的芯片技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵在于襯底材料的選擇
和外延片的生長技術(shù)。除了傳統(tǒng)襯底材料藍(lán)寶石、Si、SiC之外,ZnO和GaN等襯底材料也是目前業(yè)界研究的熱點。無論是用于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輔助照明的小功率芯片,技術(shù)提升的關(guān)鍵都是圍繞著降低缺陷密度[526]及如何研發(fā)出更高效穩(wěn)定的器件而進(jìn)行的,而如何提升LED芯片的效率則是目前提升整體技術(shù)指標(biāo)的重中之重。
在短短數(shù)年內(nèi),借助表面粗化、量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計[7]等一系列技術(shù)的改進(jìn),目前由中村修二(LED藍(lán)光之父)領(lǐng)導(dǎo)的UCSB小組和在流明效率的提高上有了較大的突破(見表2)。另外,中村修二在2008年上海張江舉行的半導(dǎo)體前沿技術(shù)論壇中宣布,他們研制的效率為150lm/W的產(chǎn)品是基于318V的驅(qū)動電壓實現(xiàn)的,現(xiàn)在有望將LED的能帶隙偏置電壓降低至218V,根據(jù)推算,屆時效率將會提高到193lm/W。
UCSB小組正在著手研究基于襯底材料非極性面和半極性面上生長LED量子阱[8212],并以此技術(shù)來提升LED量子效率。就目前進(jìn)展而言,他們已成功將在半極性面上生長出來單量子阱,其黃色LED外量子效率提高到1314%。隨著該工藝的不斷成熟,LED量子效率將會得到進(jìn)一步的提升,LED芯片的發(fā)光效率也有望進(jìn)一步提高。
3 提升關(guān)鍵之二———封裝技術(shù)
311 單芯片封裝
單芯片封裝是封裝技術(shù)中采用最多的形式之一。略去多芯片封裝需要顧及到更多的散熱和電極分布方面的問題,該封裝技術(shù)瓶頸主要在于芯片的成品率、色溫控制以及熒光粉的涂布工藝[13215]。目前就大功率LED芯片技術(shù)而言,主要還是掌握在國外廠商之中。國內(nèi)廠商雖然起步比較晚,在小功率芯片上已經(jīng)取得一些進(jìn)步,大功率芯片上在良率和效率上還需要作進(jìn)一步完善。
表3是目前美國CREE公司推出的一款大功率器件,該器件一方面使用了硅膠透鏡,避免了使用傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂封裝后由于高溫產(chǎn)生黃化等引起的光衰問題;另一方面,陶瓷碗杯的設(shè)計增加了產(chǎn)品的散熱性能,使產(chǎn)品的熱阻控制在9℃/W;另外熒光粉的特定配制使其產(chǎn)品覆蓋了冷白、中性白和暖白全系列色溫。該器件是迄今能量產(chǎn)的體積較小的大功率LED器件,采用的單芯片封裝結(jié)構(gòu)簡單、易于散熱、容易配光、色溫容易控制。
312 芯片集成封裝
多芯片集成器件是目前大功率LED器件最為常見的另一種封裝形式,可以分為小功率芯片集成器件和大功率芯片集成器件兩類,前者以6個低功率芯片集成的1W大功率LED器件最為典型。國際上該類型器件具體性能可達(dá)到以下規(guī)格:半功率角120°,驅(qū)動電流300mA,標(biāo)準(zhǔn)電壓318V和可達(dá)80lm的標(biāo)準(zhǔn)光通輸出。該類器件的主要優(yōu)勢在于以較低的采購成本來獲得單芯片大功率器件的光通量。大功率芯片集成器件以CREE公司最新推出的MC系列為代表(見表4),內(nèi)含四個大功率芯片,通過優(yōu)化設(shè)計,可以使最終的產(chǎn)品熱阻控制在3℃/W,同時可以驅(qū)動高達(dá)10W的高功率,它的出現(xiàn)使得替代一些高端室內(nèi)照明設(shè)施成為可能。該封裝形式的主要難點是由于芯片間的差異性而引起的配光、老化、色度均勻性等難以控制。
313 ChiponBoard(COB)封裝
該技術(shù)沿用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝,即直接將LED芯片直接固晶在PCB板上。利用該技術(shù),目前已有廠商能使LED模組作到013mm以下的厚度,同時由于LED芯片直接與PCB板連接,增加了導(dǎo)熱面積,散熱問題也可以得到解決。目前此封裝形式多以小功率芯片為主,器件效率可作到70lm/W(20mA)以上。不足之處在于還存在一些技術(shù)壁壘,目前能量產(chǎn)化的不多。
4 提升關(guān)鍵之三———燈具技術(shù)
411 散熱技術(shù)
燈具的壽命一直是大家所關(guān)注的主要問題之一。一個好的燈具散熱系統(tǒng)光靠低熱阻的LED器件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,它必須有效降低pn結(jié)到環(huán)境的熱阻,以此盡可能降低LED的pn結(jié)結(jié)溫來提高整個LED燈具的壽命。跟傳統(tǒng)光源不同的是,PCB板既是LED的供電載體,也是散熱載體,所以PCB的散熱設(shè)計(包括布線、焊盤大小等)尤為重要。
412 光學(xué)設(shè)計
LED是點光源,又有方向性。利用好LED的這兩個特性是燈具光學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵。通過LED點陣的設(shè)計和二次光學(xué)的設(shè)計,LED燈具可以達(dá)到比較理想的配光曲線。例如在整體照明中,要求燈具的照射面比較大,可以使用線性LED燈條配以導(dǎo)光板等技術(shù)使之成為面光源,既提高均勻度又可防止眩光的發(fā)生。一些輔助照明、層次照明中則需要一定的聚光效果,以突出被照物體,主要可以選擇配一些聚光透鏡來達(dá)到光學(xué)要求。除以上因素,色溫、輝度、顯色指數(shù)也是室內(nèi)照明設(shè)計考慮的重點,目前通過LED芯片和熒光粉的改良,LED燈具的顯色指數(shù)可達(dá)95[16]。
413 驅(qū)動設(shè)計
LED是單極性器件,在實際使用中僅允許電流從固定一側(cè)流入并從相應(yīng)另一側(cè)流出,因此不能在LED器件兩端直接施加交變電流或電壓。同時,為了獲得穩(wěn)定的LED光通量輸出,LED器件的輸入電壓(順向)或電流亦需穩(wěn)定,所以必須選用LED電源驅(qū)動器。一般可將LED電源驅(qū)動解決方案劃分為以下三大類:(a)DC/DC應(yīng)用:如手電筒、閃光燈、MR16、頭燈、櫥柜照明等;(b)AC/DC應(yīng)用(≤25W):如普通照明、汞燈替代照明等;(c)AC/DC應(yīng)用(≥25W):如道路、隧道、鐵路、洗墻的照明等。414 系統(tǒng)設(shè)計
除了以上光電熱因素的影響,LED燈具的整體設(shè)計也是重要的一環(huán)。包括燈具的外形、選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計。外形上需要增加其藝術(shù)美感,選材上兼顧環(huán)保實用,結(jié)構(gòu)上要融于整體建筑架構(gòu)。另外,根據(jù)實際的應(yīng)用場所,選擇合適的燈具出光效果也是需要考慮的。
5 結(jié)論
綜上所述,本文從LED芯片、封裝、燈具三方面闡述了LED技術(shù)提升的關(guān)鍵。按效率而言,目前量產(chǎn)的LED效率可達(dá)100lm/W@350mA,而實驗室水平可高達(dá)161lm/W@350mA[17];按光源質(zhì)量而言,目前LED燈具的顯色指數(shù)可高達(dá)95,并且在體積和區(qū)域控制上優(yōu)勢明顯;按照材料特性而言,組成部件的材料綠色環(huán)保。所以,可以看出LED還有較大的提升空間,隨著LED配套產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步完善,相信LED室內(nèi)照明將越來越普及。