摘 要 近２０多年來，ＬＥＤ 已在發光效率、壽命、穩定性等方面取得了巨大的突破，孕育著２１世紀照明的革命。但目前ＬＥＤ光源在芯片質量、光電性能、封裝工藝和材料、散熱技術、驅動電路、非成像光學設計、相關標準和性價比等方面還存在問題，使ＬＥＤ在照明的推廣應用中呈現說易行難的局面。因此試圖通過對研發ＬＥＤ光源的壁壘進行探討，結合ＬＥＤ發展的現狀，提出使ＬＥＤ更廣泛地進入照明市場的可行思路。
關鍵詞 ＬＥＤ照明 壁壘 散熱 驅動電路 性價比
引言
ＬＥＤ光源具有體積小、抗震動、直流低壓、安全、易調光控制、光效高、色彩豐富、壽命長、環保等優點，是照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后光源研發的一次重大飛躍。尤其是２０世紀９０年代初，日本研究者中村修二成功研制出摻Ｍｇ的同質結ＧａＮ藍光ＬＥＤ，以及稀土黃色熒光粉的突破，為白光ＬＥＤ光源真正進人普通照明應用奠定了基礎，引起了國內外光電子和照明產業界更廣泛的關注。 隨著外延生長和芯片制造技術的迅猛發展，ＬＥＤ的發光效率得到了大幅提高，ＬＥＤ器件也從早期的指示型ＬＥＤ（恒流２０ｍＡ）發展到功率型ＬＥＤ（恒流３５０ｍＡ，７００ｍＡ或更高）。但ＬＥＤ光源要全面取代傳統照明光源仍存在許多問題。據統計，２０１０年ＬＥＤ照明產品占全國照明市場比重很少，產值僅占３．２％。本文試對ＬＥＤ光源研發中的壁壘加以探討，從發光效率、散熱、驅動電路、非成像光學設計、成本和標準方面進行剖析，以求與同仁們討論和獲得指正。
１ 技術壁壘
１．１ 發光效率
眾所周知，單顆ＬＥＤ的光通量有限，其解決途徑之一是提高其發光效率。一般而言，提高ＬＥＤ發光效率的途徑主要是改進其內量子效率和外量子效率。內量子效率（Ｉｎｔｅｒｎａｌｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）是每秒輻射復合產生的光子數與在有源區內每秒復合的電子空穴對總數之比；外量子效率（Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍｅｆｉｃｉｅｎｃｙ）是器件每秒發射的光子數和每秒通過ＬＥＤ的電子數目之比。提高內量子效率的關鍵在于
改進晶體的外延工藝、減少晶體的錯位等缺陷，通過優化量子阱阱寬等措施改善量子阱結構，從而進一步提高芯片質量和改善器件性能。提高外量子效率，主要是從芯片技術角度出發，如優化襯底剝離技術、表面粗化技術和采用光子晶體結構等，這些技術措施同時也能提高芯片內量子效率。 目前ＬＥＤ光效的提高已獲令人矚目的成就。實驗室研制的ＬＥＤ光效達到了２３０ ｌｍ／Ｗ，商品化量產和市場銷售的ＬＥＤ光效已能達到８５ ｌｍ／Ｗ 甚至更高。ＬＥＤ的光效提高趨勢是傳統光源望塵莫及的。Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｌｕｍｉｌｅｄｓ公司基于目前技術條件和研發水平，在２００８年提出未來ＬＥＤ驅動電流達２Ａ時的相關效率情況。如表１所示。
表１中顯示熒光粉轉換效率在未來將達到２４０１ｍ／Ｏｐｔｉ－ｃａｌ Ｗａｔｔ。對于冷白光ＬＥＤ而言，這是一個可以達到的數值水平；但對暖白光ＬＥＤ（ＣＣＴ約在３ ０００Ｋ），此效率將會有１０％－２０％的減少。所以，通過研究更優質的ＬＥＤ熒光粉來提高ＬＥＤ的光效，將具有重要的意義１．２ 散熱問題
供給ＬＥＤ工作的電能７０％以上會轉換成熱量，與傳統光源不同，白光ＬＥＤ的發光光譜中幾乎不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠紅外輻射釋放。由于熱量集中在微小的芯片內（一般芯片尺寸在１ｍｍ×１ｍｍ～２．１５ｍｍ×２．１５ｍｍ范圍內），功率型ＬＥＤ的驅動電流一般為３５０ｍＡ，甚至已達１Ａ，這將引起芯片內部熱量聚集，結區溫度升高，從而明顯降低芯片的出光率。如結點溫度上升１０°Ｃ，光效和壽命均會下降一半以上；還將導致芯片的發射波長漂移，使其與熒光粉的激發波長不匹配，降低熒光粉的激射效率，進一步地降低白光ＬＥＤ的發光效率，也會加速熒光粉老化，嚴重影響器件的光學性能。因此散熱問題成為ＬＥＤ光源推廣應用中須十分注意解決的方面。
ＬＥＤ的散熱性能很大程度上取決于器件的封裝結構和封裝材料。針對傳統ＬＥＤ采用的正裝結構，為增強散熱產生了芯片倒裝技術。同時受硅片材料機械強度與導熱性能的限制，ＬＥＤ傳熱性能的進一步提高需要新材料相匹配；如采用芯片封裝在金屬夾芯的ＰＣＢ板上的結構及通過封裝到散熱片上來解決散熱的方法，由于夾層中的ＰＣＢ板是熱的不良導體，也會阻礙熱量傳導。
就封裝工藝應用的粘結材料、熒光粉、灌封膠、散熱基板等材料而言，粘結材料和散熱基板是ＬＥＤ散熱的關鍵。如選用的導熱膠導熱特性較差，或選用的導電型銀漿在提升亮度的同時發熱過多，且含鉛等有毒金屬，則勢必影響ＬＥＤ的性能。基板材料可以選用陶瓷，Ｃｕ／Ｗ 板等合金作為散熱材料。最近，韓國首爾研究所報道有熱阻為一般鋁材幾分之一的鋁合金問世，但這些合金生產成本過高，不利于大規模和低成本生產。ＬＥＤ封裝結構、封裝材料、導熱膠涂敷及電極的焊接工藝都將影響芯片側表面和上表面的散熱能力，因此必須給予充分的重視和細致的考慮。
ＬＥＤ產生的熱量絕大部分是通過熱傳導的方式傳到芯片底部的熱沉，再以熱對流的方式耗散掉。所以采用新型的熱管工質配方，使用高效傳熱的熱管器件，不但散熱效率高、結構緊湊、體積小，而且熱管兩端可自由收縮，熱應力小，水蒸汽與熱源之間能雙重阻隔，確保安全不滲漏和煙阻小，易于清灰，減少能耗，從而使熱管散熱技術在大功率ＬＥＤ照明裝置上得到廣泛采用。
對于使用多個ＬＥＤ且其密集排列的白光照明系統，由于模塊間互相影響，熱量的管理問題更加重要，除了芯片層面減少管芯熱阻外，還應采用高熱導率的封裝材料、設計更合理的熱沉、優化驅動電源等以降低封裝后器件的熱阻，提高器件性能。
１．３ 驅動電路
在一個完整的ＬＥＤ應用設計方案中，驅動電路的設計是核心技術之一。驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源。功率型ＬＥＤ通常采用直流工作，工作電壓僅為３．５Ｖ左右，但工作電流較大，在設計驅動電路時，既要考慮白光ＬＥＤ的單管效率，也要考慮電路的整體轉換效率、復雜程度和成本。毫無疑問，驅動電路效率會影響燈具的總效率，但追求高的驅動電路效率會受成本的限制。如ＬＥＤ恒流開關電源有很高的效率，是目前最適宜的ＬＥＤ驅動電路，但它的成本較高，阻礙了其推廣應用。優質的ＬＥＤ驅動電路設計不僅需要滿足特定的電學要求，而且應具有高效率和高可靠性，并且能在較高的溫度下工作，但這些要求的實現往往受成本所制約。適宜的ＬＥＤ光源工作電路應是將驅動、保護和控制電路，以及輔助電源傳感器、無源元件封裝成一個獨立整體的通用性元件。
近期韓國首爾研究所宣布研制出直接用２２０Ｖ交流驅動的ＬＥＤ光源，但它的光效有缺陷，我們期待它新的進步和發展。
１．４ 非成像光學設計
由于ＬＥＤ芯片體積小，結構緊湊，其發光面積相對來說更小，是一種１８０°出光的朗伯體光源，其光強分布與出光角的余弦成正比，亦即ＬＥＤ光源所發出的光線在被照表面上所形成的照度隨出射角的增大而迅速衰減。顯然這樣的光源特性是很難滿足照明用途的實際需求的，因此需要根據不同的應用場合和需求，針對ＬＥＤ光源的特性進行二次光學設計，從而實現對ＬＥＤ芯片所發出的光進行整形，尤其針對光強分布情況。這樣的二次光學設計過程實際上已屬于非成像光學設計的范疇。
與關心光源信息傳輸的成像光學系統設計比較，非成像光學系統設計關心的是光源能量的利用和光分布控制。由于非成像光學系統的結構簡潔，能量利用率高，因此在ＬＥＤ照明系統設計中引起人們廣泛的關注，它對ＬＥＤ照明系統在被照表面實現所要求的光分布能起到決定性的作用。如今已有公司推出新型的ＬＥＤ路燈產品，它將采用非成像光學概念設計的透明塑料蓋罩放在每一單顆ＬＥＤ前，然后只要將這樣的單顆ＬＥＤ安裝到散熱平面上，就能制成滿足道路照明要求的ＬＥＤ路燈，而不需要再配置具有光學設計的反光鏡。當然設計滿足三維給定光分布應用需求的非成像光學封裝系統，仍然是當今ＬＥＤ光源進入照明市場更多地取代傳統光源的關鍵技術之一，這也是促進ＬＥＤ照明技術推廣應用的良好切入點。
２ 成本
成本高是ＬＥＤ推廣應用不可回避的問題，一次性投入較大及產品性價比問題是影響ＬＥＤ照明普及的重要原因。要產生１ ０００ ｌｍ的光通量，白熾燈的成本小于５元人民幣；緊湊型熒光燈的成本小于１０元人民幣；而對于ＬＥＤ光源，需要使用十顆大功率ＬＥＤ，成本超過１００元人民幣。ＬＥＤ的成本問題是與ＬＥＤ技術瓶頸的解決緊密相連的，關鍵技術瓶頸的突破無疑將會帶來ＬＥＤ成本的大幅下降。２００９年，我國某資助高達５００萬元的ＬＥＤ ８６３項目，就是要求研制完成產生１ ０００ ｌｍ光通量的ＬＥＤ光源，而其成本應為４０元人民幣。
３ 標準
目前ＬＥＤ無論在產品規格或測量上均缺乏適當的標準。為了使各種不同形式及應用的ＬＥＤ光源能有正確、可靠且具一致性的評估標準，制定相關的ＬＥＤ標準便成為ＬＥＤ產業迫切的需求。
就產品標準而言，目前市場上的ＬＥＤ照明產品性能良莠不齊，產品信息大都不夠準確、完整，因此ＬＥＤ相關產品的規格標準的制定已成為關注焦點；就測量標準而言，ＬＥＤ的光電及熱學特性不同于傳統光源，使得ＬＥＤ的測量方法無法完全套用傳統照明光源的測量技術。
ＣＩＥ在１９９７年提出了編號為１２７的技術文件《Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＬＥＤｓ）（俗稱ＣＩＥ－１２７）。在ＣＩＥ－１２７當中，ＣＩＥ提出了“平均ＬＥＤ光強度（Ａｖｅｒａｇｅ ＬＥＤｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）”的概念及作為測量ＬＥＤ光強度的一種參考方法，也對ＬＥＤ全光通量的測量方法提出了建議。然而隨著ＬＥＤ技術的快速發展，ＣＩＥ－１２７所提出的測量方法已不足以解決現階段ＬＥＤ測量的問題，尤其對于高功率ＬＥＤ而言。因此，ＣＩＥ陸續成立數個技術委員會以解決ＬＥＤ測量的相關問題，其中以修訂原有的ＣＩＥ １２７為目標的技術委員會已完成修訂工作，并已于２００７年以第二版的形式公布了ＣＩＥ－１２７：２００７。在修訂版中，最大的改變是提出了“部分ＬＥＤ光通量（Ｐａｒｔｉａｌ ＬＥＤ ｆｌｕｘ）”的概念。但ＣＩＥ－１２７：２００７仍然無法解決許多目前高功率ＬＥＤ所遇到的測量難題。如用于ＬＥＤ光強、光通量等重要光度參數測量的探測器，一般是使用硅光電二極管，探測器的靈敏度Ｒ（λ）無法與光譜視見函數Ｖ（λ）在所有光譜點準確匹配，特別是現有探測器在藍、紅波段誤差較大，因此，用光電池探測器測量藍光、紅光ＬＥＤ的光通量時會產生很大誤差。為了達到匹配，通常需在探測器前加一組濾光片，由于濾光片材料的限制，要達到完全一致是很困難的。而且，ＬＥＤ的溫升也將嚴重影響ＬＥＤ的光輸出性能，從而影響光參數的測量。ＬＥＤ封裝的多樣性也決定了其空間光分布的復雜性和測量的難度。
目前國際組織發布和正在審編的ＬＥＤ標準或技術文件如下：
（１）國際電工委員會（ＩＥＣ）標準
２００６年公布的ＩＥＣ／ＴＳ ６２５０４：２００６—ＬＥＤ及其模塊的術語和定義，ＩＥＣ ６０８３８—２—２：２００６—ＬＥＤ及其模塊的燈座標準，ＩＥＣ ６１３４７—２—１３：２００６ＬＥＤ——及其模塊的驅動電路標準；
２００８年發布的ＩＥＣ ６２０３１：２００８——ＬＥＤ模塊的安全標準，ＩＥＣ／ＴＲＦ ６２３８４：２００８—ＬＥＤ及其模塊的驅動電路性能要求，ＩＥＣ ６２５６０：２００８— 電源電壓大于５０Ｖ的自鎮流照明用ＬＥＤ光源的安全標準。
國際電工委員會也正式提出許多新的規范名稱，如光源以后分為“可替換光源”和“不可替換光源”等。
（２）國際照明委員會（ＣＩＥ）標準
２００７年公布的技術報告“ＣＩＥ １２７－２００７ ＬＥＤ的測試”，“ＣＩＥ１７７－２００７白色ＬＥＤ的顯色指數測試”。還有ＣＩＥ所屬的技術委員會（ＴＣ）的標準化研究文件“ＴＣ２－４６ ＬＥＤ光強測試”，“ＴＣ２－５０ ＬＥＤ列陣的光學特性測試”，“ＴＣ２－５８ ＬＥＤ的輻射度和亮度的測試”，“ＴＣ２－６３高功率ＬＥＤ的光學測試”，“ＴＣ２－６４ＬＥＤ的快速測試方法”，“Ｒ４－２２ ＬＥＤ作為訊號光源應用的要求”，“ＴＣ６－４７照明光源的光生物學的安全要求”，“ＴＣ６－５５ＬＥＤ的光生物學的安全要求”。
（３）國外其他相關標準
美國能源部（ＤＯＥ）能源之星項目中對固體光源的燈具要求；２００９年１２月公布的“一體化ＬＥＤ燈的能源之星項目要求”，以及能源之星一體化ＬＥＤ燈合格標準。固態照明系統及技術聯盟（ＡＳＳＩＳＴ）“照明用ＬＥＤ壽命的定義和測試標準”。美國國家標準“ＡＮＳＩ Ｃ７８．３７７固體照明產品色度學的要求”（于２００８年１月９ 日批準實施）。北美照明學會（ＩＥＳＮＡ）發布的“ＩＥＳ ＬＭ－７９－０８固體光源產品的光電特性的測試方法”，“ＩＥＳＬＭ－８０－０８固體光源光維持率的測試方法”。美國“ＡＮＳＩ－ＥＭＡ－ＡＮＳＬＧＣ７８．３７７－２００８固體光源的色特性的標準和要求”。 我國根據國外的標準制定動態，現已有２６個ＬＥＤ相關標準在報批或開始實施，內容包括：普通照明用ＬＥＤ模塊測試方法，普通照明用ＬＥＤ模塊的安全要求，半導體照明術語和定義，普通照明用電壓５０Ｖ以上自鎮流ＬＥＤ燈安全要求，裝飾照明用ＬＥＤ燈，以及ＬＥＤ用熒光粉和藍寶石襯底的要求等等。
４ 我國ＬＥＤ產業發展面臨的挑戰
ＬＥＤ產業鏈主要包括外延片生長和芯片制造的上游產業、ＬＥＤ器件和ＬＥＤ封裝的中游產業以及ＬＥＤ應用的下游產業。美國、日本、歐盟在ＬＥＤ研發領域已申請了許多材料生長、管芯制作、封裝等相關核心技術專利，占據ＬＥＤ光源所有專利的９０％ 以上；我國臺灣地區及韓國部分光電企業經過發展也擁有了一定的自主知識產權，并占有相當的市場份額。
就我國具體情況而言，在ＬＥＤ產業鏈中面臨的最大挑戰是大部分企業和研發單位集中在封裝和應用的產業鏈下游，在占ＬＥＤ光源６５％ 以上利潤的芯片制造上游產業的力量極其弱小，整個產業缺乏自主知識產權和核心競爭力。根據最近的不完全統計，目前我國從事ＬＥＤ的企業已達到６０００多家。但令人遺憾的是，應用產品和配套企業占了絕大多數，有５０００多家；其次是封裝企業，約有６００家；最少的是從事外延生長、芯片制造的企業，研究單位和生產企業總共只有４０多家。盡管我國的ＬＥＤ外延和芯片生產近年來也有很大發展和進步，但總體仍停留在中低檔水平。我國高光效、高可靠性的ＬＥＤ應用產品所用的高檔外延芯片幾乎全部依賴于進口，目前國內品牌的高光效的功率型芯片質量還沒被人們認可。目前，存在一種誤解，似乎只要購買ＭＯＣＶＤ設備就能生產出高光效的芯片，以致出現了２０１１年我國向國外預訂ＭＯＣＶＤ設備的高潮，訂貨數量遠遠超過國際上兩家最主要的ＭＯＣＶＤ生產公司—美國Ｖｅｅｃｏ公司和德國Ａｉｘｔｒｏｎ公司年生產能力的數倍。仿佛買紡織機就能織出好布，其實制造芯片的Ｋｎｏｗ－ｈｏｗ技術才是我們該下功夫的關鍵。
５ 總結
只有在全面了解ＬＥＤ燈具研發壁壘的基礎上，才能較好地認清我國ＬＥＤ產業未來的發展方向。針對本文所論述的ＬＥＤ光源的現狀和發展趨勢，我們感到，要想使ＬＥＤ取代白熾燈等傳統光源進入普通照明市場，有以下可行的思路：
（１）光電領域的科技人員應學習和了解傳統光源的特點和要求，而傳統光源的科技人員要學習ＬＥＤ新知識，讓半導體工業和照明工業真正融合在一起，只有雙方人才合作和取長補短才能為ＬＥＤ照明事業作出更大貢獻；
（２）采用更先進的工藝手段、封裝結構和封裝材料以解決ＬＥＤ散熱問題；
（３）研制更高效和更可靠的驅動電路，并使所用的驅動電路裝置要具有統一標準和可互換性，方便用戶使用和維修，這樣才能達到推廣應用的目的；
（４）在通過各種技術提高ＬＥＤ光效、壽命和可靠性的同時，一定要在減低成本上狠下功夫，只有在性價比上接近或優于傳統光源，ＬＥＤ才能為人們普遍接受和認可；
（５）完全超脫傳統光源燈具的所有束縛，按照人類功效學的要求和ＬＥＤ光源的特點，設計出新穎美觀的ＬＥＤ燈具以滿足新時代照明的要求；
（６）盡快開發和完善ＬＥＤ照明所需的二次非成像光學設計的計算機軟件和相關的光學材料，使ＬＥＤ照明產品的設計簡便快捷，從而使ＬＥＤ照明工程設計更容易實現；
（７）緊跟ＬＥＤ產品和測量的國際標準動態，最早制定出適合我國國情并能與國際接軌的中國ＬＥＤ光源相應標準，尤其是光生物學的安全要求和眼睛的保護應引起我們高度的關注和重視。