從室內照明發展趨勢論LED技術提升的關鍵
唐國慶
(中國照明電器協會半導體照明專業委員會,上海200333)
摘要:隨著LED流明效率的不斷上升,它在照明領域的應用也越來越廣泛。其中LED室內照明是增長最快的領域之一。論述了目前國內外室內照明的四大主要發展趨勢:節能化、功能多樣化、柔性化和環?；?。在此基礎上,從LED芯片、LED封裝到LED燈具等幾個方面闡述了適合室內照明發展的LED技術需要提升的幾要素。
關鍵詞:室內照明;半導體照明;芯片;封裝;燈具;節能化;環?；?/span>
0 引言
根據StrategiesUnlimited統計,未來5年內LED室內照明的發展呈指數型增長趨勢,至2011年,其產值將高達數百億美元。這對于LED室內照明來說,既是機遇,更是挑戰。由此,根據室內照明發展趨勢來看提升LED技術的關鍵是十分必要的。
室內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(基礎照明、環境照明)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,室內照明設計的好壞直接影響人們的日常生活和工作。在業界的努力下,室內照明正往更加健康有序的方向發展,以下本文先著重論述室內照明幾個主流發展趨勢。
1 室內照明發展趨勢
石油緊張,煤炭告急,經受10多年經濟高速發展的透支之后,能源緊缺問題已成為制約經濟發展的瓶頸,節能減排已是全球最關注的問題之一,室內照明也不例外。早在20世紀90年代美國環保局就推出商品節能標識體系能源之星(EnergyStar)(見表1),讓符合節能標準的商品貼上帶有綠色五角星的標簽,并進入美環保局的商品目錄加以推廣,以降低能耗。我國也已將“節能減排問題研究”列入“十二五”規劃前期重大問題研究課題?？梢?節能化發展乃是室內燈具發展趨勢。
除節能外,功能多樣化也是室內照明的主要發展方向之一。主要體現在:(1)高顯色性:顯色性是光源對物體本身顏色呈現的程度,顯色指數高的燈具一般能達到90以上,適合在廚房、商品柜臺、醫院手術臺等場所使用;(2)智能化:選擇高效光源并不意味著一定能生產出節能的燈具,目前通過電路設計、燈光控制向智能化發展,主要表現在灰階可調和色彩可調,目的是降低眩光和進一步節能,并賦予燈光人性化設計;(3)柔性化:透過柔性化設計,燈具的形狀可隨意更改,大大增強了其藝術感,給人以耳目一新的感覺。
除上述幾點之外,隨著人們環境意識的增強和對室內空間要求的提高,環保、輕薄也成為室內照明發展的主流趨勢。
以下本文就結合上述室內照明的發展趨勢,從LED芯片、封裝、燈具等方面略述幾個需要提升的關鍵。
2 提升關鍵之一———芯片技術
目前的芯片技術發展關鍵在于襯底材料的選擇和外延片的生長技術。除了傳統襯底材料藍寶石、Si、SiC之外,ZnO和GaN等襯底材料也是目前業界研究的熱點。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,技術提升的關鍵都是圍繞著降低缺陷密度[526]及如何研發出更高效穩定的器件而進行的,而如何提升LED芯片的效率則是目前提升整體技術指標的重中之重。
在短短數年內,借助表面粗化、量子阱結構設計[7]等一系列技術的改進,目前由中村修二(LED藍光之父)領導的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體前沿技術論壇中宣布,他們研制的效率為150lm/W的產品是基于318V的驅動電壓實現的,現在有望將LED的能帶隙偏置電壓降低至218V,根據推算,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],并以此技術來提升LED量子效率。就目前進展而言,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一步的提升,LED芯片的發光效率也有望進一步提高。
3 提升關鍵之二———封裝技術
3.1 單芯片封裝
單芯片封裝是封裝技術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芯片技術而言,主要還是掌握在國外廠商之中。國內廠商雖然起步比較晚,在小功率芯片上已經取得一些進步,大功率芯片上在良率和效率上還需要作進一步完善。
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,避免了使用傳統環氧樹脂封裝后由于高溫產生黃化等引起的光衰問題;另一方面,陶瓷碗杯的設計增加了產品的散熱性能,使產品的熱阻控制在9℃/W;另外熒光粉的特定配制使其產品覆蓋了冷白、中性白和暖白全系列色溫。該器件是迄今能量產的體積較小的大功率LED器件,采用的單芯片封裝結構簡單、易于散熱、容易配光、色溫容易控制。
3.2 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到以下規格:半功率角120°,驅動電流300mA,標準電壓318V和可達80lm的標準光通輸出。該類器件的主要優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),內含四個大功率芯片,通過優化設計,可以使最終的產品熱阻控制在3℃/W,同時可以驅動高達10W的高功率,它的出現使得替代一些高端室內照明設施成為可能。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。
3.3 ChiponBoard(COB)封裝
該技術沿用傳統半導體工藝,即直接將LED芯片直接固晶在PCB板上。利用該技術,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壁壘,目前能量產化的不多。
4 提升關鍵之三———燈具技術
4.1 散熱技術
燈具的壽命一直是大家所關注的主要問題之一。一個好的燈具散熱系統光靠低熱阻的LED器件是遠遠不夠的,它必須有效降低pn結到環境的熱阻,以此盡可能降低LED的pn結結溫來提高整個LED燈具的壽命。跟傳統光源不同的是,PCB板既是LED的供電載體,也是散熱載體,所以PCB的散熱設計(包括布線、焊盤大小等)尤為重要。
4.2 光學設計
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設計的關鍵。通過LED點陣的設計和二次光學的設計,LED燈具可以達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燈條配以導光板等技術使之成為面光源,既提高均勻度又可防止眩光的發生。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到光學要求。除以上因素,色溫、輝度、顯色指數也是室內照明設計考慮的重點,目前通過LED芯片和熒光粉的改良,LED燈具的顯色指數可達95[16]。
4.3 驅動設計
LED是單極性器件,在實際使用中僅允許電流從固定一側流入并從相應另一側流出,因此不能在LED器件兩端直接施加交變電流或電壓。同時,為了獲得穩定的LED光通量輸出,LED器件的輸入電壓(順向)或電流亦需穩定,所以必須選用LED電源驅動器。一般可將LED電源驅動解決方案劃分為以下三大類:(a)DC/DC應用:如手電筒、閃光燈、MR16、頭燈、櫥柜照明等;(b)AC/DC應用(≤25W):如普通照明、汞燈替代照明等;(c)AC/DC應用(≥25W):如道路、隧道、鐵路、洗墻的照明等。
4.4 系統設計
除了以上光電熱因素的影響,LED燈具的整體設計也是重要的一環。包括燈具的外形、選材、結構設計。外形上需要增加其藝術美感,選材上兼顧環保實用,結構上要融于整體建筑架構。另外,根據實際的應用場所,選擇合適的燈具出光效果也是需要考慮的。
5 結論
綜上所述,本文從LED芯片、封裝、燈具三方面闡述了LED技術提升的關鍵。按效率而言,目前量產的LED效率可達100lm/W@350mA,而實驗室水平可高達161lm/W@350mA[17];按光源質量而言,目前LED燈具的顯色指數可高達95,并且在體積和區域控制上優勢明顯;按照材料特性而言,組成部件的材料綠色環保。所以,可以看出LED還有較大的提升空間,隨著LED配套產業鏈的進一步完善,相信LED室內照明將越來越普及。