LED光源在照明領域發(fā)揮更大作用的途徑探討

半導體照明光源（這里主要指的是LED光源）現(xiàn)已經(jīng)批量進入照明領域，但還是出現(xiàn)了不少問題，主要是能效、可靠性、光色質量以及成本等問題。有關能效和光色質量所涉及的內容很豐富，比如視覺舒適度、智能化調光控制等，在此我們暫不描述。本文將討論急需解決的主要技術問題，歸結為“三高一低”，即高光效、高顯色性、高可靠和低成本的技術問題，實現(xiàn)低成本其實質上也是技術問題。解決這四大技術問題，需要在半導體照明產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上采取一系列措施，比如采用新技術、新結構、新工藝、新材料等，這里只提及應該采取的技術路線和方向，希望對LED企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新有所幫助。 　　一、如何實現(xiàn)高光效 　　半導體照明的光效，或者說能效，是節(jié)能效果的重要指標。目前LED器件光效產(chǎn)業(yè)化水平可達120～140lm/W，作成照明燈具總的能效可大于100lm/W。這還是不高，節(jié)能效果不明顯，離半導體器件光效理論值250lm/W還有很大距離。真正要做到高光效，要從產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上解決相關的技術問題，主要是提高內量子效率、外量子效率、封裝出光效率和燈具效率，本文將針對外延、芯片，封裝，燈具等幾個環(huán)節(jié)要解決的技術問題探討。 　　1. 提高內量子效率和外量子效率 　　主要采取以下幾點措施來提高內量子效率和外量子效率。 　?。?）襯底表面粗化及非極性襯底 　　采用納米級圖型襯底、“取向型”圖型襯底或非極性、半極性襯底生長GaN，減少位錯和缺陷密度及極性場影響，提高內量子效率［1］。 　?。?）廣義同質襯底 　　采用HVPE（氫化物液相外延）在Al2O3藍寶石襯底上生長GaN，作為混合同質襯底GaN/Al2O3，在此基礎上外延生長GaN，可極大地降低位錯密度達106～107cm-2，并較大地提高內量子效率。日亞、Cree及我國北大均在研發(fā)之中［2］。 　?。?）改進量子阱結構 　　控制In組分的變化方式和變化量、優(yōu)化量子阱結構提高電子和空穴交疊幾率，增加幅射復合幾率以及調節(jié)非平衡載流子的輸運等，提高內量子效率。 　?。?）采用新結構的芯片 　　采用新結構要求芯片六面出光，在芯片界面上采用新技術進行多種表面粗化方式，減少光子在芯片界面上反射幾率，并增加表面透光率，以提高芯片的外量子效率。 　　2. 提高封裝出光效率及降低結溫 　?。?）熒光粉效率及涂覆工藝 　　熒光粉的光激發(fā)效率目前還不高，黃粉可達70%左右，紅粉和綠粉的效率較低，有待進一步提高。另外，熒光粉的涂覆工藝非常重要，有報道稱在芯片表面均勻涂復60微米厚度的熒光粉，激發(fā)效率較高。 　　（2）COB封裝 　　當前半導體照明的光源采用各種形式COB封裝，提高COB封裝的出光效率是當務之急，有報道稱，采用第二代（有的稱第三代）COB矩陣式結構封裝，其光效可達120lm/W以上。如果采用倒裝芯片和六面發(fā)光體進行全反射的結構，光效可達160lm/W以上。 　　（3）降低結溫 　　結溫為25℃時的發(fā)光量設為100%，當結溫上升至60℃時其發(fā)光量只有90%，當上升至140℃時只有70%，所以在封裝時要加大散熱措施，保持較低結溫，維持較高的發(fā)光效率。 　　3. 提高燈具的取光效率 　　不同LED燈具的效率相差很大，一般LED燈具效率大于80%，有一部分可大于90%。要根據(jù)LED光源的特點以及不同的應用場合，對燈具進行精細的二次光學設計，也要考慮燈具散熱和眩光問題，提高LED燈具的取光效率。 　　二、實現(xiàn)高顯色性 　　白光LED的光色質量內容很多，包括色溫、顯色性、光色保真度、光色自然度、色調識別度、視覺舒適度等［3］。美國SSL計劃提出，LED照明產(chǎn)品的光譜分布要達到類似太陽光的光譜分布。要達到上述這些要求是很難的，要做很多基礎研究工作，將來一定會實現(xiàn)。這里只討論目前急需解決的色溫和顯色性問題。美國能源之星標準規(guī)定，室內照明的顯色指數(shù)CRI≥80，但在一些高端的應用場合要求CRI≥90。制作高顯色性LED光源，會損失較多的光效，所以在設計時要照顧這兩方面因素。 　　在此有必要說明一下有關顯色指數(shù)CRI的評價問題［4］，CIE（TC1-62）技術報告177的結論：“CIE的CRI不適合用于表示白光LED光源的顯色范圍”?，F(xiàn)在有很多種針對CRI定標提出的修正辦法，如CQS色品質度、GAI全色域指數(shù)、RF夫勒特利指數(shù)、CPI顏色偏愛指數(shù)、CDI色分辨指數(shù)等，目前CIE要采用哪一種修正尚未定論。美國NIST（國家標準研究院）提出采用CQS來評價光源顏色的質量，將測試樣品擴大到15種，包含部分高色飽和度的樣品，這樣就好得多，很多人給予認同。要提高顯色性，原則上要考慮RGB三基色組合來實現(xiàn)，目前有三種辦法。 　?。?）多基色熒光粉 　　LED光源采用LED藍光芯片加鋁酸鹽黃粉和氮化物紅粉、綠粉組合成LED白光，其顯色指數(shù)CRI可達80～90。據(jù)有關報道，如采用RGBY熒光粉有效組合，其CRI可達98。 　?。?）RGB多芯片組合 　　采用RGB多芯片有效組合的LED白光，顯色指數(shù)CRI也可達80～90，可能由于驅動方式和成本等因素，目前較少應用。 　　（3）熒光粉加芯片 　　LED光源采用藍光芯片加鋁酸鹽黃粉加紅色芯片，有效組合LED白光，其顯色指數(shù)可達80以上，光效較高，成本尚可，是目前普遍采用的組合方式。 　　三、提高可靠性 　　LED器件及光源（燈具）的可靠性、失效率、壽命等指標，在實際應用中存在不同的理解和描述，有必要作些解釋。 　　1. 可靠性 　　可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力［5］。LED失效類別主要有嚴重失效（指關鍵參數(shù)改變至LED不亮）和參數(shù)失效（指光電參數(shù)由初始值變化至超一定限度）。失效曲線包括早期失效（在使用初期失效率高，隨后迅速下降）、偶然失效（失效率低，但很穩(wěn)定）和耗損失效（隨使用時間愈長，耗損失效不斷上升）。 　　2. 壽命 　　壽命是產(chǎn)品可靠性的表征值。由于產(chǎn)品所規(guī)定各種壽命的含義不同，容易造成混淆，在此作具體描述。有關壽命的描述有很多種，這里列舉10種不同含義的壽命，即：壽命、平均壽命、中位壽命、特征壽命、預期壽命、可靠壽命、工作壽命、光通維持壽命、平均無故障工作時間和平均失效前工作時間等。其中LED壽命的常用表述有： 　　壽命：一般指統(tǒng)計平均值，對大量元器件而言，LED器件的壽命就是采用這種描述的含義。 　　工作壽命：指LED產(chǎn)品的有效工作時間，不同于一般的壽命。 　　中位壽命：有50%的燈具（光源）其光通量下降至某一定值（如初始值的70%）的時間定為中位壽命L70/B50，部分照明燈具的標準是采用中位壽命表述。 　　光通維持壽命：指發(fā)光器件（LED）或燈具（光源）的光通量下降至某一定值的時間，稱為光通維持壽命（此時不考慮色參數(shù)的變化）。 　　IEC及能源之星的表述： 　　IEC組織提出用維持率來說明失效率、壽命、預期壽命等。 　　EPA（美國國家環(huán)境保護局）公布：能源之星燈具V1.0技術規(guī)范“技術中立”，規(guī)定匹配燈具壽命為1萬小時即額定光通維持率壽命，集成LED燈具要求1.5萬～2.5萬小時。 　　能源之星標準提出LED光源（燈具）在加額定電流6000小時后，測量產(chǎn)品的光通維持率，并推算產(chǎn)品的工作壽命（指有效的工作時間）同時要求在全壽命期內色空間均勻度在CIE1976u′v′圖中0.006以內。這個辦法得到行業(yè)內普遍認同，但具體操作很難，因為需要花250天以上的試驗時間，在企業(yè)中很難執(zhí)行。 　　3. 提高可靠性 　　提高LED可靠性是行內共同努力的目標。有關影響LED產(chǎn)品可靠性的各種因素，如芯片制造、封裝、熱阻、散熱等，以前做了較詳細描述［6］，在此希望企業(yè)對LED產(chǎn)品在執(zhí)行全面質量控制的基礎上，再作如下兩點要求： 　　（1）減少失效率 　　目前在實際應用中，經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品失效，有的甚至很嚴重。希望相關單位能通過各種試驗，找出失效的原因，并采取有效的工藝篩選辦法，剔除早期失效和偶然失效的不良產(chǎn)品，在使用中盡可能減少失效率。 　　（2）延長耗損失效時間 　　希望相關企業(yè)對典型的LED產(chǎn)品進行長時間老化試驗（或加速老化試驗），通過分析找出產(chǎn)品耗損失效的原因，并在工藝、選材等各方面加以改進，延長耗損的時間，這也是提高LED壽命的有效辦法。 　　四、降低成本 　　目前LED各種產(chǎn)品還沒有大規(guī)模生產(chǎn)推廣應用，主要問題是價格過高，LED產(chǎn)品不能長期靠補貼來發(fā)展，要不斷努力降低成本。全球相關部門單位都在關注降低LED產(chǎn)品成本，比如美國SSL計劃2015年LED光源（燈具）成本要達2美元/klm。我國也提出2015年LED光源（燈具）成本要在15元/klm之內。臺灣地區(qū)也提出在2014年之前可實現(xiàn)2美元/klm目標。要降低成本，除了大批量生產(chǎn)外，主要從技術上采取措施降低成本的方法、途徑。 　　降低成本要從LED產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上著手，共同努力，首先分析LED產(chǎn)品的成本結構大約是4:4：2，即光源占40%、驅動和散熱占40%、其他占20%，主要環(huán)節(jié)是外延芯片、封裝、驅動、散熱等方面成本有較大的下降空間，要從技術上采取有效措施，從根本上解決LED產(chǎn)品的成本問題。 　　1. 外延芯片環(huán)節(jié)降低成本的方法探討 　　目前LED產(chǎn)品的芯片占成本的40%左右，降低芯片的成本是最重要的任務。 　　世界主要外延生產(chǎn)廠家Veeco提出，對現(xiàn)有MOCVD的設備、工藝、架構改進，提高量產(chǎn)效率，至2014年外延片價格達0.2美元/cm2。（2009年1美元/cm2） 　　采用4″及6″的MOCVD設備以及配套的芯片制造設備，使外延、芯片產(chǎn)能的效率大幅度提高，從而降低外延芯片的成本。 　　目前全世界很多有實力的公司正在研發(fā)在8″硅片上直接生長GaN，并取得可喜成果。最近歐司朗發(fā)布在6″硅片上生長GaN芯片，面積1mm2，在350mA下，色溫4500K時，光效可達127lm/W，需2年后投放市場。估計采取該方法生產(chǎn)可降低芯片成本50%。 　　開發(fā)同質廣義外延，采用HVPE液相外延生長GaN襯底。在此生長GaNLED產(chǎn)品，既能提高LED性能，又能大幅度降低外延芯片成本，采用該方法生產(chǎn)，可大幅度縮短外延生長時間，同時可以大量節(jié)省MO源，據(jù)估算可降低芯片成本50%。 　　LED器件采用大電流密度下工作，如面積為1mm2芯片，一般工作電流是350mA，國外幾家大公司均已開發(fā)可提供工作電流在1～2A下工作的功率LED器件，這樣用一只芯片可獲光通量達400～500lm，當然會損失部分光效，他們已經(jīng)較好地解決了Droop現(xiàn)象，在獲得同樣光通量下，可較大降低芯片成本。 　　2. 封裝環(huán)節(jié)降低成本的方法探討 　　半導體照明所用的光源將采用COB及模塊封裝形式，這樣將極大地降低LED光源封裝成本。 　　LED光源采用COB封裝形式，目前主要是采用中功率多芯片、矩陣式集成封裝，號稱第三代COB封裝形式，且有很多不同的結構類型，如MCOB、COFB、MCOMB等，并可降低封裝成本30%，目前國內已開發(fā)一種球泡燈，采用9只中功率芯片集成COB封裝，體積小、不帶散熱片，功率為7W，光通量可達500～700lm，其成本只有16元。 　　模塊化標準封裝LED產(chǎn)品，這將是半導體照明光源的發(fā)展方向。它是將芯片、驅動、控制部分、散熱、零件等封裝在一起形成模塊，并進行標準化生產(chǎn)，可用于不同照明燈具產(chǎn)品，可極大地降低封裝成本，據(jù)測算可降低封裝成本50%，各主要廠商均積極投入研發(fā)之中。Zhaga聯(lián)盟已著手制定相關標準，主要是光引擎界面接口標準，它將涵蓋物理尺寸以及光引擎的光學、電氣和熱特性等，最終實現(xiàn)聯(lián)盟內不同制造商之間的產(chǎn)品兼容性、互換性。 　　3. 燈具環(huán)節(jié)降低成本的方法 　　在保障二次光學設計出光效率和散熱性能的前提下，采用新材料、新的照明方式等，設計制作輕便、美觀、價廉的新燈具，從而降低燈具成本。此外，目前國產(chǎn)電源的性能和可靠性有較大提高。在此基礎上采取有效的技術措施，可較大幅度降低電源成本，從目前2.5～3元/W降至1.5～2元/W。 　　4. 其他配套成本的降低 　　MOCVD外延爐和芯片制造設備，如能國產(chǎn)化，會較大幅度降低芯片制造成本。LED產(chǎn)品的檢測設備，特別是光學檢測設備，還有降低成本的空間。此外關鍵原材料國產(chǎn)化也有利于降低成本，其中，Al2O3藍寶石襯底國產(chǎn)化，已降價不少。外延用的MO有機源，現(xiàn)有部分國產(chǎn)化，也有降價的余地。封裝用的熒光粉等國產(chǎn)化，均有較大降價的余地。 　　總體而言，除了通過上述所說的采用新技術、新工藝、新結構、新材料等措施來實現(xiàn)半導體照明的高光效、高顯色性、高可靠性和低成本之外，從深層次上來看，應該著重將提高能效和光色質量作為LED照明的更高要求，即LED白光的光譜分布類似太陽光的光譜分布，要充分考慮視覺舒適度、人性化的照明等，并進行智能化調光控制，減少電能損耗，提高節(jié)能效果，使半導體照明真正為人們提供節(jié)能、環(huán)保、健康、舒適的照明環(huán)境。