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      1. LED光源在照明領域發揮更大作用的途徑探討
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        LED光源在照明領域發揮更大作用的途徑探討

        時間:2015-09-17 19:42來源:未知 作者:www.peanutbutterandjellyboats.com 點擊:

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        旭高照明對LED光源在照明領域發揮更大作用的途徑探討提供了獨特的理解,
        半導體照明光源(這里主要指的是LED光源)現已經批量進入照明領域,但還是出現了不少問題,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
          

         半導體照明光源(這里主要指的是LED光源)現已經批量進入照明領域,但還是出現了不少問題,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業鏈各個環節上采取一系列措施,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企業的產品創新有所幫助。

          一、如何實現高光效

          半導體照明的光效,或者說能效,是節能效果的重要指標。目前LED器件光效產業化水平可達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,要從產業鏈各個環節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,燈具等幾個環節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,激發效率較高。

         ?。?)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光體進行全反射的結構,光效可達160lm/W以上。

         ?。?)降低結溫

          結溫為25℃時的發光量設為100%,當結溫上升至60℃時其發光量只有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?!?/p>

          二、實現高顯色性

          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。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定,室內照明的顯色指數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、RF夫勒特利指數、CPI顏色偏愛指數、CDI色分辨指數等,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,目前有三種辦法。

        (1)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CRI可達80~90。據有關報道,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。

         ?。?)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

          可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內,完成規定功能的能力[5]。LED失效類別主要有嚴重失效(指關鍵參數改變至LED不亮)和參數失效(指光電參數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

          壽命是產品可靠性的表征值。由于產品所規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(美國國家環境保護局)公布:能源之星燈具V1.0技術規范“技術中立”,規定匹配燈具壽命為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,測量產品的光通維持率,并推算產品的工作壽命(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,在企業中很難執行。

          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],在此希望企業對LED產品在執行全面質量控制的基礎上,再作如下兩點要求:

         ?。?)減少失效率

          目前在實際應用中,經常出現產品失效,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品,在使用中盡可能減少失效率。

         ?。?)延長耗損失效時間

          希望相關企業對典型的LED產品進行長時間老化試驗(或加速老化試驗),通過分析找出產品耗損失效的原因,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各種產品還沒有大規模生產推廣應用,主要問題是價格過高,LED產品不能長期靠補貼來發展,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。臺灣地區也提出在2014年之前可實現2美元/klm目標。要降低成本,除了大批量生產外,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產業鏈各環節上著手,共同努力,首先分析LED產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%,主要環節是外延芯片、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產品的成本問題?!?/p>

        1. 外延芯片環節降低成本的方法探討
          目前LED產品的芯片占成本的40%左右,降低芯片的成本是最重要的任務。

          世界主要外延生產廠家Veeco提出,對現有MOCVD的設備、工藝、架構改進,提高量產效率,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在8″硅片上直接生長GaN,并取得可喜成果。最近歐司朗發布在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可降低芯片成本50%。

          開發同質廣義外延,采用HVPE液相外延生長GaN襯底。在此生長GaNLED產品,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,可大幅度縮短外延生長時間,同時可以大量節省MO源,據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,他們已經較好地解決了Droop現象,在獲得同樣光通量下,可較大降低芯片成本。

          2. 封裝環節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產品,這將是半導體照明光源的發展方向。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,可用于不同照明燈具產品,可極大地降低封裝成本,據測算可降低封裝成本50%,各主要廠商均積極投入研發之中。Zhaga聯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,最終實現聯盟內不同制造商之間的產品兼容性、互換性。

          3. 燈具環節降低成本的方法

          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,如能國產化,會較大幅度降低芯片制造成本。LED產品的檢測設備,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化也有利于降低成本,其中,Al2O3藍寶石襯底國產化,已降價不少。外延用的MO有機源,現有部分國產化,也有降價的余地。封裝用的熒光粉等國產化,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,提高節能效果,使半導體照明真正為人們提供節能、環保、健康、舒適的照明環境。

         

        (編輯:SunWork旭高科照明燈具www.peanutbutterandjellyboats.com)
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