从室内照明发展趋势论LED技术提升的关键

唐国庆

(中国照明电器协会半导体照明专业委员会,上海200333)

摘要:随着LED流明效率的不断上升,它在照明领域的应用也越来越广泛。其中LED室内照明是增长最快的领域之一。论述了目前国内外室内照明的四大主要发展趋势:节能化、功能多样化、柔性化和环保化。在此基础上,从LED芯片、LED封装到LED灯具等几个方面阐述了适合室内照明发展的LED技术需要提升的几要素。

关键词:室内照明;半导体照明;芯片;封装;灯具;节能化;环保化中KeyPointsofImprovingtheLEDTechnologyinTermsoftheIndoor

IlluminationDevelopingTrend

TangGuoqing

(ChinaAssociationofLightingIndustrySSLCommittee,Shanghai200333,China)

Abstract:LED(lightemittingdiode)lightingisbecomingmoreandmorepopularasLEDlumenefficiencyisgettinghigherandhigher,andtheindoorilluminationisoneofthefastestgrowingparts.Therefore,howtoclarifytheorientationofindoorilluminationdevelopmentisthekeypointoffiguringoutthewholeLEDtechnologydevelopingtrend.Fourmajordevelopmenttrendsofindoorilluminationarediscussed,includingenergysaving,functiondiversifying,softeningandenvironment2protecting.Accordingtotheindoorilluminationdevelopmenttrend,thekeypointsofimprovingtheLEDtechnologyintermsofLEDdice,LEDpackageandLEDlampsareelaborated.

Keywords:indoorillumination;LED;dice;package;lamp;energysave;environmentprotectEEACC:4260D

0 引言

根据StrategiesUnlimited统计,未来5年内LED室内照明的发展呈指数型增长趋势,至2011年,其产值将高达数百亿美元。这对于LED室内照明来说,既是机遇,更是挑战。由此,根据室内照明发展趋势来看提升LED技术的关键是十分必要的。

室内照明目前主要有两种方式[123]:(1)按照明方式可分为直接照明、间接照明、反射照明、透射照明、漫照明和背景照明等;(2)按照明类型分可分为整体照明、重点照明、辅助照明、层次照明、立体照明、装饰照明等。一般而言,在办公场所一般以整体照明(基础照明、环境照明)为主,而在家居和商场,酒吧等场所则会兼具几种照明类型。同时,一种照明类型又可包括多种照明方式。

不言而喻,室内照明设计的好坏直接影响人们的日常生活和工作。在业界的努力下,室内照明正往更加健康有序的方向发展,以下本文先着重论述室内照明几个主流发展趋势。

1 室内照明发展趋势

石油紧张,煤炭告急,经受10多年经济高速发展的透支之后,能源紧缺问题已成为制约经济发展的瓶颈,节能减排已是全球最关注的问题之一,室内照明也不例外。早在20世纪90年代美国环保局就推出商品节能标识体系能源之星(EnergyStar) 见表1),让符合节能标准的商品贴上带有绿色五角星的标签,并进入美环保局的商品目录加以推广,以降低能耗。我国也已将“节能减排问题研究”列入“十二五”规划前期重大问题研究课题。可见,节能化发展乃是室内灯具发展趋势。

除节能外,功能多样化也是室内照明的主要发展方向之一。主要体现在:(1)高显色性:显色性是光源对物体本身颜色呈现的程度,显色指数高的灯具一般能达到90以上,适合在厨房、商品柜台、医院手术台等场所使用;(2)智能化:选择高效光源并不意味着一定能生产出节能的灯具,目前通过电路设计、灯光控制向智能化发展,主要表现在灰阶可调和色彩可调,目的是降低眩光和进一步节能,并赋予灯光人性化设计;(3)柔性化:透过柔性化设计,灯具的形状可随意更改,大大增强了其艺术感,给人以耳目一新的感觉。

除上述几点之外,随着人们环境意识的增强和对室内空间要求的提高,环保、轻薄也成为室内照明发展的主流趋势。

以下本文就结合上述室内照明的发展趋势,从LED芯片、封装、灯具等方面略述几个需要提升的关键。

2 提升关键之一———芯片技术

目前的芯片技术发展关键在于衬底材料的选择和外延片的生长技术。除了传统衬底材料蓝宝石、Si、SiC之外,ZnO和GaN等衬底材料也是目前业界研究的热点。无论是用于重点照明和整体照明的大功率芯片,还是用于装饰照明和一些辅助照明的小功率芯片,技术提升的关键都是围绕着降低缺陷密度[526]及如何研发出更高效稳定的器件而进行的,而如何提升LED芯片的效率则是目前提升整体技术指标的重中之重。

在短短数年内,借助表面粗化、量子阱结构设计[7]等一系列技术的改进,目前由中村修二(LED蓝光之父)领导的UCSB小组和在流明效率的提高上有了较大的突破(见表2)。另外,中村修二在2008年上海张江举行的半导体前沿技术论坛中宣布,他们研制的效率为150lm/W的产品是基于318V的驱动电压实现的,现在有望将LED的能带隙偏置电压降低至218V,根据推算,届时效率将会提高到193lm/W。

UCSB小组正在着手研究基于衬底材料非极性面和半极性面上生长LED量子阱[8212],并以此技术来提升LED量子效率。就目前进展而言,他们已成功将在半极性面上生长出来单量子阱,其黄色LED外量子效率提高到1314%。随着该工艺的不断成熟,LED量子效率将会得到进一步的提升,LED芯片的发光效率也有望进一步提高。

3 提升关键之二———封装技术

311 单芯片封装

单芯片封装是封装技术中采用最多的形式之一。略去多芯片封装需要顾及到更多的散热和电极分布方面的问题,该封装技术瓶颈主要在于芯片的成品率、色温控制以及荧光粉的涂布工艺[13215]。目前就大功率LED芯片技术而言,主要还是掌握在国外厂商之中。国内厂商虽然起步比较晚,在小功率芯片上已经取得一些进步,大功率芯片上在良率和效率上还需要作进一步完善。

表3是目前美国CREE公司推出的一款大功率器件,该器件一方面使用了硅胶透镜,避免了使用传统环氧树脂封装后由于高温产生黄化等引起的光衰问题;另一方面,陶瓷碗杯的设计增加了产品的散热性能,使产品的热阻控制在9℃/W;另外荧光粉的特定配制使其产品覆盖了冷白、中性白和暖白全系列色温。该器件是迄今能量产的体积较小的大功率LED器件,采用的单芯片封装结构简单、易于散热、容易配光、色温容易控制。

312 芯片集成封装

多芯片集成器件是目前大功率LED器件最为常见的另一种封装形式,可以分为小功率芯片集成器件和大功率芯片集成器件两类,前者以6个低功率芯片集成的1W大功率LED器件最为典型。国际上该类型器件具体性能可达到以下规格:半功率角120°,驱动电流300mA,标准电压318V和可达80lm的标准光通输出。该类器件的主要优势在于以较低的采购成本来获得单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系列为代表(见表4),内含四个大功率芯片,通过优化设计,可以使最终的产品热阻控制在3℃/W,同时可以驱动高达10W的高功率,它的出现使得替代一些高端室内照明设施成为可能。该封装形式的主要难点是由于芯片间的差异性而引起的配光、老化、色度均匀性等难以控制。

313 ChiponBoard(COB)封装

该技术沿用传统半导体工艺,即直接将LED芯片直接固晶在PCB板上。利用该技术,目前已有厂商能使LED模组作到013mm以下的厚度,同时由于LED芯片直接与PCB板连接,增加了导热面积,散热问题也可以得到解决。目前此封装形式多以小功率芯片为主,器件效率可作到70lm/W(20mA)以上。不足之处在于还存在一些技术壁垒,目前能量产化的不多。

4 提升关键之三———灯具技术

411 散热技术

灯具的寿命一直是大家所关注的主要问题之一。一个好的灯具散热系统光靠低热阻的LED器件是远远不够的,它必须有效降低pn结到环境的热阻,以此尽可能降低LED的pn结结温来提高整个LED灯具的寿命。跟传统光源不同的是,PCB板既是LED的供电载体,也是散热载体,所以PCB的散热设计(包括布线、焊盘大小等)尤为重要。

412 光学设计

LED是点光源,又有方向性。利用好LED的这两个特性是灯具光学设计的关键。通过LED点阵的设计和二次光学的设计,LED灯具可以达到比较理想的配光曲线。例如在整体照明中,要求灯具的照射面比较大,可以使用线性LED灯条配以导光板等技术使之成为面光源,既提高均匀度又可防止眩光的发生。一些辅助照明、层次照明中则需要一定的聚光效果,以突出被照物体,主要可以选择配一些聚光透镜来达到光学要求。除以上因素,色温、辉度、显色指数也是室内照明设计考虑的重点,目前通过LED芯片和荧光粉的改良,LED灯具的显色指数可达95[16]。

413 驱动设计

LED是单极性器件,在实际使用中仅允许电流从固定一侧流入并从相应另一侧流出,因此不能在LED器件两端直接施加交变电流或电压。同时,为了获得稳定的LED光通量输出,LED器件的输入电压(顺向)或电流亦需稳定,所以必须选用LED电源驱动器。一般可将LED电源驱动解决方案划分为以下三大类:(a)DC/DC应用:如手电筒、闪光灯、MR16、头灯、橱柜照明等;(b)AC/DC应用(≤25W):如普通照明、汞灯替代照明等;(c)AC/DC应用(≥25W):如道路、隧道、铁路、洗墙的照明等。

414 系统设计

除了以上光电热因素的影响,LED灯具的整体设计也是重要的一环。包括灯具的外形、选材、结构设计。外形上需要增加其艺术美感,选材上兼顾环保实用,结构上要融于整体建筑架构。另外,根据实际的应用场所,选择合适的灯具出光效果也是需要考虑的。

5 结论

综上所述,本文从LED芯片、封装、灯具三方面阐述了LED技术提升的关键。按效率而言,目前量产的LED效率可达100lm/W@350mA,而实验室水平可高达161lm/W@350mA[17];按光源质量而言,目前LED灯具的显色指数可高达95,并且在体积和区域控制上优势明显;按照材料特性而言,组成部件的材料绿色环保。所以,可以看出LED还有较大的提升空间,随着LED配套产业链的进一步完善,相信LED室内照明将越来越普及。