ＬＥＤ照明技术研发壁垒探讨
章荷珍１ 陈大华２
（１．上海１０１厂，上海２０００４０；２．复旦大学电光源研究所，上海２００４３３）
摘 要
近２０多年来，ＬＥＤ 已在发光效率、寿命、稳定性等方面取得了巨大的
突破，孕育着２１世纪照明的革命。但目前ＬＥＤ光源在芯片质量、光电性能、封装工艺和材料、散热技术、驱动电路、非成像光学设计、相关标准和性价比等方面还存在问题，使ＬＥＤ在照明的推广应用中呈现说易行难的局面。因此试图通过对研发ＬＥＤ光源的壁垒进行探讨，结合ＬＥＤ发展的现状，提出使ＬＥＤ更广泛地进入照明市场的可行思路。
关键词 ＬＥＤ照明 壁垒 散热 驱动电路 性价比
引言
ＬＥＤ光源具有体积小、抗震动、直流低压、安全、易调光控制、光效高、色彩丰富、寿命长、环保等优点，是照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后光源研发的一次重大飞跃。尤其是２０世纪９０年代初，日本研究者中村修二成功研制出掺Ｍｇ的同质结ＧａＮ蓝光ＬＥＤ，以及稀土黄色荧光粉的突破，为白光ＬＥＤ光源真正进人普通照明应用奠定了基础，引起了国内外光电子和照明产业界更广泛的关注。 随着外延生长和芯片制造技术的迅猛发展，ＬＥＤ的发光效率得到了大幅提高，ＬＥＤ器件也从早期的指示型ＬＥＤ（恒流２０ｍＡ）发展到功率型ＬＥＤ（恒流３５０ｍＡ，７００ｍＡ或更高）。但ＬＥＤ光源要全面取代传统照明光源仍存在许多问题。据统计，２０１０年ＬＥＤ照明产品占全国照明市场比重很少，产值仅占３．２％。本文试对ＬＥＤ光源研发中的壁垒加以探讨，从发光效率、散热、驱动电路、非成像光学设计、成本和标准方面进行剖析，以求与同仁们讨论和获得指正。
１ 技术壁垒
１．１ 发光效率
众所周知，单颗ＬＥＤ的光通量有限，其解决途径之一是提高其发光效率。
一般而言，提高ＬＥＤ发光效率的途径主要是改进其内量子效率和外量子效率。内量子效率（Ｉｎｔｅｒｎａｌｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）是每秒辐射复合产生的光子数与在有源区内每秒复合的电子空穴对总数之比；外量子效率（Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍｅｆｉｃｉｅｎｃｙ）是器件每秒发射的光子数和每秒通过ＬＥＤ的电子数目之比。提高内量子效率的关键在于改进晶体的外延工艺、减少晶体的错位等缺陷，通过优化量子阱阱宽等措施改善量子阱结构，从而进一步提高芯片质量和改善器件性能。提高外量子效率，主要是从芯片技术角度出发，如优化衬底剥离技术、表面粗化技术和采用光子晶体结构等，这些技术措施同时也能提高芯片内量子效率。 目前ＬＥＤ光效的提高已获令人瞩目的成就。实验室研制的ＬＥＤ光效达到了２３０ ｌｍ／Ｗ，商品化量产和市场销售的ＬＥＤ光效已能达到８５ ｌｍ／Ｗ 甚至更高。ＬＥＤ的光效提高趋势是传统光源望尘莫及的。Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｌｕｍｉｌｅｄｓ公司基于目前技术条件和研发水平，在２００８年提出未来ＬＥＤ驱动电流达２Ａ时的相关效率情况。如表１所示。
表１中显示荧光粉转换效率在未来将达到２４０１ｍ／Ｏｐｔｉ－
ｃａｌ Ｗａｔｔ。对于冷白光ＬＥＤ而言，这是一个可以达到的数值水平；但对暖白光ＬＥＤ（ＣＣＴ约在３ ０００Ｋ），此效率将会有１０％－２０％的减少。所以，通过研究更优质的ＬＥＤ荧光粉来提高ＬＥＤ的光效，将具有重要的意义。
１．２ 散热问题
供给ＬＥＤ工作的电能７０％以上会转换成热量，与传统光源不同，白光Ｌ
ＥＤ的发光光谱中几乎不包含红外部分，所以其热量不能依靠红外辐射释放。由于热量集中在微小的芯片内（一般芯片尺寸在１ｍｍ×１ｍｍ～２．１５ｍｍ×２．１５ｍｍ范围内），功率型ＬＥＤ的驱动电流一般为３５０ｍＡ，甚至已达１Ａ，这将引起芯片内部热量聚集，结区温度升高，从而明显降低芯片的出光率。如结点温度上升１０°Ｃ，光效和寿命均会下降一半以上；还将导致芯片的发射波长漂移，使其与荧光粉的激发波长不匹配，降低荧光粉的激射效率，进一步地降低白光ＬＥＤ的发光效率，也会加速荧光粉老化，严重影响器件的光学性能。因此散热问题成为ＬＥＤ光源推广应用中须十分注意解决的方面。
ＬＥＤ的散热性能很大程度上取决于器件的封装结构和封装材料。针对传统
ＬＥＤ采用的正装结构，为增强散热产生了芯片倒装技术。同时受硅片材料机械强度与导热性能的限制，ＬＥＤ传热性能的进一步提高需要新材料相匹配；如采用芯片封装在金属夹芯的ＰＣＢ板上的结构及通过封装到散热片上来解决散热的方法，由于夹层中的ＰＣＢ板是热的不良导体，也会阻碍热量传导。
就封装工艺应用的粘结材料、荧光粉、灌封胶、散热基板等材料而言，粘结
材料和散热基板是ＬＥＤ散热的关键。如选用的导热胶导热特性较差，或选用的导电型银浆在提升亮度的同时发热过多，且含铅等有毒金属，则势必影响ＬＥＤ的性能。基板材料可以选用陶瓷，Ｃｕ／Ｗ 板等合金作为散热材料。最近，韩国首尔研究所报道有热阻为一般铝材几分之一的铝合金问世，但这些合金生产成本过高，不利于大规模和低成本生产。ＬＥＤ封装结构、封装材料、导热胶涂敷及电极的焊接工艺都将影响芯片侧表面和上表面的散热能力，因此必须给予充分的重视和细致的考虑。
ＬＥＤ产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉，再以
热对流的方式耗散掉。所以采用新型的热管工质配方，使用高效传热的热管器件，不但散热效率高、结构紧凑、体积小，而且热管两端可自由收缩，热应力小，水蒸汽与热源之间能双重阻隔，确保安全不渗漏和烟阻小，易于清灰，减少能耗，从而使热管散热技术在大功率ＬＥＤ照明装置上得到广泛采用。
对于使用多个ＬＥＤ且其密集排列的白光照明系统，由于模块间互相影响，
热量的管理问题更加重要，除了芯片层面减少管芯热阻外，还应采用高热导率的封装材料、设计更合理的热沉、优化驱动电源等以降低封装后器件的热阻，提高器件性能。
１．３ 驱动电路
在一个完整的ＬＥＤ应用设计方案中，驱动电路的设计是核心技术之一。驱
动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源。功率型ＬＥＤ通常采用直流工作，工作电压仅为３．５Ｖ左右，但工作电流较大，在设计驱动电路时，既要考虑白光ＬＥＤ的单管效率，也要考虑电路的整体转换效率、复杂程度和成本。毫无疑问，驱动电路效率会影响灯具的总效率，但追求高的驱动电路效率会受成本的限制。如ＬＥＤ恒流开关电源有很高的效率，是目前最适宜的ＬＥＤ驱动电路，但它的成本较高，阻碍了其推广应用。优质的ＬＥＤ驱动电路设计不仅需要满足特定的电学要求，而且应具有高效率和高可靠性，并且能在较高的温度下工作，但这些要求的实现往往受成本所制约。适宜的ＬＥＤ光源工作电路应是将驱动、保护和控制电路，以及辅助电源传感器、无源元件封装成一个独立整体的通用性元件。
近期韩国首尔研究所宣布研制出直接用２２０Ｖ交流驱动的ＬＥＤ光源，但
它的光效有缺陷，我们期待它新的进步和发展。
１．４ 非成像光学设计
由于ＬＥＤ芯片体积小，结构紧凑，其发光面积相对来说更小，是一种１８
０°出光的朗伯体光源，其光强分布与出光角的余弦成正比，亦即ＬＥＤ光源所发出的光线在被照表面上所形成的照度随出射角的增大而迅速衰减。显然这样的光源特性是很难满足照明用途的实际需求的，因此需要根据不同的应用场合和需求，针对ＬＥＤ光源的特性进行二次光学设计，从而实现对ＬＥＤ芯片所发出的光进行整形，尤其针对光强分布情况。这样的二次光学设计过程实际上已属于非成像光学设计的范畴。
与关心光源信息传输的成像光学系统设计比较，非成像光学系统设计关心的
是光源能量的利用和光分布控制。由于非成像光学系统的结构简洁，能量利用率高，因此在ＬＥＤ照明系统设计中引起人们广泛的关注，它对ＬＥＤ照明系统在被照表面实现所要求的光分布能起到决定性的作用。如今已有公司推出新型的ＬＥＤ路灯产品，它将采用非成像光学概念设计的透明塑料盖罩放在每一单颗ＬＥＤ前，然后只要将这样的单颗ＬＥＤ安装到散热平面上，就能制成满足道路照明要求的ＬＥＤ路灯，而不需要再配置具有光学设计的反光镜。当然设计满足三维给定光分布应用需求的非成像光学封装系统，仍然是当今ＬＥＤ光源进入照明市场更多地取代传统光源的关键技术之一，这也是促进ＬＥＤ照明技术推广应用的良好切入点。
２ 成本
成本高是ＬＥＤ推广应用不可回避的问题，一次性投入较大及产品性价比问
题是影响ＬＥＤ照明普及的重要原因。要产生１ ０００ ｌｍ的光通量，白炽灯的成本小于５元人民币；紧凑型荧光灯的成本小于１０元人民币；而对于ＬＥＤ光源，需要使用十颗大功率ＬＥＤ，成本超过１００元人民币。ＬＥＤ的成本问题是与ＬＥＤ技术瓶颈的解决紧密相连的，关键技术瓶颈的突破无疑将会带来ＬＥＤ成本的大幅下降。２００９年，我国某资助高达５００万元的ＬＥＤ ８６３项目，就是要求研制完成产生１ ０００ ｌｍ光通量的ＬＥＤ光源，而其成本应为４０元人民币。
３ 标准
目前ＬＥＤ无论在产品规格或测量上均缺乏适当的标准。为了使各种不同形
式及应用的ＬＥＤ光源能有正确、可靠且具一致性的评估标准，制定相关的ＬＥＤ标准便成为ＬＥＤ产业迫切的需求。
就产品标准而言，目前市场上的ＬＥＤ照明产品性能良莠不齐，产品信息大
都不够准确、完整，因此ＬＥＤ相关产品的规格标准的制定已成为关注焦点；就测量标准而言，ＬＥＤ的光电及热学特性不同于传统光源，使得ＬＥＤ的测量方法无法完全套用传统照明光源的测量技术。
ＣＩＥ在１９９７年提出了编号为１２７的技术文件《Ｍｅａｓｕｒｅｍｅ
ｎｔｓ ｏｆ ＬＥＤｓ）（俗称ＣＩＥ－１２７）。在ＣＩＥ－１２７当中，ＣＩＥ提出了“平均ＬＥＤ光强度（Ａｖｅｒａｇｅ ＬＥＤｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）”的概念及作为测量ＬＥＤ光强度的一种参考方法，也对ＬＥＤ全光通量的测量方法提出了建议。然而随着ＬＥＤ技术的快速发展，ＣＩＥ－１２７所提出的测量方法已不足以解决现阶段ＬＥＤ测量的问题，尤其对于高功率ＬＥＤ而言。因此，ＣＩＥ陆续成立数个技术委员会以解决ＬＥＤ测量的相关问题，其中以修订原有的ＣＩＥ １２７为目标的技术委员会已完成修订工作，并已于２００７年以第二版的形式公布了ＣＩＥ－１２７：２００７。在修订版中，最大的改变是提出了“部分ＬＥＤ光通量（Ｐａｒｔｉａｌ ＬＥＤ ｆｌｕｘ）”的概念。但ＣＩＥ－１２７：２００７仍然无法解决许多目前高功率ＬＥＤ所遇到的测量难题。如用于ＬＥＤ光强、光通量等重要光度参数测量的探测器，一般是使用硅光电二极管，探测器的灵敏度Ｒ（λ）无法与光谱视见函数Ｖ（λ）在所有光谱点准确匹配，特别是现有探测器在蓝、红波段误差较大，因此，用光电池探测器测量蓝光、红光ＬＥＤ的光通量时会产生很大误差。为了达到匹配，通常需在探测器前加一组滤光片，由于滤光片材料的限制，要达到完全一致是很困难的。而且，ＬＥＤ的温升也将严重影响ＬＥＤ的光输出性能，从而影响光参数的测量。ＬＥＤ封装的多样性也决定了其空间光分布的复杂性和测量的难度。
目前国际组织发布和正在审编的ＬＥＤ标准或技术文件如下：
（１）国际电工委员会（ＩＥＣ）标准
２００６年公布的ＩＥＣ／ＴＳ ６２５０４：２００６—ＬＥＤ及其模块
的术语和定义，ＩＥＣ ６０８３８—２—２：２００６—ＬＥＤ及其模块的灯座标准，ＩＥＣ ６１３４７—２—１３：２００６ＬＥＤ——及其模块的驱动电路标准； ２００８年发布的ＩＥＣ ６２０３１：２００８——ＬＥＤ模块的安全标准，ＩＥＣ／ＴＲＦ ６２３８４：２００８—ＬＥＤ及其模块的驱动电路性能要求，ＩＥＣ ６２５６０：２００８— 电源电压大于５０Ｖ的自镇流照明用ＬＥＤ光源的安全标准。
国际电工委员会也正式提出许多新的规范名称，如光源以后分为“可替换光
源”和“不可替换光源”等。
（２）国际照明委员会（ＣＩＥ）标准
２００７年公布的技术报告“ＣＩＥ １２７－２００７ ＬＥＤ的测试”，“ＣＩＥ１７７－２００７白色ＬＥＤ的显色指数测试”。还有ＣＩＥ所属的技术委员会（ＴＣ）的标准化研究文件“ＴＣ２－４６ ＬＥＤ光强测试”，“ＴＣ２－５０ ＬＥＤ列阵的光学特性测试”，“ＴＣ２－５８ ＬＥＤ的辐射度和亮度的测试”，“ＴＣ２－６３高功率ＬＥＤ的光学测试”，“ＴＣ２－６４ＬＥＤ的快速测试方法”，“Ｒ４－２２ ＬＥＤ作为讯号光源应用的要求”，“ＴＣ６－４７照明光源的光生物学的安全要求”，“ＴＣ６－５５ＬＥＤ的光生物学的安全要求”。
（３）国外其他相关标准
美国能源部（ＤＯＥ）能源之星项目中对固体光源的灯具要求；２００９年
１２月公布的“一体化ＬＥＤ灯的能源之星项目要求”，以及能源之星一体化ＬＥＤ灯合格标准。固态照明系统及技术联盟（ＡＳＳＩＳＴ）“照明用ＬＥＤ寿命的定义和测试标准”。美国国家标准“ＡＮＳＩ Ｃ７８．３７７固体照明产品色度学的要求”（于２００８年１月９ 日批准实施）。北美照明学会（ＩＥＳＮＡ）发布的“ＩＥＳ ＬＭ－７９－０８固体光源产品的光电特性的测试方法”，“ＩＥＳＬＭ－８０－０８固体光源光维持率的测试方法”。美国“ＡＮＳＩ－ＥＭＡ－ＡＮＳＬＧＣ７８．３７７－２００８固体光源的色特性的标准和要求”。 我国根据国外的标准制定动态，现已有２６个ＬＥＤ相关标准在报批或开始实施，内容包括：普通照明用ＬＥＤ模块测试方法，普通照明用ＬＥＤ模块的安全要求，半导体照明术语和定义，普通照明用电压５０Ｖ以上自镇流ＬＥＤ灯安全要求，装饰照明用ＬＥＤ灯，以及ＬＥＤ用荧光粉和蓝宝石衬底的要求等等。
４ 我国ＬＥＤ产业发展面临的挑战
ＬＥＤ产业链主要包括外延片生长和芯片制造的上游产业、ＬＥＤ器件和Ｌ
ＥＤ封装的中游产业以及ＬＥＤ应用的下游产业。美国、日本、欧盟在ＬＥＤ研发领域已申请了许多材料生长、管芯制作、封装等相关核心技术专利，占据ＬＥＤ光源所有专利的９０％ 以上；我国台湾地区及韩国部分光电企业经过发展也拥有了一定的自主知识产权，并占有相当的市场份额。
就我国具体情况而言，在ＬＥＤ产业链中面临的最大挑战是大部分企业和研
发单位集中在封装和应用的产业链下游，在占ＬＥＤ光源６５％ 以上利润的芯片制造上游产业的力量极其弱小，整个产业缺乏自主知识产权和核心竞争力。根据最近的不完全统计，目前我国从事ＬＥＤ的企业已达到６０００多家。但令人遗憾的是，应用产品和配套企业占了绝大多数，有５０００多家；其次是封装企业，约有６００家；最少的是从事外延生长、芯片制造的企业，研究单位和生产企业总共只有４０多家。尽管我国的ＬＥＤ外延和芯片生产近年来也有很大发展和进步，但总体仍停留在中低档水平。我国高光效、高可靠性的ＬＥＤ应用产品所用的高档外延芯片几乎全部依赖于进口，目前国内品牌的高光效的功率型芯片质量还没被人们认可。目前，存在一种误解，似乎只要购买ＭＯＣＶＤ设备就能生产出高光效的芯片，以致出现了２０１１年我国向国外预订ＭＯＣＶＤ设备的高潮，订货数量远远超过国际上两家最主要的ＭＯＣＶＤ生产公司—美国Ｖｅｅｃｏ公司和德国Ａｉｘｔｒｏｎ公司年生产能力的数倍。仿佛买纺织机就能织出好布，其实制造芯片的Ｋｎｏｗ－ｈｏｗ技术才是我们该下功夫的关键。
５ 总结
只有在全面了解ＬＥＤ灯具研发壁垒的基础上，才能较好地认清我国ＬＥＤ
产业未来的发展方向。针对本文所论述的ＬＥＤ光源的现状和发展趋势，我们感到，要想使ＬＥＤ取代白炽灯等传统光源进入普通照明市场，有以下可行的思路：
（１）光电领域的科技人员应学习和了解传统光源的特点和要求，而传统光源的科技人员要学习ＬＥＤ新知识，让半导体工业和照明工业真正融合在一起，只有双方人才合作和取长补短才能为ＬＥＤ照明事业作出更大贡献；
（２）采用更先进的工艺手段、封装结构和封装材料以解决ＬＥＤ散热问
题；
（３）研制更高效和更可靠的驱动电路，并使所用的驱动电路装置要具有
统一标准和可互换性，方便用户使用和维修，这样才能达到推广应用的目的；
（４）在通过各种技术提高ＬＥＤ光效、寿命和可靠性的同时，一定要在减
低成本上狠下功夫，只有在性价比上接近或优于传统光源，ＬＥＤ才能为人们普遍接受和认可；
（５）完全超脱传统光源灯具的所有束缚，按照人类功效学的要求和ＬＥＤ
光源的特点，设计出新颖美观的ＬＥＤ灯具以满足新时代照明的要求；
（６）尽快开发和完善ＬＥＤ照明所需的二次非成像光学设计的计算机软
件和相关的光学材料，使ＬＥＤ照明产品的设计简便快捷，从而使ＬＥＤ照明工程设计更容易实现；
（７）紧跟ＬＥＤ产品和测量的国际标准动态，最早制定出适合我国国情并
能与国际接轨的中国ＬＥＤ光源相应标准，尤其是光生物学的安全要求和眼睛的保护应引起我们高度的关注和重视。