LED光源在照明领域发挥更大作用的途径探讨

半导体照明光源（这里主要指的是LED光源）现已经批量进入照明领域，但还是出现了不少问题，主要是能效、可靠性、光色质量以及成本等问题。有关能效和光色质量所涉及的内容很丰富，比如视觉舒适度、智能化调光控制等，在此我们暂不描述。本文将讨论急需解决的主要技术问题，归结为“三高一低”，即高光效、高显色性、高可靠和低成本的技术问题，实现低成本其实质上也是技术问题。解决这四大技术问题，需要在半导体照明产业链各个环节上采取一系列措施，比如采用新技术、新结构、新工艺、新材料等，这里只提及应该采取的技术路线和方向，希望对LED企业的产品创新有所帮助。 　　一、如何实现高光效 　　半导体照明的光效，或者说能效，是节能效果的重要指标。目前LED器件光效产业化水平可达120～140lm/W，作成照明灯具总的能效可大于100lm/W。这还是不高，节能效果不明显，离半导体器件光效理论值250lm/W还有很大距离。真正要做到高光效，要从产业链各个环节上解决相关的技术问题，主要是提高内量子效率、外量子效率、封装出光效率和灯具效率，本文将针对外延、芯片，封装，灯具等几个环节要解决的技术问题探讨。 　　1. 提高内量子效率和外量子效率 　　主要采取以下几点措施来提高内量子效率和外量子效率。 　　（1）衬底表面粗化及非极性衬底 　　采用纳米级图型衬底、“取向型”图型衬底或非极性、半极性衬底生长GaN，减少位错和缺陷密度及极性场影响，提高内量子效率［1］。 　　（2）广义同质衬底 　　采用HVPE（氢化物液相外延）在Al2O3蓝宝石衬底上生长GaN，作为混合同质衬底GaN/Al2O3，在此基础上外延生长GaN，可极大地降低位错密度达106～107cm-2，并较大地提高内量子效率。日亚、Cree及我国北大均在研发之中［2］。 　　（3）改进量子阱结构 　　控制In组分的变化方式和变化量、优化量子阱结构提高电子和空穴交叠几率，增加幅射复合几率以及调节非平衡载流子的输运等，提高内量子效率。 　　（4）采用新结构的芯片 　　采用新结构要求芯片六面出光，在芯片界面上采用新技术进行多种表面粗化方式，减少光子在芯片界面上反射几率，并增加表面透光率，以提高芯片的外量子效率。 　　2. 提高封装出光效率及降低结温 　　（1）荧光粉效率及涂覆工艺 　　荧光粉的光激发效率目前还不高，黄粉可达70%左右，红粉和绿粉的效率较低，有待进一步提高。另外，荧光粉的涂覆工艺非常重要，有报道称在芯片表面均匀涂复60微米厚度的荧光粉，激发效率较高。 　　（2）COB封装 　　当前半导体照明的光源采用各种形式COB封装，提高COB封装的出光效率是当务之急，有报道称，采用第二代（有的称第三代）COB矩阵式结构封装，其光效可达120lm/W以上。如果采用倒装芯片和六面发光体进行全反射的结构，光效可达160lm/W以上。 　　（3）降低结温 　　结温为25℃时的发光量设为100%，当结温上升至60℃时其发光量只有90%，当上升至140℃时只有70%，所以在封装时要加大散热措施，保持较低结温，维持较高的发光效率。 　　3. 提高灯具的取光效率 　　不同LED灯具的效率相差很大，一般LED灯具效率大于80%，有一部分可大于90%。要根据LED光源的特点以及不同的应用场合，对灯具进行精细的二次光学设计，也要考虑灯具散热和眩光问题，提高LED灯具的取光效率。 　　二、实现高显色性 　　白光LED的光色质量内容很多，包括色温、显色性、光色保真度、光色自然度、色调识别度、视觉舒适度等［3］。美国SSL计划提出，LED照明产品的光谱分布要达到类似太阳光的光谱分布。要达到上述这些要求是很难的，要做很多基础研究工作，将来一定会实现。这里只讨论目前急需解决的色温和显色性问题。美国能源之星标准规定，室内照明的显色指数CRI≥80，但在一些高端的应用场合要求CRI≥90。制作高显色性LED光源，会损失较多的光效，所以在设计时要照顾这两方面因素。 　　在此有必要说明一下有关显色指数CRI的评价问题［4］，CIE（TC1-62）技术报告177的结论：“CIE的CRI不适合用于表示白光LED光源的显色范围”。现在有很多种针对CRI定标提出的修正办法，如CQS色品质度、GAI全色域指数、RF夫勒特利指数、CPI颜色偏爱指数、CDI色分辨指数等，目前CIE要采用哪一种修正尚未定论。美国NIST（国家标准研究院）提出采用CQS来评价光源颜色的质量，将测试样品扩大到15种，包含部分高色饱和度的样品，这样就好得多，很多人给予认同。要提高显色性，原则上要考虑RGB三基色组合来实现，目前有三种办法。 　　（1）多基色荧光粉 　　LED光源采用LED蓝光芯片加铝酸盐黄粉和氮化物红粉、绿粉组合成LED白光，其显色指数CRI可达80～90。据有关报道，如采用RGBY荧光粉有效组合，其CRI可达98。 　　（2）RGB多芯片组合 　　采用RGB多芯片有效组合的LED白光，显色指数CRI也可达80～90，可能由于驱动方式和成本等因素，目前较少应用。 　　（3）荧光粉加芯片 　　LED光源采用蓝光芯片加铝酸盐黄粉加红色芯片，有效组合LED白光，其显色指数可达80以上，光效较高，成本尚可，是目前普遍采用的组合方式。 　　三、提高可靠性 　　LED器件及光源（灯具）的可靠性、失效率、寿命等指标，在实际应用中存在不同的理解和描述，有必要作些解释。 　　1. 可靠性 　　可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力［5］。LED失效类别主要有严重失效（指关键参数改变至LED不亮）和参数失效（指光电参数由初始值变化至超一定限度）。失效曲线包括早期失效（在使用初期失效率高，随后迅速下降）、偶然失效（失效率低，但很稳定）和耗损失效（随使用时间愈长，耗损失效不断上升）。 　　2. 寿命 　　寿命是产品可靠性的表征值。由于产品所规定各种寿命的含义不同，容易造成混淆，在此作具体描述。有关寿命的描述有很多种，这里列举10种不同含义的寿命，即：寿命、平均寿命、中位寿命、特征寿命、预期寿命、可靠寿命、工作寿命、光通维持寿命、平均无故障工作时间和平均失效前工作时间等。其中LED寿命的常用表述有： 　　寿命：一般指统计平均值，对大量元器件而言，LED器件的寿命就是采用这种描述的含义。 　　工作寿命：指LED产品的有效工作时间，不同于一般的寿命。 　　中位寿命：有50%的灯具（光源）其光通量下降至某一定值（如初始值的70%）的时间定为中位寿命L70/B50，部分照明灯具的标准是采用中位寿命表述。 　　光通维持寿命：指发光器件（LED）或灯具（光源）的光通量下降至某一定值的时间，称为光通维持寿命（此时不考虑色参数的变化）。 　　IEC及能源之星的表述： 　　IEC组织提出用维持率来说明失效率、寿命、预期寿命等。 　　EPA（美国国家环境保护局）公布：能源之星灯具V1.0技术规范“技术中立”，规定匹配灯具寿命为1万小时即额定光通维持率寿命，集成LED灯具要求1.5万～2.5万小时。 　　能源之星标准提出LED光源（灯具）在加额定电流6000小时后，测量产品的光通维持率，并推算产品的工作寿命（指有效的工作时间）同时要求在全寿命期内色空间均匀度在CIE1976u′v′图中0.006以内。这个办法得到行业内普遍认同，但具体操作很难，因为需要花250天以上的试验时间，在企业中很难执行。 　　3. 提高可靠性 　　提高LED可靠性是行内共同努力的目标。有关影响LED产品可靠性的各种因素，如芯片制造、封装、热阻、散热等，以前做了较详细描述［6］，在此希望企业对LED产品在执行全面质量控制的基础上，再作如下两点要求： 　　（1）减少失效率 　　目前在实际应用中，经常出现产品失效，有的甚至很严重。希望相关单位能通过各种试验，找出失效的原因，并采取有效的工艺筛选办法，剔除早期失效和偶然失效的不良产品，在使用中尽可能减少失效率。 　　（2）延长耗损失效时间 　　希望相关企业对典型的LED产品进行长时间老化试验（或加速老化试验），通过分析找出产品耗损失效的原因，并在工艺、选材等各方面加以改进，延长耗损的时间，这也是提高LED寿命的有效办法。 　　四、降低成本 　　目前LED各种产品还没有大规模生产推广应用，主要问题是价格过高，LED产品不能长期靠补贴来发展，要不断努力降低成本。全球相关部门单位都在关注降低LED产品成本，比如美国SSL计划2015年LED光源（灯具）成本要达2美元/klm。我国也提出2015年LED光源（灯具）成本要在15元/klm之内。台湾地区也提出在2014年之前可实现2美元/klm目标。要降低成本，除了大批量生产外，主要从技术上采取措施降低成本的方法、途径。 　　降低成本要从LED产业链各环节上着手，共同努力，首先分析LED产品的成本结构大约是4:4：2，即光源占40%、驱动和散热占40%、其他占20%，主要环节是外延芯片、封装、驱动、散热等方面成本有较大的下降空间，要从技术上采取有效措施，从根本上解决LED产品的成本问题。 　　1. 外延芯片环节降低成本的方法探讨 　　目前LED产品的芯片占成本的40%左右，降低芯片的成本是最重要的任务。 　　世界主要外延生产厂家Veeco提出，对现有MOCVD的设备、工艺、架构改进，提高量产效率，至2014年外延片价格达0.2美元/cm2。（2009年1美元/cm2） 　　采用4″及6″的MOCVD设备以及配套的芯片制造设备，使外延、芯片产能的效率大幅度提高，从而降低外延芯片的成本。 　　目前全世界很多有实力的公司正在研发在8″硅片上直接生长GaN，并取得可喜成果。最近欧司朗发布在6″硅片上生长GaN芯片，面积1mm2，在350mA下，色温4500K时，光效可达127lm/W，需2年后投放市场。估计采取该方法生产可降低芯片成本50%。 　　开发同质广义外延，采用HVPE液相外延生长GaN衬底。在此生长GaNLED产品，既能提高LED性能，又能大幅度降低外延芯片成本，采用该方法生产，可大幅度缩短外延生长时间，同时可以大量节省MO源，据估算可降低芯片成本50%。 　　LED器件采用大电流密度下工作，如面积为1mm2芯片，一般工作电流是350mA，国外几家大公司均已开发可提供工作电流在1～2A下工作的功率LED器件，这样用一只芯片可获光通量达400～500lm，当然会损失部分光效，他们已经较好地解决了Droop现象，在获得同样光通量下，可较大降低芯片成本。 　　2. 封装环节降低成本的方法探讨 　　半导体照明所用的光源将采用COB及模块封装形式，这样将极大地降低LED光源封装成本。 　　LED光源采用COB封装形式，目前主要是采用中功率多芯片、矩阵式集成封装，号称第三代COB封装形式，且有很多不同的结构类型，如MCOB、COFB、MCOMB等，并可降低封装成本30%，目前国内已开发一种球泡灯，采用9只中功率芯片集成COB封装，体积小、不带散热片，功率为7W，光通量可达500～700lm，其成本只有16元。 　　模块化标准封装LED产品，这将是半导体照明光源的发展方向。它是将芯片、驱动、控制部分、散热、零件等封装在一起形成模块，并进行标准化生产，可用于不同照明灯具产品，可极大地降低封装成本，据测算可降低封装成本50%，各主要厂商均积极投入研发之中。Zhaga联盟已着手制定相关标准，主要是光引擎界面接口标准，它将涵盖物理尺寸以及光引擎的光学、电气和热特性等，最终实现联盟内不同制造商之间的产品兼容性、互换性。 　　3. 灯具环节降低成本的方法 　　在保障二次光学设计出光效率和散热性能的前提下，采用新材料、新的照明方式等，设计制作轻便、美观、价廉的新灯具，从而降低灯具成本。此外，目前国产电源的性能和可靠性有较大提高。在此基础上采取有效的技术措施，可较大幅度降低电源成本，从目前2.5～3元/W降至1.5～2元/W。 　　4. 其他配套成本的降低 　　MOCVD外延炉和芯片制造设备，如能国产化，会较大幅度降低芯片制造成本。LED产品的检测设备，特别是光学检测设备，还有降低成本的空间。此外关键原材料国产化也有利于降低成本，其中，Al2O3蓝宝石衬底国产化，已降价不少。外延用的MO有机源，现有部分国产化，也有降价的余地。封装用的荧光粉等国产化，均有较大降价的余地。 　　总体而言，除了通过上述所说的采用新技术、新工艺、新结构、新材料等措施来实现半导体照明的高光效、高显色性、高可靠性和低成本之外，从深层次上来看，应该着重将提高能效和光色质量作为LED照明的更高要求，即LED白光的光谱分布类似太阳光的光谱分布，要充分考虑视觉舒适度、人性化的照明等，并进行智能化调光控制，减少电能损耗，提高节能效果，使半导体照明真正为人们提供节能、环保、健康、舒适的照明环境。