LED芯片的技術和應用設計知識

　　較于白熾燈、緊湊型熒光燈等傳統光源，發光二極管(LED)具有發光效率高、壽命長、指向性高等諸多優勢，日益受到業界青睞而被用于通用照明(General Lighting)市場。LED照明應用要加速普及，短期內仍有來自成本、技術、標準等層面的問題必須克服，技術方面，包括色溫、顯色性和效率提升等問題，仍有待進一步改善。而LED在通用照明市場的應用涉及多方面的要求，須從系統的角度去考慮，如LED光源、電源轉換、驅動控制、散熱和光學等。

　　薄膜芯片技術嶄露鋒芒

　　目前，LED芯片技術的發展關鍵在于基底材料和晶圓生長技術。基底材料除了傳統的藍寶石材料、硅(Si)、碳化硅(SiC)以外，氧化鋅(ZnO)和氮化鎵(GaN)等也是當前研究的焦點。無論是重點照明和整體照明的大功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡單輔助照明的小功率芯片，技術提升的關鍵均圍繞如何研發出更高效率、更穩定的芯片。因此，提高LED芯片的效率成為提升LED照明整體技術指標的關鍵。在短短數年內，借助芯片結構、表面粗化、多量子阱結構設計等一系列技術的改進，LED在發光效率出現重大突破，LED芯片結構的發展如圖1所示。相信隨著該技術的不斷成熟，LED量子效率將會得到進一步的提高，LED芯片的發光效率也會隨之攀升。

　　LED芯片結構的發展歷程

　　薄膜芯片技術(Thinfilm)是生產超亮LED芯片的關鍵技術，可以減少側向的出光損失，通過底部反射面可以使得超過97%的光從正面輸出，不僅大大提高LED發光效率，也簡易透鏡的設計。

　　普通LED和薄技技術LED的正面出光率比較

　　高功率LED封裝技術可區分為單顆芯片、多芯片整合及芯片板上封裝三大類，以下將進行說明。

　　發光效率、散熱、可靠性為單顆芯片封裝優勢

　　單顆芯片封裝是封裝技術中應用最多的，其主要的技術瓶頸在于芯片的良率、色溫的控制及熒光粉的涂敷技術，而歐司朗光電半導體的GoldenDRAGONPlusLED，采用硅膠封裝，其封裝外型及內部簡要結構。該LED具有170度的光束角，能理想地配合二次光學透鏡或反光杯，其硅膠透鏡有著耐高溫及低衰減的特性。獨特的封裝設計進一步提升LED的散熱性能，使產品的熱阻控制在每瓦6.5℃左右，有助于降低熱阻。另外，熒光粉的特定配制使LED的色溫覆蓋冷白、中性白和暖白范圍。單芯片封裝的優勢在于光效高、易于散熱、易配光及可靠性。

　　LED芯片的技術和應用設計知識

　　多芯片整合封裝于小體積內可達高光通量

　　多芯片整合組件是目前大功率LED組件最常見的另一種封裝形式，可區分為小功率和大功率芯片整合組件兩類，前者以六顆低功率芯片整合的1瓦大功率LED組件最典型，此類組件的優勢在于成本較低，是目前不少大功率組件的主要制作途徑。大功率芯片結合以OSTARSMT系列為代表，通過優化設計，可使最終產品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時可以驅動高達15瓦的高功率。該封裝的優勢在于在很小的空間內達到很高的光通量。

　　LED芯片的技術和應用設計知識

　　COB有效改進散熱缺陷

　　COB技術沿用傳統半導體技術，即直接將LED芯片固定在印刷電路板(PCB)上。利用該技術，目前已有厚度僅達0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接與PCB板接觸，增加導熱面積，散熱問題得以改善。此封裝形式多以小功率芯片為主。

　　提高散熱效能延長燈具使用壽命

　　燈具的壽命一直是大家所關注的主要問題之一。建構良好的燈具散熱系統，單靠選擇熱阻低的LED組件并不夠，必須有效降低PN接面到環境的熱阻，以盡可能降低LED的PN接面溫度，提高LED燈具的壽命和實際光通量。與傳統光源不同的是，PCB即是LED的供電載體，同時也是散熱載體，因此，PCB和散熱器的散熱設計也尤為重要。此外，散熱材料的材質、厚度、面積大小及散熱接口的處理、連接方式等都是燈具廠商所要考慮的因素。

　　光學設計應妥善發揮LED標準

　　LED的方向性和點光源是不同于傳統光源的最典型特征之一，如何利用LED此兩大特性為燈具光學設計的關鍵。通過LED的二次光學設計，LED燈具可達到比較理想的配光曲線，如在室內的整體照明中，要求燈具的亮度高，可使用透過率較高的燈罩以提高出光效率；另外也有燈具中加入導光板技術，使LED點光源成為面光源，提高其均勻度而防止眩光發生；此外部分輔助照明、重點照明則需要一定的聚光效果以突顯被照物，則可以選擇配一些聚光透鏡或反光杯來達到光學要求。

　　驅動設計須確保恒流輸出量

　　LED對驅動電路的要求為保證恒流輸出，因LED正向工作時，LED正向電壓相對變化區域很小，為保證LED驅動電流的恒定也就是確保LED輸出功率的恒定。另外，調光設計也是目前驅動電路的主流設計之一，此在一些情景照明中應用較多，根據不同環境調配不同亮度，充分達到節能效果。目前驅動器的主要設計方向圍繞在提高電源功率因子、降低耗電量、提高控制精度及加快響應速度為主。除了驅動電源的設計之外，PCB布線及串并聯方式也是設計考慮。

　　標準制定不可或缺

　　LED照明作為一個嶄新的領域，需要產品標準、測量標準、控制與接口標準等的制定，加上目前市面上的LED照明產品良莠不齊，眾多產品信息皆不夠完整，容易誤導消費者，同時還有來自包括有機發光二極管(OLED)等其他高效率光源和傳統低價光源之競爭，LED照明產業急需一套完善的標準體系來維護和促進產業的健康可持續發展。目前美國的能源部(DOE)正在積極推動關于半導體照明的相關標準，中國大陸、臺灣、韓國、日本等也都在積極展開LED標準的制定工作。

　　照明用大功率LED技術挑戰重重

　　雖然LED在室內照明的重點照明和裝飾照明獲得發揮空間，但LED離真正的通用照明或者環境照明還存在諸多挑戰，如初期成本、低色溫的發光效率、顯色指數及系統的可靠性等。

　　透過整體系統優化降低初期成本

　　就室內照明而言，尤其是家庭照明對成本相對比較敏感，雖然LED燈的款式不斷增加，發光效率也越來越高，但價格昂貴的問題依然存在。此有待進一步調降LED光源價格，同時須要從整體系統的層面去優化設計，降低總成本。從緊湊型熒光燈在剛進入市場初期的15美元左右降低至目前的1.5美元以下，由此可知，隨著市場不斷發展，不久的將來，LED燈的價格也較為普羅大眾接受。

　　擺脫熒光粉限制低色溫發光效率

　　室內家庭照明往往會傾向于4，000K以下的偏低色溫，暖白光讓整個環境變得較為溫馨放松；而冷白光會給人干凈、高效及明快的感覺，適合于辦公室的照明和室外的照明。而受到熒光粉的影響，LED低色溫時的發光效率往往要比高色溫時的光效低約30%。

　　混合紅光LED兼顧光效和顯色指數

　　LED的光效越高，其顯色指數往往有些偏低，而室內照明要求能夠客觀顯示物體的明暗度與色彩性，獲得人眼直接觀察外部景物的真實效果，因而通常需要較高的顯色指數。此需要LED在發光效率提升的同時，進一步提高顯色指數，但也可以通過在燈具層面混入一些紅光LED來得到顯示指數大于90的效果。

　　提高大電流驅動效率縮減LED成本

　　現階段，1瓦的LED驅動電流可達350～1，000毫安，但通常在大電流驅動條件下，雖然光通量提高，但整體的效率下降比較明顯，因而在整體成本和系統光效之間須找尋平衡，若能夠提高LED在大電流驅動下的發光效率，則可保證在較高系統發光效率前提下，大幅縮減所需LED顆數，從而明顯降低成本。

　　減小LED的封裝尺寸有助于加大設計彈性

　　LED室內燈具的發展在節能環保健康的前提下，也會朝藝術化、迷你化和個性化的方向發展，因而縮小LED的封裝尺寸可加大在燈具設計時的靈活性和創新空間。在某些須使用混光來提升顯色性的場合，較小的封裝尺寸會有利于混光透鏡的設計和混光的效果。

　　關鍵組件提高系統壽命、可靠性缺一不可

　　對于LED在通用照明中的應用，須從系統的角度來提高整體效率、壽命和可靠性。傳統照明產品的系統組成相對簡單，而LED照明系統涉及多個組件。

　　LED照明系統的組成部件(LED燈具=ED+電源+驅動+散熱+光學)

　　LED光源光源緊湊高效，提供寬廣范圍的色彩和輸出功率。