半導體照明光源現(xiàn)已批量進入照明領(lǐng)域,但出現(xiàn)不少問題,主要是效能、可靠性、光色質(zhì)量以及成本等問題,有關(guān)效能和光色質(zhì)量所涉及的內(nèi)容很豐富,如視覺舒適 度、智能化調(diào)光控制等,在此暫不描述。本文將討論急需解決的主要技術(shù)問題,歸結(jié)為“三高一低”,即高光效、高顯色性、高可靠和低成本的技術(shù)問題,實現(xiàn)低成 本其實質(zhì)也是技術(shù)問題。解決這四大技術(shù)問題,需要在半導體照明產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上采取一系列措施,比如采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料等,這里只提及應(yīng) 該采取的技術(shù)路線和方向,希望對LED企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新有所幫助。 主要解決方案是:采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新材料等措施實現(xiàn)半導體照明的高光效;進行智能化調(diào)光控制,減少電能損耗,提高節(jié)能效果。
一、實現(xiàn)高顯色性
白光LED的光色質(zhì)量內(nèi)容很多,包括色溫、顯色性、光色保真度、光色自然度、色調(diào)識別度、視覺舒適度等[3]。美國SSL計劃提出,LED照明產(chǎn)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(chǔ)研究工作,將來一定會實現(xiàn)。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(guī)定,室內(nèi)照明的顯色指數(shù)CRI≥80,但在一些高端的應(yīng)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(shè)計時 要照顧這兩方面因素。
在此有必要說明一下有關(guān)顯色指數(shù)CRI的評價問題[4],CIE(TC1-62)技術(shù)報告177的結(jié)論:“CIE的CRI不適合用于表示白光LED光源的 顯色范圍”。現(xiàn)在有很多種針對CRI定標提出的修正辦法,如CQS色品質(zhì)度、GAI全色域指數(shù)、RF夫勒特利指數(shù)、CPI顏色偏愛指數(shù)、CDI色分辨指數(shù) 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(zhì)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(xiàn),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(shù)CRI可達80~90。據(jù)有關(guān)報道,如采用RGBY熒光粉有效組合,其CRI可達98。
(2)RGB多芯片組合
采用RGB多芯片有效組合的LED白光,顯色指數(shù)CRI也可達80~90,可能由于驅(qū)動方式和成本等因素,目前較少應(yīng)用。
(3)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(shù)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。
二、如何實現(xiàn)高光效
半導體照明的光效,或者說能效,是節(jié)能效果的重要指標。目前LED器件光效產(chǎn)業(yè)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(jié)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(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上解決相關(guān)的技術(shù)問題,主 要是提高內(nèi)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(huán)節(jié)要解決的技術(shù)問題探討。
1.提高內(nèi)量子效率和外量子效率
主要采取以下幾點措施來提高內(nèi)量子效率和外量子效率。
(1)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(nèi)量子效率[1]。
(2)廣義同質(zhì)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(zhì)襯底GaN/Al2O3,在此基礎(chǔ)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(nèi)量子效率。日亞、Cree及我國北大均在研發(fā)之中[2]。
(3)改進量子阱結(jié)構(gòu)
控制In組分的變化方式和變化量、優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)提高電子和空穴交疊幾率,增加幅射復合幾率以及調(diào)節(jié)非平衡載流子的輸運等,提高內(nèi)量子效率。
(4)采用新結(jié)構(gòu)的芯片
采用新結(jié)構(gòu)要求芯片六面出光,在芯片界面上采用新技術(shù)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(jié)溫
(1)熒光粉效率及涂覆工藝
熒光粉的光激發(fā)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(fā)效率較高。
(2)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(wù)之急,有報道稱,采用第二代(有的稱第三代)COB矩陣式結(jié)構(gòu)封裝,其光效可達120lm/W以上。如果采用倒裝芯片和六面發(fā)光體進行全反射的結(jié)構(gòu),光效可達160lm/W以上。
(3)降低結(jié)溫
據(jù)有關(guān)報道,結(jié)溫為25℃時的發(fā)光量設(shè)為100%,當結(jié)溫上升至60℃時其發(fā)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(jié)溫,維持較高的發(fā)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(jù)LED光源的特點以及不同的應(yīng)用場合,對燈具進行精細的二次光學設(shè)計,也要考慮燈具散熱和眩光問題,提高LED燈具的取光效率。
三、降低成本
目前LED各種產(chǎn)品還沒有大規(guī)模生產(chǎn)推廣應(yīng)用,主要問題是價格過高,LED產(chǎn)品不能長期靠補貼來發(fā)展,要不斷努力降低成本。全球相關(guān)部門單位都在關(guān)注降低 LED產(chǎn)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(nèi)。***地區(qū)也提出在2014年之前可實現(xiàn)2美元/klm目標。要降低成本,除了大批量生產(chǎn)外,主要從技術(shù)上采取措施降低成本的方法、途徑。
降低成本要從LED產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上著手,共同努力,首先分析LED產(chǎn)品的成本結(jié)構(gòu)大約是4:4:2,即光源占40%、驅(qū)動和散熱占40%、其他占20%, 主要環(huán)節(jié)是外延芯片、封裝、驅(qū)動、散熱等方面成本有較大的下降空間,要從技術(shù)上采取有效措施,從根本上解決LED產(chǎn)品的成本問題。
1.外延芯片環(huán)節(jié)降低成本的方法探討
目前LED產(chǎn)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(wù)。
世界主要外延生產(chǎn)廠家Veeco提出,對現(xiàn)有MOCVD的設(shè)備、工藝、架構(gòu)改進,提高量產(chǎn)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(shè)備以及配套的芯片制造設(shè)備,使外延、芯片產(chǎn)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(fā)在8″硅片上直接生長GaN,并取得可喜成果。最近歐司朗發(fā)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(chǎn)可降低芯片成本50%。
開發(fā)同質(zhì)廣義外延,采用HVPE液相外延生長GaN襯底。在此生長GaNLED產(chǎn)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(chǎn),可大幅度縮短外延生長時間,同時可以大量節(jié)省MO源,據(jù)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(fā)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(jīng)較好地解決了Droop現(xiàn)象,在獲得同樣光通量下,可較大降低芯片成 本。
2.封裝環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)類型,如MCOB、 COFB、MCOMB等,并可降低封裝成本30%,目前國內(nèi)已開發(fā)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(chǎn)品,這將是半導體照明光源的發(fā)展方向。它是將芯片、驅(qū)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(chǎn),可用于不 同照明燈具產(chǎn)品,可極大地降低封裝成本,據(jù)測算可降低封裝成本50%,各主要廠商均積極投入研發(fā)之中。Zhaga聯(lián)盟已著手制定相關(guān)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(xiàn)聯(lián)盟內(nèi)不同制造商之間的產(chǎn)品兼容性、互換性。
3.燈具環(huán)節(jié)降低成本的方法
在保障二次光學設(shè)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(shè)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(chǎn)電源 的性能和可靠性有較大提高。在此基礎(chǔ)上采取有效的技術(shù)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(shè)備,如能國產(chǎn)化,會較大幅度降低芯片制造成本。LED產(chǎn)品的檢測設(shè)備,特別是光學檢測設(shè)備,還有降低成本的空間。此外關(guān)鍵原 材料國產(chǎn)化也有利于降低成本,其中,Al2O3藍寶石襯底國產(chǎn)化,已降價不少。外延用的MO有機源,現(xiàn)有部分國產(chǎn)化,也有降價的余地。封裝用的熒光粉等國 產(chǎn)化,均有較大降價的余地。
四、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(yīng)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(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力[5]。LED失效類別主要有嚴重失效(指關(guān)鍵參數(shù)改變至LED不亮)和參數(shù)失效(指光電參 數(shù)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(wěn)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(chǎn)品可靠性的表征值。由于產(chǎn)品所規(guī)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(guān)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(tǒng)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(chǎn)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(fā)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(shù)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(huán)境保護局)公布:能源之星燈具V1.0技術(shù)規(guī)范“技術(shù)中立”,規(guī)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(chǎn)品的光通維持率,并推算產(chǎn)品的工作壽命(指有效的工作時間)同時要求在全壽命期內(nèi) 色空間均勻度在CIE1976u′v′圖中0.006以內(nèi)。這個辦法得到行業(yè)內(nèi)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(yè)中很 難執(zhí)行。
3.提高可靠性
提高LED可靠性是行內(nèi)共同努力的目標。有關(guān)影響LED產(chǎn)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(yè)對LED產(chǎn)品在執(zhí)行全面質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上,再作如下兩點要求:
(1)減少失效率
目前在實際應(yīng)用中,經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品失效,有的甚至很嚴重。希望相關(guān)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(chǎn)品,在使用中盡可能減少失效率。
(2)延長耗損失效時間
希望相關(guān)企業(yè)對典型的LED產(chǎn)品進行長時間老化試驗(或加速老化試驗),通過分析找出產(chǎn)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。
小結(jié)
總體而言,除了通過上采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)、新材料等措施實現(xiàn)半導體照明的高光效、高顯色性、高可靠和低成本外,從深層次來看,應(yīng)該將提高能效和光 色質(zhì)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(diào)光控制,減少電能 損耗,提高節(jié)能效果,使半導體照明真正為人們提供節(jié)能、環(huán)保、健康、舒適的照明環(huán)境。
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