如何讓LED光源在照明領域發(fā)揮更大的作用

　　半導體照明光源（這里主要指的是LED光源）現(xiàn)已經批量進入照明領域，但還是出現(xiàn)了不少問題，主要是能效、可靠性、光色質量以及成本等問題。有關能效和光色質量所涉及的內容很豐富，比如視覺舒適度、智能化調光控制等，在此我們暫不描述。本文將討論急需解決的主要技術問題，歸結為“三高一低”，即高光效、高顯色性、高可靠和低成本的技術問題，實現(xiàn)低成本其實質上也是技術問題。解決這四大技術問題，需要在半導體照明產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上采取一系列措施，比如采用新技術、新結構、新工藝、新材料等，這里只提及應該采取的技術路線和方向，希望對LED企業(yè)的產品創(chuàng)新有所幫助。

　　一、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，要從產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上解決相關的技術問題，主要是提高內量子效率、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)要解決的技術問題探討。

　　1. 提高內量子效率和外量子效率

　　主要采取以下幾點措施來提高內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，提高內量子效率［1］。

　　（2）廣義同質襯底

　　采用HVPE（氫化物液相外延）在Al2O3藍寶石襯底上生長GaN，作為混合同質襯底GaN/Al2O3，在此基礎上外延生長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）改進量子阱結構

　　控制In組分的變化方式和變化量、優(yōu)化量子阱結構提高電子和空穴交疊幾率，增加幅射復合幾率以及調節(jié)非平衡載流子的輸運等，提高內量子效率。

　　（4）采用新結構的芯片

　　采用新結構要求芯片六面出光，在芯片界面上采用新技術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之急，有報道稱，采用第二代（有的稱第三代）COB矩陣式結構封裝，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構，光效可達160lm/W以上。

　　（3）降低結溫

　　結溫為25℃時的發(fā)光量設為100%，當結溫上升至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LED光源的特點以及不同的應用場合，對燈具進行精細的二次光學設計，也要考慮燈具散熱和眩光問題，提高LED燈具的取光效率。

　　二、實現(xiàn)高顯色性

　　白光LED的光色質量內容很多，包括色溫、顯色性、光色保真度、光色自然度、色調識別度、視覺舒適度等［3］。美國SSL計劃提出，LED照明產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，室內照明的顯色指數CRI≥80，但在一些高端的應用場合要求CRI≥90。制作高顯色性LED光源，會損失較多的光效，所以在設計時要照顧這兩方面因素。

　　在此有必要說明一下有關顯色指數CRI的評價問題［4］，CIE（TC1-62）技術報告177的結論：“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色品質度、GAI全色域指數、RF夫勒特利指數、CPI顏色偏愛指數、CDI色分辨指數等，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CRI可達80～90。據有關報道，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CRI也可達80～90，可能由于驅動方式和成本等因素，目前較少應用。

　　（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。

　　三、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

　　可靠性是指產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力［5］。LED失效類別主要有嚴重失效（指關鍵參數改變至LED不亮）和參數失效（指光電參數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

　　壽命是產品可靠性的表征值。由于產品所規(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技術規(guī)范“技術中立”，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，測量產品的光通維持率，并推算產品的工作壽命（指有效的工作時間）同時要求在全壽命期內色空間均勻度在CIE1976u′v′圖中0.006以內。這個辦法得到行業(yè)內普遍認同，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可靠性是行內共同努力的目標。有關影響LED產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產品在執(zhí)行全面質量控制的基礎上，再作如下兩點要求：

　　（1）減少失效率

　　目前在實際應用中，經常出現(xiàn)產品失效，有的甚至很嚴重。希望相關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

　　希望相關企業(yè)對典型的LED產品進行長時間老化試驗（或加速老化試驗），通過分析找出產品耗損失效的原因，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。

　　四、降低成本