解析LED通用照明面臨的四大挑戰

當前，LED最具潛力的市場無疑當屬平板液晶電視、筆記本電腦和筆記本顯示器中的大尺寸LCD背光，但毫無疑問，通用照明才是LED的最終發展目標。目前，在LED通用照明 市場還未真正啟動之前，LED球泡替換燈將成為照明市場最主要的增長領域。然而，市場上大量出現的LED球泡燈，等同于真正意義上的固態照明（SSL）嗎？LED是否真的為通用照明做好了準備？

LED通用照明首先面臨四大挑戰

　　美國能源部曾表示：固態照明是50年來照明領域最具破壞性的創新技術。有不少業內人士對此表示認同，并認為LED是顛覆性產品，是要革它原來產品命的。但事實上，LED進入通用照明市場，依然面臨四大挑戰，它們分別是：光品質、光效表現、可靠性以及簡單化。

　　飛利浦亞洲地區營銷總監周學軍對此解釋道：LED的光品質與傳統照明相比仍有差距；光效表現還有部分應用無法覆蓋；由于LED照明可靠性由芯片、電、光、熱、機械、互聯部分等多個因素決定，因此無法保持足夠的光輸出流明維持壽命；由于缺乏統一標準，現在市場上的LED照明產品五花八門，復雜性也阻礙了其短期內很難被更多受眾接受。''那么，目前市場上有哪些提升LED光品質和光效的方案？

光品質

通常我們談到的光品質主要指光分布、光角度與陰影，以及演色性。這里，周學軍特別強調設計人員要注意：不同LED 顆粒間的光色是否一致？隨著時間推移不同顆粒的變化是否一致？一顆LED在不同角度是否存在色差？顯色指數表現如何？

　　LED的整個封裝工藝流程包括兩個重要步驟：利用金線對芯片和管腳進行鍵合，以及進行熒光粉涂布。這兩個步驟都會對LED造成色差，特別是金線會擋住光路，如果操作不當可能會對芯片造成隱性裂痕，從而形成芯片斷裂隱患。為了解決這些問題，Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC（薄膜倒裝芯片技術）和獨有的Lumiramic熒光技術。

　　據周學軍介紹，TFFC技術的電極在電路板后面，表面無縱橫布線，因此物理結構更好。而Lumiramic熒光技術利用陶瓷熒光板代替熒光粉直接粘結到芯片上，使得表面完全平整，不會有凹凸和不均勻，因此從根本上避免了傳統封裝法因不均勻的熒光粉涂布而導致的大多數LED在偏離中心視軸的角度顯示出顏色的不一致。此外，采用Lumiramic技術還可以將白光分bin（分檔）的范圍縮小至原來的1/4，周學軍補充道。

　　目前，對于照明行業特別是照明設計來說，最頭疼的問題莫過于分bin。對于一些有經驗的LED制造商來說，通常的做法是在所有檔中使用白光LED的整個輸出范圍。然而，在特定CCT（相關顏色溫度）下，根本無法低成本生產出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于藍光LED芯片的波長和熒光粉的涂布工藝。因此，制造商可能會混合使用多個分bin的LED，但是這樣一來，產品的應用范圍受到限制，既增加了生產工藝的復雜性，又產生了更多存貨。Cree公司對此的解決方案是EasyWhite bin,該方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封裝發，由Cree挑選四顆不同特性的白光LED芯片（上覆有熒光粉）并封裝好，混合后的白光輸出能達到預期色溫，而且遠小于ANSI規定的標準范圍。

　　光效表現

就像半導體行業的摩爾定律一樣，LED行業也有一個Haitz定律，即LED亮度大約每18-24個月提升一倍，而在今后10年內，預計亮度可以再提升20倍，成本則將降至現有的1/10.今天，市場上1美金大約可以買到100-150流明，美國能源部預計2020年這個數字將達到1000流明。

　　LED發光效率如何提高？

首先來看封裝。目前，市面上LED光源最為常見的是直插式和貼片式。深圳市長光半導體照明科技有限公司技術副總監朱嘯天則認為，這兩種封裝方式的散熱出口截面積較小，而且一次出光口通道狹窄，利用率相對不高。根據LED的出光特點，長光半導體設計了扁平化的一次光學通道，形成了平面光源陣列式芯片，可以最小化光學損失。對此，朱嘯天解釋道：“像SMD的3528或505光源，使用玻璃纖維或塑料做基板，底部沒有跟任何金屬連接。平面光源陣列式芯片則采用了基于多芯片集成COB直接封裝技術，光源使用的鋁基板可以將更多熱量通過直連散熱散發出去。”據悉，目前該公司擁有完全自主知識產權的LED面光源技術光效已達130lm/w,整燈光效已大于100lm/w.

　　除了封裝，芯片結構、正向電壓等因素也十分關鍵。正向電壓如果能被控制在一個非常小的范圍內，就可以獲得很好的光效。在這部分，還要特別注意如何解決droop現象。眾所周知，電流密度的增加會使LED（主要指藍色、綠色等將InGaN作為發光層的LED）發出更多的光，但與此同時光效也會隨之下降。當前，芯片設計公司正在努力尋求解決方法，盡可能使光效與電流增加呈正比。也就是說，在一平方毫米面積上，以光效無損為前提得到更多光，而不是靠提高die尺寸。當然，冷熱系數（LED在100°C結溫和25°C結溫時的燈光輸出比值）的提升也有助于簡化散熱系統設計，從而降低最終應用中的每流明成本。

　　如何解決散熱問題

　　LED抗熱性的重要已成為業界共識，這個問題對于LED通用照明同樣存在。對此，周學軍曾生動地比喻道：LED就像是一個雪人，冷的時候很漂亮，但是一熱了就會融化，變得很難看。

　　LED系統設計中的熱管理很重要，因為相當部分的電能轉換成了熱能。''安森美半導體電源及便攜產品全球銷售及營銷高級總監鄭兆雄表示，''要解決好散熱問題，需要提升驅動電源的轉換能效和應用更高光效的LED,采用提供強固熱故障保護性能的LED驅動芯片和散熱性能更好的驅動芯片封裝，以及散熱性能更好的LED基板等。此外，為了提高系統可靠性，還需結合其它手段，如采用額定工作溫度更高的更好外部元器件，以及采用環境光傳感器以減少電能消耗和發熱量等。''

　　美國國家半導體（NS）亞太區市場經理黎志遠認為：受實際操作環境影響，LED的內部溫度確實可能會飆升至極高水平。一旦LED的溫度升越閾值，進入非安全區，那么LED的壽命及照明效果便會受到影響。而采用熱能回折電路則可以監控系統熱能，以免溫度失控。

NS的LM3424芯片正是一款這樣的產品，可為照明 系統的LED 設置溫度及斜坡斷點，確保LED停留在安全區內操作。如果出現過熱情況，LM3424的熱能回折電路便會減少流入LED的穩壓電流。減少的鎮壓電流會使LED的亮度也隨之下降，但仍然保持在工程師預設范圍內，直至操作溫度恢復到安全的操作范圍內。此外，NS還推出了一款大功率LED驅動器LM3464,采用該芯片的過熱保護系統解決方案可以監控LED散熱器/銅箔層的溫度：若LED溫度突然大幅飆升，過熱保護功能會調低輸出電流，避免LED在不正常情況下過熱受損，同時LED可保持一定的亮度。

　　上海龍茂微電子有限公司總經理茅于海指出，徹底解決''熱''問題還有待LED發光效率的提高。深圳瑞豐光電子有限公司常務副總林常對此表示認同，他表示：''要解決熱管理的問題，首先從芯片方面就要提高光效，光效提高自然熱就小了。到了封裝，要考慮如何把熱量導出，同時還需要解決封裝材料的耐熱問題，材料不黃變，光衰減就沒有。而在應用端要做的，就是如何把熱導入到大自然環境中去，這里不燙就成了關鍵。三方面的設計人員都要做好自己應該做的事，這才是根本。針對不同的產品，解決方案一定不同。''據悉，目前瑞豐光電在封裝環節，已經能夠做