LED芯片的技术和应用设计知识

　　较于白炽灯、紧凑型荧光灯等传统光源，发光二极管（LED）具有发光效率高、寿命长、指向性高等诸多优势，日益受到业界青睐而被用于通用照明（General Lighting）市场。LED照明应用要加速普及，短期内仍有来自成本、技术、标准等层面的问题必须克服，技术方面，包括色温、显色性和效率提升等问题，仍有待进一步改善。而LED在通用照明市场的应用涉及多方面的要求，须从系统的角度去考虑，如LED光源、电源转换、驱动控制、散热和光学等。

　　薄膜芯片技术崭露锋芒

　　目前，LED芯片技术的发展关键在于基底材料和晶圆生长技术。基底材料除了传统的蓝宝石材料、硅（Si）、碳化硅（SiC）以外，氧化锌（ZnO）和氮化镓（GaN）等也是当前研究的焦点。无论是重点照明和整体照明的大功率芯片，还是用于装饰照明和一些简单辅助照明的小功率芯片，技术提升的关键均围绕如何研发出更高效率、更稳定的芯片。因此，提高LED芯片的效率成为提升LED照明整体技术指标的关键。在短短数年内，借助芯片结构、表面粗化、多量子阱结构设计等一系列技术的改进，LED在发光效率出现重大突破，LED芯片结构的发展如图1所示。相信随着该技术的不断成熟，LED量子效率将会得到进一步的提高，LED芯片的发光效率也会随之攀升。

　　图1　LED芯片结构的发展历程

　　薄膜芯片技术（Thinfilm）是生产超亮LED芯片的关键技术，可以减少侧向的出光损失，通过底部反射面可以使得超过97%的光从正面输出（图2），不仅大大提高LED发光效率，也简易透镜的设计。

　　图2　普通LED和薄技技术LED的正面出光率比较

　　高功率LED封装技术可区分为单颗芯片、多芯片整合及芯片板上封装三大类，以下将进行说明。

　　发光效率、散热、可靠性为单颗芯片封装优势

　　单颗芯片封装是封装技术中应用最多的，其主要的技术瓶颈在于芯片的良率、色温的控制及荧光粉的涂敷技术，而欧司朗光电半导体的Golden DRAGON Plus LED，采用硅胶封装，其封装外型及内部简要结构如图3所示。该LED具有170度的光束角，能理想地配合二次光学透镜或反光杯，其硅胶透镜有着耐高温及低衰减的特性。独特的封装设计进一步提升LED的散热性能，使产品的热阻控制在每瓦6.5℃左右，有助于降低热阻。另外，荧光粉的特定配制使LED的色温覆盖冷白、中性白和暖白范围。单芯片封装的优势在于光效高、易于散热、易配光及可靠性。

　　图3　欧司朗光电半导体Golden DRAGON Plus LED的封装外型及内部结构

　　多芯片整合封装于小体积内可达高光通量

　　多芯片整合组件是目前大功率LED组件最常见的另一种封装形式，可区分为小功率和大功率芯片整合组件两类，前者以六颗低功率芯片整合的1瓦大功率LED组件最典型，此类组件的优势在于成本较低，是目前不少大功率组件的主要制作途径。大功率芯片结合以OSTAR SMT系列为代表，其封装外型如图4所示，通过优化设计，可使最终产品的热阻控制在每瓦3.1℃，同时可以驱动高达15瓦的高功率。该封装的优势在于在很小的空间内达到很高的光通量。

　　图4　欧司朗光电半导体OSTAR SMT LED的封装外型

　　COB有效改进散热缺陷

　　COB技术沿用传统半导体技术，即直接将LED芯片固定在印刷电路板（PCB）上。利用该技术，目前已有厚度仅达0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接与PCB板接触，增加导热面积，散热问题得以改善。此封装形式多以小功率芯片为主。

提高散热效能延长灯具使用寿命

　　灯具的寿命一直是大家所关注的主要问题之一。建构良好的灯具散热系统，单靠选择热阻低的LED组件并不够，必须有效降低PN接面到环境的热阻，以尽可能降低LED的PN接面温度，提高LED灯具的寿命和实际光通量。与传统光源不同的是，PCB即是LED的供电载体，同时也是散热载体，因此，PCB和散热器的散热设计也尤为重要。此外，散热材料的材质、厚度、面积大小及散热接口的处理、连接方式等都是灯具厂商所要考虑的因素。

　　光学设计应妥善发挥LED标准

　　LED的方向性和点光源是不同于传统光源的最典型特征之一，如何利用LED此两大特性为灯具光学设计的关键。通过LED的二次光学设计，LED灯具可达到比较理想的配光曲线，如在室内的整体照明中，要求灯具的亮度高，可使用透过率较高的灯罩以提高出光效率；另外也有灯具中加入导光板技术，使LED点光源成为面光源，提高其均匀度而防止眩光发生；此外部分辅助照明、重点照明则需要一定的聚光效果以突显被照物，则可以选择配一些聚光透镜或反光杯来达到光学要求。

　　驱动设计须确保恒流输出量

　　LED对驱动电路的要求为保证恒流输出，因LED正向工作时，LED正向电压相对变化区域很小，为保证LED驱动电流的恒定也就是确保LED输出功率的恒定。另外，调光设计也是目前驱动电路的主流设计之一，此在一些情景照明中应用较多，根据不同环境调配不同亮度，充分达到节能效果。目前驱动器的主要设计方向围绕在提高电源功率因子、降低耗电量、提高控制精度及加快响应速度为主。除了驱动电源的设计之外，PCB布线及串并联方式也是设计考虑。

　　标准制定不可或缺

　　LED照明作为一个崭新的领域，需要产品标准、测量标准、控制与接口标准等的制定，加上目前市面上的LED照明产品良莠不齐，众多产品信息皆不够完整，容易误导消费者，同时还有来自包括有机发光二极管(OLED)等其他高效率光源和传统低价光源之竞争，LED照明产业急需一套完善的标准体系来维护和促进产业的健康可持续发展。目前美国的能源部(DOE)正在积极推动关于半导体照明的相关标准，中国大陆、台湾、韩国、日本等也都在积极展开LED标准的制定工作。

　　照明用大功率LED技术挑战重重

　　虽然LED在室内照明的重点照明和装饰照明获得发挥空间，但LED离真正的通用照明或者环境照明还存在诸多挑战，如初期成本、低色温的发光效率、显色指数及系统的可靠性等。

　　透过整体系统优化降低初期成本

　　就室内照明而言，尤其是家庭照明对成本相对比较敏感，虽然LED灯的款式不断增加，发光效率也越来越高，但价格昂贵的问题依然存在。此有待进一步调降LED光源价格，同时须要从整体系统的层面去优化设计，降低总成本。从紧凑型荧光灯在刚进入市场初期的15美元左右降低至目前的1.5美元以下，由此可知，随着市场不断发展，不久的将来，LED灯的价格也较为普罗大众接受。

　　摆脱荧光粉限制低色温发光效率

　　室内家庭照明往往会倾向于4，000K以下的偏低色温，暖白光让整个环境变得较为温馨放松；而冷白光会给人干净、高效及明快的感觉，适合于办公室的照明和室外的照明。而受到荧光粉的影响，LED低色温时的发光效率往往要比高色温时的光效低约30%。

　　混合红光LED兼顾光效和显色指数

　　LED的光效越高，其显色指数往往有些偏低，而室内照明要求能够客观显示物体的明暗度与色彩性，获得人眼直接观察外部景物的真实效果，因而通常需要较高的显色指数。此需要LED在发光效率提升的同时，进一步提高显色指数，但也可以通过在灯具层面混入一些红光LED来得到显示指数大于90的效果。

　　提高大电流驱动效率缩减LED成本

　　现阶段，1瓦的LED驱动电流可达350～1，000毫安，但通常在大电流驱动条件下，虽然光通量提高，但整体的效率下降比较明显，因而在整体成本和系统光效之间须找寻平衡，若能够提高LED在大电流驱动下的发光效率，则可保证在较高系统发光效率前提下，大幅缩减所需LED颗数，从而明显降低成本。

　　减小LED的封装尺寸有助于加大设计弹性

　　LED室内灯具的发展在节能环保健康的前提下，也会朝艺术化、迷你化和个性化的方向发展，因而缩小LED的封装尺寸可加大在灯具设计时的灵活性和创新空间。在某些须使用混光来提升显色性的场合，较小的封装尺寸会有利于混光透镜的设计和混光的效果。

　　关键组件提高系统寿命、可靠性缺一不可

　　对于LED在通用照明中的应用，须从系统的角度来提高整体效率、寿命和可靠性。传统照明产品的系统组成相对简单，而LED照明系统涉及多个组件（图5）。

　　图5　LED照明系统的组成部件（LED灯具＝ED+电源+驱动+散热+光学）

　　LED光源 光源紧凑高效，提供宽广范围的色彩和输出功率。

　　电源转换 将交流电、电池等电源高效转换至安全的低压恒流电源。

　　控制和驱动 采用电子电路对LED进行恒流驱动和控制。

　　热管理 为了实现更长的工作寿命，LED结点温度控制非常重要，须要分析散热。

　　光学组件 将光聚焦至需要之处，要求使用透镜、反光杯或导光材料。