1、LED 推广应用瓶颈的探讨引言LED 作为新型高效固体光源（SSL ）之一, 具有寿命长、节能、环保等显著优点 ,它是人类照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯问世以后的又一次飞跃。1尤其是 20 世纪 90 年代初，日本研究者中村修二成功研制出掺 Mg 的同质结 GaN 蓝光 LED，使得白光 LED 有了实用性强和行之有效的技术方案，半导体照明光源与固态照明领域也随之成为国内外光电子研究领域更引人注意的热点。随着材料生长和制作技术的迅猛发展， LED 的发光效率已取得了明显的提高，LED 器件也从早期的指示型 LED（恒流20mA）发展到功率型 LED（恒流 350mA）。随着 LED
2、性能的不断提高，又使其应用领域不断拓展，从最初的状态表征到目前的信号灯显示、路灯以及汽车照明等领域。虽然 LED 照明的应用领域在不断扩大，但在照明普及应用方面仍存在许多问题。本文将对 LED 推广应用中的瓶颈加以探讨，重点在发光效率、散热、驱动电路、非成像光学设计、成本和标准方面进行剖析。1 技术层面1.1 发光效率 目前单颗 LED 的光通量有待提高，其途径之一是在相同的功率条件下，提高其 LED 的发光效率。在最近几十年的研究当中，LED 光效的提高已经取得了令人瞩目的成就。实验室研制的 LED 达到了 150 lm/W 的发光效率，业界 1 年多前商品化量产规格的 LED 光效能达到
3、50 lm/w,最近又提升至了 70 lm/W，甚至有更高的报道。它达到的光效水平已能对传统光源形成有力的挑战。一般而言， LED 发光效率的提高主要是两个基本途径，亦即是提高其内量子效率和改善其外量子效率。内量子效率（Internal quantum efficiency）是每秒辐射复合产生的光子数与在有源区内每秒复合的电子空穴对总数之比，外量子效率（External quantum efficiency）是器件每秒发射的光子数和每秒通过 LED 的电子数目之比 2。提高内量子效率的关键在于改进晶体的外延工艺、减少晶体的错位等缺陷，通过优化量子阱阱宽等措施改善量子阱结构3, 从而进一步提高晶
4、体质量, 改善器件性能。对于提高外量子效率，未来将主要是从芯片技术角度出发，通过对芯片结构优化设计，如优化衬底剥离技术、表面粗化技术和采用光子晶体结构等，可同时提高芯片内外量子效率4。Philips Lumileds 公司基于目前技术条件和研发水平,在 2008 年提出各效率参数将在未来有如下的提高：表 15驱动电流达 2A 时的各效率参数列表1*1 mm2 LED If=2 A today Future 取光效率 EXE(%) 80 90 内量子效率 IQE(%) 45 90 外量子效率 EQE(%) 36 82 功率转换效率 PCE(%) 25 63 荧光粉转换效率 lm/Wopt 200
5、 240 发光效率 lm/W 50 150表中荧光粉转换效率在未来将达到 240lm/Optical Watt。对于冷白光 LED 而言，这是一个可以达到的数值水平，但对暖白光 LED(CCT 约在 3000C),此效率将会有 10到 20的减少。所以，对于更高效的 LED 荧光粉的研究对于 LED 光效的进一步提高将具有重要的意义。12 散热问题LED 工作时所加的 70 %电能，甚至更高比例的电能会转换成热量，而与传统的照明器件不同，白光LED 的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放，由于温度对 LED 材料的发光特性有极大的影响，LED 输出的总光通量随其自身温度的升高会
6、迅速降低，因此散热问题成为 LED 发展必须十分注意的重要因素。散热问题成为 LED 发展的瓶颈主要体现在两个方面。首先，对于 LED 芯片来讲，热效应将降低芯片的发光效率，进而降低 LED 发出的光通量。由于热量集中在尺寸很小的芯片内，一般芯片尺寸仅在 1mm 1mm2。15mm 2。15mm 范围内，而很多功率型 LED 的驱动电流达到 350 mA,甚至 1 A，这将会引起芯片内部热量聚集，结区温度升高，从而明显地降低芯片的出光率。热效应除了会导致芯片自身的发光效率降低之外，伴随着温升，还将导致芯片的发射波长漂移，从而使其和荧光粉的激发波长不匹配，降低了荧光粉的激射效率6 ，进一步地降低
7、了白光 LED 的发光效率，加速了荧光粉老化，严重影响器件的光学性能。其次，散热问题在 LED 器件的封装中占有十分重要的地位。在封装结构、封装材料方面，如何有效解决 LED 散热问题，尚存在许多亟待探讨的问题。针对传统 LED 采用的正装结构具有散热问题而产生的芯片倒装技术，受硅片机械强度与导热性能的限制，制约了其传热性能的进一步提高；将芯片封装在金属夹芯的 PCB 板上的结构及通过封装到散热片上来解决散热的方法，由于夹层中的 PCB 板是热的不良导体,从而阻碍了热量的传导。就封装材料而言，主要有粘结材料、荧光粉、灌封胶、散热基板等，粘结材料和散热基板是 LED 散热的关键。粘结材料对保证器
8、件的热导特性十分重要，如选用的导热胶导热特性较差，或选用的导电型银浆在提升亮度的同时发热过多, 且含铅等有毒金属，这些势必影响 LED 的性能; 基板材料可以选用陶瓷, Cu/W 板等合金作为散热材料7，最近，韩国首尔研究所报道有热阻为一般铝材几分之一的铝合金问世，但这些合金生产成本过高, 不利于大规模和低成本生产。LED 封装结构，封装材料和导热胶涂敷及 LED电极的焊接工艺都将影响芯片侧表面和上表面的散热能力，因此必须给予充分的重视和细致的考虑。LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉, 再以热对流的方式耗散掉，所以热管器件的散热技术在大功率 LED 照明装置上得到广泛
9、的采用。 LED 产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉, 再以热对流的方式耗散掉，所以采用新型的热管工质配方，使用高效超导传热元件-热管器件，不但传热效率高，结构紧凑，体积小，而且热管二端可自由收缩，热应力小，水蒸气与热源之间能双重阻隔，确保安全不渗漏和烟阻小，易于清灰减少能耗，从而使热管散热技术在大功率 LED 照明装置上得到广泛的采用。对于使用多个 LED 密集排列的白光照明系统 , 由于模块间互相影响, 热量的耗散问题更严重，对它的热量管理,除了芯片层面减少管芯热阻之外,还应采用高热导率的封装材料、设计更合理热沉、优化驱动电源等以降低封装后器件的热阻, 提高器件性能。1
10、.3 驱动电路一个完整的 LED 应用设计方案，其核心由三部分组成：驱动电路设计、二次光学设计和散热设计，其中 LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源。功率型 LED 通常采用直流工作, 工作电压仅为 3.5 伏左右 , 但工作电流较大,在驱动电路设计时，既要考虑白光 LED 的单管效率，也要考虑电路的整体转换效率、复杂程度和成本。毫无疑问，驱动电路的效率会影响灯具的总效率，但追求高的驱动电路的效率会受到成本的限制。如 LED 恒流开关电源、有很高的效率，可以实现升压效果，是目前最适宜的LED 驱动电路。但它的成本较高，阻碍了 LED 的推广应用。好的 LED 驱动电路设计不仅需
11、要满足特定的电学要求，而且应具有高效率和高可靠性，并且能在较高的温度下进行操作，现许多企业采用的驱动电路，受成本制约往往还无法满足这些要求，这样就给 LED 的有效寿命和可靠性带来很大的不利影响。适宜的LED 光源工作电路应是集驱动，保护和控制电路，以及辅助电源，传感器，无源元件为封装成一个独立整体相对完整的通用性元件。近期 LED 的最新研制报道，已有直接用 220 伏交流驱动的 LED 光源出现，我们期待它的产品化能早日实现。1.4 非成像光学设计由于 LED 芯片体积小，结构紧凑，其发光面积相对来说更小，它是一种 180 度角度出光的朗伯体光源，其光强分布与出光角的余弦成正比，亦即 LE
12、D 光源所发出的光线在被照表面上所形成的照度随出射角的增大而迅速衰减。显然这样的光源特性是很难满足照明用途的实际需求。因此根据不同的应用场合和需求，针对 LED 光源的特性进行二次光学设计，从而实现对 LED 芯片所发出的光进行整形和改变，尤其针对光强分布的情况。这样的二次光学设计过程实际上已属于非成像光学设计的范畴。8 与关心光源信息传输的成像光学系统设计比较，非成像光学系统设计关心的是光源能量的利用和光分布控制。由于非成像光学系统的结构简洁，能量利用率高，因此在 LED 的照明系统设计中引起人们广泛的关注，目前已形成 LED 科技界研究的热点，尤其是让 LED 照明系统在被照表面实现所要求
13、的光分布，非成像光学设计能起到关键的决定性作用，如現已有公司推出新型的 LED 路灯产品，它只要对每一单颗LED 的透明塑料前盖罩完成非成像光学设计，然后只要将这样的单颗 LED 安装到散热平面上，就能制成满足道路照明要求的 LED 路灯，而不需要再配置光学设计的反光镜。但尽管如此，设计满足三维给定光分布应用需求的非成像光学封装系统，仍然是当今 LED 光源进入照明市场更多地取代传统光源的技术瓶颈之一。从某种意义上说,这也是我国打破国外 LED 照明技术领域专利封锁的良好切入点。2 成本成本高是 LED 推广应用不可回避的问题 ,一次性投入较大及产品性价比问题是影响 LED 照明普及的重要原因
14、。产生 1000 流明的光通量，对于白炽灯来说，成本小于 1 美元，对于紧凑型荧光灯，成本小于 2 美元。而对于 LED 光源产生 1000 流明的光通量，使用十颗大功率 LED 的成本超过了 20 美元。LED 的成本问题是与 LED 技术层面瓶颈的解决是紧密相连的，关键技术瓶颈的突破无疑将会带来 LED 成本的大幅下降。我国 2009 年 LED 的 863 下达项目之一，其国家资助的研制费就高达 500 万元，它的要求是要研制完成产生 1000 流明的光通量 LED 光源，而其成本应为 40 元人民币。3 标准层面目前 LED 无论在产品规格或测量上均缺乏适当的标准。为了使各种不同形式及
15、应用的 LED 光源能有正确、可靠且具一致性的评估标准，制定相关的 LED 标准便成为 LED 产业迫切的需求。就产品标准而言，目前市场上的 LED 照明产品良莠不齐，产品信息许多都不够准确、不够完整，因此各项产品规范的建立相当重要，LED 相关产品的规格标准的制定已成为关注焦点；就量测标准而言，LED 的光电及热学特性不同于传统光源，使得 LED 的测量方法无法完全套用传统照明光源的量测技术。因此 CIE 在 1997 年提出了编号为 127 的技术文件Measurements of LEDs，也就是俗称的CIE-127。在 CIE-127 当中，CIE 提出了“平均 LED 光强度”(Av
16、erage LED Intensity)的概念作为量测 LED 光强度的一种参考方法，也对 LED 全光通量的量测方法提出了建议。然而随着 LED 技术的快速发展，CIE-127 所提出的量测方法已不足以解决现阶段 LED 量测的问题，尤其对于高功率 LED 而言9。因此，CIE 陆续成立数个技术委员会以解决 LED 量测的相关问题，其中以修订原有的 CIE-127 为目标的技术委员会已完成修订工作，并已于 2007 年以第二版的形式公布了 CIE-127：2007。在修订版中最大的改变，是提出了部份 LED 光通量 (Partial LED flux)的概念。虽然如此，CIE-127：200
17、7 仍然无法解决许多目前高功率 LED 所遇到的量测难题。如用于 LED 光强、光通量等重要光度参数测量的探测器, 一般是使用 Si 光电二极管。探测器的灵敏度 R（ ）无法与光谱视见函数 V（）在所有光谱点准确匹配，特别是现有探测器在蓝、红波段误差较大10。因此，用光电池探测器测量蓝（红）光 LED 的光通量时会产生很大误差。为了达到匹配，通常在探测器前需加一组滤光片,由于滤光片材料的限制, 要达到完全一致是很困难的。而且，LED 的温升也将严重影响 LED 的光输出性能，从而影响光参数的测量，LED 封装的多样性也决定了其空间光分布的复杂性和测量的难度。当今国际组织发布和正在审编的 LED
18、 标准或技术文件如下：国际电工委员会（IEC）在 2006 年公布 IEC/TS62504：2006 LED 及其模块的术语和定义，IEC 60838-2-2：2006 LED 及其模块的灯座标准，IEC61347-2-13：2006 LED 及其模块的驱动电路的标准，还在 2008 年有 IEC62031：2008 LED 模块的安全标准；IEC/TRF 62384：2008 LED 及其模块的驱动电路性能要求，IEC62560：2008 电源电压大于 50 伏的自镇流照明用 LED 光源的安全标准。 国际照明委员会 （CIE）在 2007 年公布的技术报告： CIE 127-2007 LE
19、D 的测试，CIE177-2007 白色 LED 的显色指数测试，还有其所属的技术委员会（TC）的标准化研究文件 TC2-46LED 光强测试，TC2-50 LED 列阵的光学特性测试，TC2-58LED 的辐射度和亮度的测试， TC2-63 高功率 LED 的光学测试，TC2-64 LED 的快速测试方法，R4-22LED 作为讯号光源应用的要求，TC6-47 照明光源的光生物学的安全要求，TC6-55 LED 的光生物学的安全要求 。其它国外的相关标准：美国能源部（ DOE）能源之星项目中固体光源的灯具要求， ASSIST 照明用 LED 寿命的定义和测试， 北美照明学会（IESNA）IE
20、S LM-79-08 固体光源产品的光电特性的测试方法和标准，IES LM-80-08 固体光源光维持率的测试方法，美国ANSI-NEMA-ANSLG C78.377-2008，固体光源的色特性的标准和要求。我国根据国外的研究动态现有 26 个 LED 相关标准在报批之中，如普通照明用 LED 模块测试方法，普通照明用 LED 模块的安全要求，半导体照明术语和定义，普通照明用电压大于 50 伏自镇流 LED 性能和安全要求，装饰照明用 LED 灯，以及 LED 用荧光粉和蓝宝石底片的要求等等。4 我国 LED 产业发展面临的瓶颈LED 产业链主要包括外延片生长和芯片制造的上游产业、LED 器件
21、和 LED 封装的中游产业以及 LED应用的下游产业。美国、日本、欧盟在 LED 研发领域已申请了许多材料生长、管芯制作、封装等相关核心技术专利，我国台湾地区及韩国部分光电企业经过发展也拥有了若干自主知识产权, 并已占有相当的市场分额。就我国具体情况而言，在 LED 产业链中面临的最大瓶颈是大部分企业和研发单位集中在封装和应用的产业链下游，上游产业力量弱小，整个产业缺乏核心竞争力。根据最新统计数据，目前我国从事LED 的企业已达到 2400 多家。但令人遗憾的是，应用产品和配套企业占了绝大多数，有 1700 多家;其次是封装企业，约有 600 家;最少的是从事外延生长、芯片制造的企业，研究单位
22、和生产企业总共只有40 多家11。尽管我国的 LED 外延芯片生产近年来也有很大发展和进步，但总体仍一直停留在中低档水平，我国高光效、高可靠性的 LED 应用产品所用的高档外延芯片几乎全部依赖于进口，高光效的功率型芯片目前尚无国内厂家能够提供。5 总结只有在全面了解 LED 推广应用的诸多瓶颈的基础上，我们才能更加明确 LED 产业和研发领域未来可寻的发展方向。针对本文提出的 LED 进一步发展所面临的问题，LED 要想取代白炽灯等传统光源进入普通照明市场,我们感到有以下可行的思路12：(1) LED 上、中游行业要学习和了解传统光源的特点和要求，让半导体工业和照明工业真正融合在一起，从而对照
23、明用 LED 的各项性能的改进和提高作出主要贡献，其中以光效和寿命的提高为关键，除了在实验室层面可达到高光效和长寿命外，市场上商用的 LED也应达到更高的发光效率和寿命; (2) 采用更先进的工艺方法、封装结构和封装材料以解决散热问题, 但必须同时解决这些新工艺、新材料带来的其它问题，特别是性价比的问题;（3 ）电子学科技人员应研制出更高效和可靠的驱动电路，并让所用的驱动电路装置要有统一标准和可互换性，给用户带来使用和维修的简便，这样才能达到推广应用的目的；（4）尽快完成和成熟 LED 照明所需的二次光学非成像设计的机算机软件和使用的相关材料，使 LED 照明产品设计的成本降低并得到简化，要如 PC 计算机的 Windos 软件操作那么便利，从而使 LED 达到室内外照明工程的有关的要求更容易地实现；(5)LED 产品标准和测量标准的进一步确立和完善，尤其是光生物学安全的要求和眼睛的保护，必须引起我们充份的关注和重视，从而为 LED 在更广阔领域的应用奠定基础。
