LED照明技术研发壁垒探讨[1]

　　引言

　　LED 光源具有体积小、抗震动、直流低压、安全、 易调光控制、光效高、色彩丰富、寿命长、环保等优点， 是照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后 光源研发的一次重大飞跃。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，以及稀土黄色荧光粉的突破，为白光 LED 光源真正进入普通照明应用奠定了基础，引起 了国内外光电子和照明产业界更广泛的关注。

　　随着外延生长和芯片制造技术的迅猛发展，LED 的发光效率得到了大幅提高，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，700mA 或更高) 。但LED 光源要全面取代传 统照明光源仍存在许多问题。据统计，2010 年LED 照明产品占全国照明市场比重很少，产值仅占 3. 2%。本文试对LED 光源研发中的壁垒加以探讨， 从发光效率、散热、驱动电路、非成像光学设计、成本 和标准方面进行剖析，以求与同仁们讨论和获得 指正。

　　1 技术壁垒
　　1. 1 发光效率

　　众所周知，单颗LED 的光通量有限，其解决途径 之一是提高其发光效率。一般而言，提高LED 发光 效率的途径主要是改进其内量子效率和外量子效率。 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。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，从而进一步提高 芯片质量和改善器件性能。提高外量子效率，主要是 从芯片技术角度出发，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，这些技术措施同时也 能提高芯片内量子效率。

　　目前LED 光效的提高已获令人瞩目的成就。实 验室研制的LED 光效达到了230 lm /W，商品化量产 和市场销售的LED 光效已能达到85 lm /W 甚至更 高。LED 的光效提高趋势是传统光源望尘莫及的。 Philips Lumileds 公司基于目前技术条件和研发水平， 在2008 年提出未来LED 驱动电流达2A 时的相关效 率情况。如表1 所示。

　　表1 中显示荧光粉转换效率在未来将达到240 lm /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 3 000K) ，此效率将会有10% ～ 20% 的减少。所以， 通过研究更优质的LED 荧光粉来提高LED 的光效， 将具有重要的意义。

　　1. 2 散热问题

　　供给LED 工作的电能70% 以上会转换成热量， 与传统光源不同，白光LED 的发光光谱中几乎不包 含红外部分，所以其热量不能依靠红外辐射释放。由 于热量集中在微小的芯片内( 一般芯片尺寸在1mm × 1mm ～ 2. 15mm × 2. 15mm 范围内) ，功率型LED 的 驱动电流一般为350mA，甚至已达1A，这将引起芯片 内部热量聚集，结区温度升高，从而明显降低芯片的 出光率。如结点温度上升10℃，光效和寿命均会下 降一半以上; 还将导致芯片的发射波长漂移，使其与 荧光粉的激发波长不匹配，降低荧光粉的激射效率， 进一步地降低白光LED 的发光效率，也会加速荧光 粉老化，严重影响器件的光学性能。因此散热问题成 为LED 光源推广应用中须十分注意解决的方面。

　　LED 的散热性能很大程度上取决于器件的封装 结构和封装材料。针对传统LED 采用的正装结构， 为增强散热产生了芯片倒装技术。同时受硅片材料 机械强度与导热性能的限制，LED 传热性能的进一 步提高需要新材料相匹配; 如采用芯片封装在金属夹 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， 也会阻碍热量传导。

　　就封装工艺应用的粘结材料、荧光粉、灌封胶、散 热基板等材料而言，粘结材料和散热基板是LED 散 热的关键。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，则势必影响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。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、导热胶涂敷 及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 以采用新型的热管工质配方，使用高效传热的热管器 件，不但散热效率高、结构紧凑、体积小，而且热管两 端可自由收缩，热应力小，水蒸汽与热源之间能双重 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 得到广泛采用。

　　对于使用多个LED 且其密集排列的白光照明系 统，由于模块间互相影响，热量的管理问题更加重要， 除了芯片层面减少管芯热阻外，还应采用高热导率的 封装材料、设计更合理的热沉、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. 3 驱动电路

　　在一个完整的LED 应用设计方案中，驱动电路 的设计是核心技术之一。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. 5V 左右，但工作电流较大， 在设计驱动电路时，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，驱动电路效率会影响灯具的总效率，但追求 高的驱动电路效率会受成本的限制。如LED 恒流开 关电源有很高的效率，是目前最适宜的LED 驱动电 路，但它的成本较高，阻碍了其推广应用。优质的 LED 驱动电路设计不仅需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 下工作，但这些要求的实现往往受成本所制约。适宜 的LED 光源工作电路应是将驱动、保护和控制电路， 以及辅助电源传感器、无源元件封装成一个独立整体 的通用性元件。

　　近期韩国首尔研究所宣布研制出直接用220V交流驱动的LED 光源，但它的光效有缺陷，我们期待它新的进步和发展。

　　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，是一种180°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LED 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 用途的实际需求的，因此需要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，尤其针对光 强分布情况。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。

　　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 照明系统设计中引起人们广泛 的关注，它对LED 照明系统在被照表面实现所要求 的光分布能起到决定性的作用。如今已有公司推出 新型的LED 路灯产品，它将采用非成像光学概念设 计的透明塑料盖罩放在每一单颗LED 前，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，而不需要再配置具有光学设计的反光镜。当然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关键技术 之一，这也是促进LED 照明技术推广应用的良好切 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。要产生1 000 lm 的光通量，白炽灯的成 本小于5 元人民币; 紧凑型荧光灯的成本小于10 元 人民币; 而对于LED 光源，需要使用十颗大功率 LED，成本超过100 元人民币。LED 的成本问题是与 LED 技术瓶颈的解决紧密相连的，关键技术瓶颈的 突破无疑将会带来LED 成本的大幅下降。2009 年， 我国某资助高达500 万元的LED 863 项目，就是要求 研制完成产生1 000 lm 光通量的LED 光源，而其成 本应为40 元人民币。