LED应用于照明领域的可靠性及成本分析[2]

　　a.热阻

　　热阻是指器件的有效温度与外部规定参考点温度之差除以器件中的稳态功率耗散所得的商。它是表示器件散热程度的最重要参数。目前散热较好的功率LED热阻≤10℃/W，国内报道最好的热阻≤5℃/W，国外可达热阻≤3℃/W，如做到这个水平可确保功率LED的寿命。

　　b.结温

　　结温是指LED器件中主要发热部分的半导体结的温度。它是体现LED器件在工作条件下，能否承受的温度值。为此美国SSL计划制定提高耐热性目标，如表1所示：

　　表1 美国SSL计划制定提高耐热性目标

　　从表中显示，芯片及荧光粉的耐热性还是很高的，目前已经达到芯片结温在150℃下，荧光粉在130℃下，基本对器件的寿命不会有什么影响。说明芯片荧光粉耐热性愈高，对散热的要求就愈低。

　　c.温升

　　温升有几种不同的温升，我们这里所讨论的是：管壳-环境温升。它是指LED器件管壳(LED灯具可测到的最热点)温度与环境(在灯具发光平面上，距灯具0.5米处)温度之差。它是一个可以直接测量到的温度值，并可直接体现LED器件外围散热程度，实践已证明，在环境温度为30℃时，如果测得LED管壳为60℃，其温升应为30℃，此时基本上可确保LED器件的寿命值，如温升过高，LED光源的维持率将会大幅度下降。

　　d.散热新问题

　　随着LED照明产品的发展，有二种新的技术：其一，为了增大单管的光通量，注入更大的电流密度，如下面所提，以致芯片产生更多的热量，需要散热。其二，封装新结构，随着LED光源功率的增大，需要多个功率LED芯片集合封装在一起，如COB结构、模块化灯具等，会产生更多的热量，需要更有效的散热结构及措施，这又给散热提出新课题，否则会极大地影响LED灯具的性能及寿命。

　　综上所述，一定要提高散热水平，但近期有人提出“随着LED光效提高，散热就不重要”，我认为这是不对的，因为LED灯具做得很好，其总能效也只是50%，还有很多电能要变成热。其次，LED大电流密度和模块化灯具等都会产生更多集中的余热，需要很好散热。为提高散热水平提出几点原则性意见：

　　其一，从LED芯片来说，要采取新结构、新工艺，提高LED芯片结温的耐热性，以及其他材料的耐热性，使得对散热条件要求降低。

　　其二，降低LED器件的热阻，采用封装新结构、新工艺，选用导热性、耐热性较好的新材料，包含金属之间粘合材料、荧光粉的混合胶等，使得热阻≤10℃/W或更低。

　　其三，降低升温，尽量采用导热性好的散热材料，在设计上要求有较好的通风孔道，使余热尽快散出去，要求升温应小于30℃。另外，提高模块化灯具的散热水平应提到日程上来。

　　其四，散热的办法很多，如采用热导管，当然很好，但要考虑成本因素，在设计时应考虑性价比问题。

　　此外，LED灯具的设计除了要提高灯具效率、配光要求、外形美观之外，要提高散热水平，采用导热好的材料，有报道称，散热体涂上某些纳米材料，其导热性能增加30%。另外，要有较好的机械性能和密封性，散热体还要防尘，要求LED灯具的温升应小30℃。

　　二、LED照明灯具的成本问题

　　LED光源是否能全面进入照明领域，其光源的成本是最关键的，从目前看，不同LED产品，比传统产品的成本差价还有5~10倍，而且由于主要技术指标还要进一步提高，不断提出采用新结构、新材料、新技术、新工艺，这无疑给LED成本带来新的压力。根据美国SSL计划提出的要求，2015年达到集成价格2美元/klm。从目前的成本价位，要求成本每年平均下降20%，基本上可以达到上述指标，这是非常艰巨的任务，下面从二个层面提出几点降低成本的方法，供大家讨论。

　　1.规模化生产及提高成品率

　　采用自动化设备进行大规模生产，可大幅度提高生产效率、节省费用、降低成本。另外，采用工艺措施和质保体系的管理办法来提高成品率，同样是降低成本的好办法。

　　2.技术创新降低成本

　　要降低成本重点要从技术上进行创新，采用新结构、新技术、新材料、新工艺，既可提高LED性能指标，又可有效地大幅度降低成本，这是努力的方向，以下介绍几个办法。

　　(1)外延芯片降低成本办法

　　从现阶段来看，LED芯片的成本占LED光源的比例是较高的，要重点从外延芯片上下功夫降低成本，介绍四个具体办法。

　　其一，增大外延片面积：外延生长的园片面积，从目前采用2寸及部分4寸已瞄准目标向6寸进军，虽然外延芯片面积增大，在技术上要克服片子的均匀性、龟裂、变形等出现的新问题，但降低成本非常显著。另外，生产MOCVD的厂家目前还正在研发8寸圆片的设备。

　　其二，改进外延生长：Veeco亚洲总裁王克扬介绍从MOCVD的良品、工艺、架构着手，具体对平均无故障间隔时间(MTBF)，平均清洁间隔时间(MTBC)、平均修复时间(MTTR)这三种时间进行改进，以及设备间匹配性和线上工艺控制，可提高产量，使外延片的成本从2009年的1美元/cm2降至2014年的0.2美元/cm2。

　　其三，增加电流密度：国外几个主要公司均在研发增加LED正向电流的电流密度，来提高单颗功率LED发光的光通量，以达到同样照度时而减少LED的数量，当然会牺牲部分光效，如果从目前正向电流350mA增到2A时，光通量可增加4~5倍，成本将大幅度下降。当然还要解决结温耐热性、封装材料耐热性及散热等新问题。

　　其四，降低开启电压VF：目前GaN开启电压VF的典型值为3.3V，国外正在研发降低VF值，如果达2.8V之内，当输入功率降低时可获得同样的光通量(光效)，即能效提高，节约成本。

　　(2)LED封装

　　改进LED封装工艺，采用新结构、新材料、新工艺，提高LED封装成品率，降低LED封装成本，是封装企业始终努力的目标。现另介绍一些降低封装成本的办法。

　　其一，封装材料与芯片分开，制作封装材料透镜、荧光粉薄膜等，与芯片隔开进行封装，此方法工艺简单、散热较好，产品性能的稳定性、均匀性较好，可提高封装器件的可靠性，而且封装的成本也较低，是器件封装的主要方向之一。

　　其二，采用COB 封装形式，即LED多芯片集成封装。有报道称，采用COB封装，可降低封装成本30%，但要解决好封装的出光效率和散热问题。

　　(3)LED灯具

　　LED灯具包含散热体的成本占LED照明产品的比例也是较高的，为降低灯具成本，可以从二方面考虑。

　　其一，灯具含散热体的设计合理，减少材料浪费。选用合适的材料，既有较好的机械性能和散热性能，又要合理的性价比。

　　其二，模块化灯具，即将LED芯片、驱动电源和散热体等封装在一起成模块单元，进行标准化生产。根据不同灯具要求，可采用模块单元组合装配。这种模块化装配方式可极大地降低制造成本。但要解决好能效和散热的新问题。

　　要使LED光源全面进入照明领域，目前急需解决的是LED照明灯具系统可靠性和降低成本的二大问题。通过上述分析，从LED灯具各组成的环节部分，即外延芯片、器件封装、驱动电源、散热、灯具等来看，必须分别进行可靠性设计、试验，各自达到可靠性指标，才能保障系统可靠性，使LED灯具寿命达3.5万小时。在降低成本方面，认真做好提高成品率、规模化生产的同时，重点在技术创新，特别在外延芯片、器件封装、灯具设计上要不断改进创新，使LED灯具成本能大幅度降低，并于2015年之前，实现LED照明灯具销售价在15元/klm之内。

　　编辑：Sophy