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解析LED通用照明面临的四大挑战

2010-08-11 14:59
蓝林笑生
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        当前,LED最具潜力的市场无疑当属平板液晶电视、笔记本电脑和笔记本显示器中的大尺寸LCD背光,但毫无疑问,通用照明才是LED的最终发展目标。目前,在LED通用照明 市场还未真正启动之前,LED球泡替换灯将成为照明市场最主要的增长领域。然而,市场上大量出现的LED球泡灯,等同于真正意义上的固态照明(SSL)吗?LED是否真的为通用照明做好了准备?    

        LED通用照明首先面临四大挑战

  美国能源部曾表示:固态照明是50年来照明领域最具破坏性的创新技术。有不少业内人士对此表示认同,并认为LED是颠覆性产品,是要革它原来产品命的。但事实上,LED进入通用照明市场,依然面临四大挑战,它们分别是:光品质、光效表现、可靠性以及简单化。

  飞利浦亚洲地区营销总监周学军对此解释道:LED的光品质与传统照明相比仍有差距;光效表现还有部分应用无法覆盖;由于LED照明可靠性由芯片、电、光、热、机械、互联部分等多个因素决定,因此无法保持足够的光输出流明维持寿命;由于缺乏统一标准,现在市场上的LED照明产品五花八门,复杂性也阻碍了其短期内很难被更多受众接受。''那么,目前市场上有哪些提升LED光品质和光效的方案?

        光品质

        通常我们谈到的光品质主要指光分布、光角度与阴影,以及演色性。这里,周学军特别强调设计人员要注意:不同LED 颗粒间的光色是否一致?随着时间推移不同颗粒的变化是否一致?一颗LED在不同角度是否存在色差?显色指数表现如何?

  LED的整个封装工艺流程包括两个重要步骤:利用金线对芯片和管脚进行键合,以及进行荧光粉涂布。这两个步骤都会对LED造成色差,特别是金线会挡住光路,如果操作不当可能会对芯片造成隐性裂痕,从而形成芯片断裂隐患。为了解决这些问题,Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC(薄膜倒装芯片技术)和独有的Lumiramic荧光技术。

  据周学军介绍,TFFC技术的电极在电路板后面,表面无纵横布线,因此物理结构更好。而Lumiramic荧光技术利用陶瓷荧光板代替荧光粉直接粘结到芯片上,使得表面完全平整,不会有凹凸和不均匀,因此从根本上避免了传统封装法因不均匀的荧光粉涂布而导致的大多数LED在偏离中心视轴的角度显示出颜色的不一致。此外,采用Lumiramic技术还可以将白光分bin(分档)的范围缩小至原来的1/4,周学军补充道。

  目前,对于照明行业特别是照明设计来说,最头疼的问题莫过于分bin。对于一些有经验的LED制造商来说,通常的做法是在所有档中使用白光LED的整个输出范围。然而,在特定CCT(相关颜色温度)下,根本无法低成本生产出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于蓝光LED芯片的波长和荧光粉的涂布工艺。因此,制造商可能会混合使用多个分bin的LED,但是这样一来,产品的应用范围受到限制,既增加了生产工艺的复杂性,又产生了更多存货。Cree公司对此的解决方案是EasyWhite bin,该方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封装发,由Cree挑选四颗不同特性的白光LED芯片(上覆有荧光粉)并封装好,混合后的白光输出能达到预期色温,而且远小于ANSI规定的标准范围。

  光效表现

        就像半导体行业的摩尔定律一样,LED行业也有一个Haitz定律,即LED亮度大约每18-24个月提升一倍,而在今后10年内,预计亮度可以再提升20倍,成本则将降至现有的1/10.今天,市场上1美金大约可以买到100-150流明,美国能源部预计2020年这个数字将达到1000流明。

  LED发光效率如何提高?

        首先来看封装。目前,市面上LED光源最为常见的是直插式和贴片式。深圳市长光半导体照明科技有限公司技术副总监朱啸天则认为,这两种封装方式的散热出口截面积较小,而且一次出光口通道狭窄,利用率相对不高。根据LED的出光特点,长光半导体设计了扁平化的一次光学通道,形成了平面光源阵列式芯片,可以最小化光学损失。对此,朱啸天解释道:“像SMD的3528或505光源,使用玻璃纤维或塑料做基板,底部没有跟任何金属连接。平面光源阵列式芯片则采用了基于多芯片集成COB直接封装技术,光源使用的铝基板可以将更多热量通过直连散热散发出去。”据悉,目前该公司拥有完全自主知识产权的LED面光源技术光效已达130lm/w,整灯光效已大于100lm/w.

  除了封装,芯片结构、正向电压等因素也十分关键。正向电压如果能被控制在一个非常小的范围内,就可以获得很好的光效。在这部分,还要特别注意如何解决droop现象。众所周知,电流密度的增加会使LED(主要指蓝色、绿色等将InGaN作为发光层的LED)发出更多的光,但与此同时光效也会随之下降。当前,芯片设计公司正在努力寻求解决方法,尽可能使光效与电流增加呈正比。也就是说,在一平方毫米面积上,以光效无损为前提得到更多光,而不是靠提高die尺寸。当然,冷热系数(LED在100°C结温和25°C结温时的灯光输出比值)的提升也有助于简化散热系统设计,从而降低最终应用中的每流明成本。

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