台湾LED照明技术动态分析

台湾LED照明技术动态分析

美国能源署(DOE) 于2010年3月在Multi-Year Program Plan中推测2010年1千流明冷白光源价格将落在13美元，至2012年预估降至6美元，2015年预估降至2美元，届时价格可媲美高强度气体放电灯(HID)，甚至低于节能灯(Compact Fluorescent Lamp)。目前5W LED灯泡制造成本约为12~14美元，价格仍偏高，至2012年可降至7~9美元左右，预计有10%的渗透率，2015年预估降至7美元以下，预计会有50%的渗透率，届时也将是LED照明的成熟时期。DOE同时推估2010年LED业界的冷白发光效率为134lm/W，但因灯具的出光、电路、散热效率三者相乘后效率只有64%，LED灯具将只剩86lm/W。因此透过技术提升灯具的光电热效率以及LED发光效率和散热能力是台湾LED照明业者目前积极发展的。

(Source: US DOE SSL R&D, Multi-Year Program Plan, March 2010, table 4.4 & 4.5)

　　1. LED封装

　　(1)高功率LED发光芯片

　　在照明级高功率LED发光芯片的开发方面，台湾上游芯片厂在2010年已陆续从原有侧光的蓝宝石基板水平电极芯片，迈入金属或其他不透光导电基板的垂直电极芯片，并透过制程增加萃光效率使出光效率提升。垂直电极芯片由于几乎都由正面出光，在照明用LED封装设计时可简化结构设计就达到良好出光效果，并兼具较佳的散热、电流分布及低驱动电压。由于专利设计回避的关系，目前也有厂商研发水平电极但是不透光基板的芯片，以期达到同样的效果。除了发光芯片，目前各家也积极开发白光芯片POC(Phosphor On Chip)技术，在芯片等级就完成波长转换使芯片本身就是白光且是点光源，使封装在设计和表现方面都比传统点胶的白光LED具有优势。但目前仍有制造的良率问题待克服。

　　(2)高功率LED散热基板

　　台湾下游LED散热基板市场在2010年有多家厂商加入，以被动组件厂居多。高功率LED的封装散热基板除了传统的金属支架搭配塑料射出外，目前陶瓷基板也开始被广泛使用。相较于金属支架搭配塑料射出，陶瓷基板具有材料特性安定和长时间信赖性的特点，高功率操作更凸显其优势。早期的陶瓷基板需高温共烧且厚模印刷，在制造成本、良率和产品性价比方面都不具优势。目前的陶瓷基板采用黄光微影薄膜制程之直接镀铜基板DPC(Direct Plating Copper)，具有低制造温度与成本、高线路分辨率与对位精度以及较佳的尺寸安定性和散热效果等特点，可说是目前最适合高功率且小尺寸LED发展的散热基板。虽然目前价格上仍高出金属支架数倍，但在各家竞相投入的态势下，降价的速度也会加快脚步。

　　(3)AC LED

　　自AC LED应用研发联盟于2008年10月成立以来，已逐渐整合产业界资源和加速AC LED产业化，也成功推动AC LED标准加入CIE国际标准化组织，将AC LED量测纳入TC2-63之标准草案内容中，将AC LED标准国际化。AC LED是一种可以直接被交流电(110V/220V)所驱动，而不需外接变压器或整流器的LED，可有效降低电路成本并减少15%~30%的电源转换损失，高电压低电流也减少电路传输损失。AC LED的制作利用晶圆制造技术，在单一晶粒上分割成多颗电性独立的微晶粒，再将微晶粒互相串接形成回路，在晶粒面积、微晶粒数量与回路方式方面均透过设计与分析，以符合实际的需求。从灯具的应用角度而言，AC LED不需复杂的电子组件及电路设计，光源较具弹性的设计空间。从LED的角度来看，AC LED不仅可兼容DC LED的晶粒制程技术易于大量生产，其双向导通的模式也可避免ESD问题，但目前其亮度仍不及DC LED, 且光源在供电不稳定下的闪烁问题也待克服。目前AC LED的封装在第三季度可上看80lm/W，在3W～10W的照明应用方面和DC LED相比具有性价比优势。

　　(4)HV LED(High-Voltage-LED)

　　和AC LED相比，HV LED是为弥补单颗DC LED仅能低压驱动及AC LED发光效率较DC LED低的缺憾所衍生的解决方案，其利用半导体制程串联数十颗微晶粒而成。将HV LED加上整流电路即与AC LED的功能相同，且恒时发光提供了更高的发光效率，同时也能够应用在高压DC驱动的照明市场。目前HV LED的效率已高于AC LED 20%，未来可望缩小冷白光和暖白光的距离，目标在2015年达到150lm/W。

　(5)COB(Chip-on-Board)

　　相较于一般POB(Package-on-Board)封装，台湾厂商在COB领域也不断推出新技术。COB是将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB，具有减少热阻的散热优势，且具有高封装密度和高出光密度的特性，在高功率LED薄型化低成本的封装需求下具有成本、应用便利性与设计多样化等优势，目前在LED灯泡方面已被广泛采用取代传统多颗LED芯片封装，将RGB芯片封装在一起也可具有较佳混光均匀性。因陶瓷基板在灯泡锁螺丝时易破裂，目前COB采用的基板多已进展到MCPCB，且MCPCB的介电层散热表现不断进步，可望成为市场主流。

　　但目前COB在降低一次光学透镜的多次折射造成的出光损失和热能增加方面仍待改善，且基板的制作良率也有待提升，这些都是目前业界亟欲解决的课题。

　　(6)WLP(Wafer-level-packaging)

　　相较于金属支架和陶瓷基板，利用半导体硅基板做LED散热基板也是台湾厂商近年另一个研发方向。以硅晶圆做封装载板在制程时会有封装密集度高的成本优势，在散热和可靠度方面也具有一定的水平。未来可朝向真正的晶圆级封装发展，用半导体制程取代固晶打线，并将多种不同功能的晶粒整合在晶圆上，成为SoC(System on Chip) LED。

　　2.LED灯具

　　(1)光源设计

　　在灯具的光源设计方面，台湾厂商逐渐导入COB(Chip-on-board)做灯具光源选项之一，因为其具有光源集中特性，可简化灯具机构光学设计并改善用多颗LED芯片做光源时容易因多点高指向性导致均匀性不佳而产生的鬼影现象。传统的COB在荧光粉的封装与一般单颗封装类似是采用封装体点胶的方式，目前已有用荧光粉molding的产品推出，好处是没有封装体挡光且颜色空间均匀性较佳。此外COB还有散热佳的特性，初期在10W以上的灯具上应用居多，目前在10W以下的灯具如灯泡、灯上也逐步采用COB封装做光源。

　　在灯具端做远离式荧光粉涂布封装是另一个台湾厂商研发的方向。当荧光粉离芯片愈远时其受到芯片接口温度的影响愈低，转换效率受到抑制的影响也愈低。另外在最外层的灯壳或灯罩做荧光粉涂布也可减少在灯具内部因多次反射造成的出光损失，目前灯和灯泡也已逐渐导入远离式涂布技术，在灯泡的应用上更可具有大角度的优势。

　　应用于灯管的高反射率的灯罩也是目前开发的方向。传统的灯罩反射率为60%~70%，许多出光损耗在多次反射中。目前已有利用光学薄膜提高反射率的技术和材料在研发中，预期可提升灯罩反射率至95%以上，总出光效率和照度会随之提升，进而减少灯管数量达到节能减碳的效果。

　　(2)散热设计

　　散热问题关系LED产品的寿命，尤其灯具的设计必须兼顾光学需求与散热能力，目前散热基板及鳍片是应用最广泛的散热方式。为了符合绿色环保趋势，台湾厂商积极开发散热基板中的导热介电绝缘层材料，高耐热无卤铜箔基板是业者努力的目标，并朝向无卤无磷的方向迈进。

　　目前多家灯具厂设计的LED灯具，皆采用模块化的设计概念，并同时考虑光学与散热结构。一般业界常以热流仿真软件设计散热鳍片的几何外形，并搭配造型，藉由良好设计的散热结构，强化模块的散热能力，以快速逸散高功率LED所产生的大量热源，将LED保持在稳定的操作温度，则可达到更长的使用寿命与更高的光电转换效率。

　　由于内部空间的限制，大部分灯具都无法加装风扇做强制冷却，所以在散热片表面喷涂散热涂料也成为台湾业者研发的方向。加上散热涂料后可大幅提升表面热辐射率，目前已可使LED接口温度降低5℃以上，耐久性也在持续改善中。

目前的LED产品在照明市场的渗透率仍待提升，其关键原因在于LED照明价格较高、产业标准未定以及光形、寿命、可靠度等问题尚待解决，并尚需制定检测机制与体系，确保LED产品的质量及规范，以建立良性的市场竞争环境。台湾目前为顺应全球LED产业的情势变化，各厂商皆集中资源致力于自有技术的开发，并透过两岸合作的机制，不断提升发光效率改善封装散热技术，以及改良量产技术使价格更趋于低廉，共建产业链与制定产业标准。当LED光源的发光效率可以超过200lm/W时，具有节能、长寿命、免维护、环保等优点的LED照明产品即可满足大部分的照明需求，未来完全取代传统照明指日可待。