如何做好LED照明系统创新设计

　因为led照明所追求的并不完全在于技术本身，照明本身的功能也并不全然是为须要照亮而亮，当然创新包括在光机电热技术的整合突破，另外亦须兼顾消费者在视觉、触觉等感官的价值。LED的应用范围极为广泛，现就针对照明应用系统创新设计的相关问题及开发的方向一一探讨。

　　不同照明应用的LED性能要求迥异

　　为扩大LED光源市场接受度，其须达到功能性要求的必要性，并不是每种LED照明光源都必须追求最高发光效率、最低价格、最高演色性、最长寿命等，而是依据应用不同而有所差异，现以室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场为例谈起。

　　对于LED光源首要追求的是达到最佳的性价比，在安全保证的情况下，得到最高的流明输出、最小的消耗电能及最低的价格。因为对于消费者大众而言，比较传统其他光源，花最少钱能买到最具经济效益的产品是购买的主要动力之一。至于是否达成无紫外线、不含汞、高演色性、5万小时寿命等营销的附加价值并非扩大市场接受度的主因。当然品牌代表某种程度的质量信赖，此外视觉感官对于颜色喜好也会有所影响，因此如何创新设计适合市场需求的LED光源，将是技术面要探讨的课题。

　　LED光源的发光效率发展至今，已超越绝大部分传统光源(图1、2)，唯独少部分低压或高压放电光源的效率可以一较高下，但就电源控制和驱动上，体积与温度又各自有其优缺点，以下将就LED照明系统设计的每一环节说明。

 
图1　1995～2020年LED发光效率演进

 
图2　LED照明利基市场

　创新制程/AC LED实现高效能芯片

　　市场上的LED磊芯片，无论是Cree的垂直组件、飞利浦(Philips)Lumileds的覆晶组件或日亚(Nichia)、晶元光电等平面式的组件，为求优化芯片本身的效能，不外乎利用不同的基材(透光、导热考虑)搭配光学反射层的效率(反射出光)；上/下粗化结构(改变反射、折射增加出光)；线路光罩设计(增加出光面积改善电流分布密度，以降低驱动电压增加出光效率)；芯片尺寸优化的调整；再加上磊晶制程参数变异调整等来达到芯片最高的光电转换效率，在每一制程中钻研材料和制程所能提供增加转换效率的方法。

　　至于哪种结构是最佳的创新设计？就发光效率而言，或许垂直组件较优；但就室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场的制造成本而言，台湾目前平面式芯片则在性价比上远优于国外大厂。另外，在芯片端的应用结构设计创新，除了由制程改善去创新整体芯片效益外；交流电(AC)LED的诞生，使LED照明应用不仅有直流芯片串并联的选择，而能有交流市电直接驱动，因此可减少变压器的成本、产品内部空间、驱动电路规格迥异、变压器效率损耗及质量寿命等问题，大大简化模块及产品设计端的问题。然而目前在市场消费端面临的创新所衍生的其他问题也随之而来，其一为产生因创新导致消费者出现陌生的疑虑，而在消费行为上迟疑胆怯，此消费群未必是终端消费大众，而是LED照明产品供应链中的中下游购买者，其会对产品因陌生而迟疑、对交流电性的不了解或对产品风险的不确定性，而不敢创新产品的开发；其二是创新令消费大众观望，但却令消费族群中的尝鲜族雀跃。然而前两者问题可在LED中下游供应链中透过创新设计及严谨的测试手段厘清疑虑，进而创造产品市场区隔和竞争优势。

　　创新封装设计需求日益殷切

　　封装设计以早期的灯源型态到塑料无接脚芯片承载封装(PLCC)侧面(Side View)或上面(Top View)型态，均以单晶或多芯片封装型式存在，驱动电流在120毫安以下居多，早期以3C消费性电子产品如手机屏幕背光、数字相框背光、笔记本电脑屏幕背光等，但进入到一般照明后，仍有众多厂商以小瓦数PLCC封装组件作为光源，再结合多颗光源实现灯具产品的光源模块(图3)，在LED光源封装并未应用到创新的设计。

 
图3　多颗LED光源组合的照明模块

创新投射/泛光型封装须面面俱到 

　　对于泛光型灯泡或聚光型光源，如E27型的球泡灯、PAR灯、AR111、MR灯、镶入崁入式筒灯、轨道头射等光源产品而言，会在LED封装光源上趋向于单点高流明输出(投射型)(图4)/多点组合输出(泛光型)(图5)、高演色性(CRI>80)、低热阻系数(<3k/W)、光色温的均匀度、增温下的色温偏移、长寿命/高可靠度等，如何从封装(图6)角度创新达到市场需求，可分别说明如下：

 
图4　单点高流明输出 

 
图5　多点组合输出

 
图6　晶圆级(Wafer LevEL)硅芯片封装

在实行创新前，要先清楚产品最终的目标，达到满足预期市场上对LED封装光源规格趋势。

　　首先，须选定最适当的芯片，了解芯片结构、芯片光电特性与芯片性价比，再来设计最佳的封装结构。目前高功率45密耳(mil)以上芯片封装，在350毫安电流驱动下，可以达到每瓦150至160流明，今日台湾芯片在各国其他大厂的竞争下，更可做出绝对优于国外厂家的每美元160流明的规格。 

　　其次，固晶上必须选用最佳芯片贴着(Die Attachement)材料及制程技术，用高导热硅胶、银胶(>15W/mk)甚至以助焊剂(Soldering Flux)焊锡(Cu-Sn-Au)，将芯片焊接在金属基板，更或者以共金(Eutectic Bonding)制程将芯片熔接于硅芯片上。这些固晶制程的选用，都在于降低芯片节点温度，提高在相同电流下的电光转换效率和增加光效能，降低材料老化造成日后光衰的比例，以及提升固晶接着的可靠度。 此外，封装单体载板(Substrate)的选用设计，过去以低功率的支架(Leadframe)为主，渐渐走入高功率的金属支架(Metal Slug)，在进入低温共烧(LTCC)陶瓷(Ceramic)、高温共烧(HTCC)陶瓷、芯片直接固定在各式金属基板(Chip on Metal Board)，再到芯片固定在8吋硅芯片上，随着功率不断增加、光型的要求、单位面积内的热密度(Thermal Density)提高，对于封装芯片载板设计的选用，必须去创新开发更能加速热传导、更能萃取光输出、更能减低材料变异而产生老化衰减的材料。在结构设计上要因选用芯片的不同而有所改变，如此才能达到封装整体效能的优化，并不是购买一般支架或公板陶瓷放入最大转换功率(Power Flux)的芯片，即可封装出最佳光效能组件。

　　另外，在现今LED照明应用，虽有各种颜色的装饰应用，但最主要还是以白光为主，然而产生白光的方式不外乎红绿蓝光混光、紫外线激发红绿蓝荧光粉，或最为普遍的蓝光加黄色为主的荧光粉。但谈到创新，在此特别针对三个方向略述，其一为高演色性(CRI)，CRI大于80甚至于大于90，必须在荧光粉材料做创新开发。对于封装研发而言，必须进行各波段荧光粉与接近610～630奈米红色荧光粉，更甚至到655奈米红色荧光粉进行在不同封装结构下，及蓝光波段搭配的实验比对，找到无论光输出效率、演色性或色温的最佳组合，再加上封装胶材、点胶方式的不同及荧光粉沉淀与否，或多或少增加封装难以控制的变量。其二，封胶和荧光粉涂布制程上的创新，从针筒点胶(Dispensing)到模具充填(Molding)、印刷填胶(Printing)、高精密度的喷胶充填(Conformal Coating and Inject Printing)等创新制程，提升产能、良率、出光效率，也改善出光的均匀性。此外，更具创新与商品化的是所谓的Remote Phosphor制程，其将荧光粉抽离芯片表面，在一定距离外，以不同的方式将荧光粉附着在透光结构体上。飞利浦更将此创新技术应用在灯泡类产品，其光效成果与研究机构、学术单位过去发表的学术实验结果或理论相去不远，确实可达每瓦100流明以上、CRI>80的效能。 最后，在照明封装组件创新过程尚须注意演色性与出光效率(图7)。

 
图7　LED演色性与发光效率变化图

　降低结点温度提高演色性

　　实际照明使用上是没有人去看Tj=25℃下的瞬间流明效率，封装的研发创新过程中，更要去注意温度与光输出的变异，而此变异也会明显影响实际使用情况下的色温差异及些微的演色性变异(图7)，如灯泡类、嵌入式下照灯具等，LED周围环境都相当轻易达到60～80℃，换言之，不是优化的照明系统设计，极为可能让LED节点(Junction)温度达到120～150℃，实际热效应造成光输出的减低(Hot-cold Factor)会超过15%以上。为改善此弊病，整个照明系统的每一接口热阻必须努力调降，以达到降低节点温度目的，减少色温偏差(图8)。

 
图8　LED周围温度与相对光束特性变化图

　　创新模块设计须考虑三大议题

　　完成最佳芯片封装组件，就光特性而言已决定一大半，模块设计上所须考虑的重要议题则是热处理(Thermal Management)、电源控制和电路设计及二次光学机构设计，而此三项的设计不佳，则轻易的就能在模块系统中损失50%以上的光输出效率，就算达到每瓦150流明，在组成系统之后，就会发现终端产品只在60～70流明。 

　　现将透过不同方式解决上述三个问题：其一为采用高导热材作，如模块电路机板、在低导热材机板上增加与空气接触面积、将LED组件(热源)分散放置或将发热电子组件分离或远离LED光源，避免使用任何低导热绝缘层来增加LED热传导过程中的阻力(热阻)。其次为电路板面采高反射率绝缘漆来增加向下光的反射，以高效率的定电流控制组件减少电源消耗，同时采温度控制机制调节定电流输出，作为一种保护机制，以及采高压交直流转换电路降低变压损耗。此外，采耐久高透光性或高反射性材料做二次光学透镜或反射光学件，以专业光学仿真软件计算设计仿真最佳出光效率。

创新照明系统设计须兼顾开创/不可取代/市场性

　　在此结合光机电热的系统中，除选对或设计最佳LED组件，搭配最佳模块热管理及电路设计，加上使用二次光学，始完成最接近消费者的产品设计。当然产品设计并非在此阶段才开始，而是在本文最早依据市场使用需求立论基础而来。所有系统设计的环节，皆是为了最终产品目的。在创新LED照明框架下，终端产品本身必须具开创性、不可取代性及市场性。 

　　图9由圆形单片组成光源体组合的镂空立体灯具，虽然是欧司朗光电半导体(OSRAM Opto Semiconductors)以有机发光二极管(OLED)设计而成的概念，但此概念在目前是可以商业化且充分兼顾LED照明功能的优越性，以及对热对流和热传导的设计考虑。至于日本Panasonic电工所设计的薄型下照灯(图10)，亦具备一般传统光源所无法的取代性，超薄的尺寸透露轻巧的视觉感受，若采用AC LED更可将厚度再薄型化，当然热处理上必须考虑散热面积、表面材质的应用处理，加上空气对流设计，藉以降低空气接触面的热阻，加速散热效果。

 
图9　欧司朗OLED概念照明

 
数据源：Panasonic电工
图10　Panasonic电工开发的薄型下照灯

　　至于户外照明、建筑照明、特殊照明如养殖农业、医疗等其他LED照明应用创新设计在基本上在光源封装上要研发创新的部分差异不大，而是在模块设计、电源电路控制及光学机构设计，各有其使用环境限制、菜单现及波长独特性，仍需LED研发人员努力去开创。