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LED照明行业技术性探讨--高光效、高显色性、高可靠、低成本问题的解决

2013/7/5 8:53:51

  LED光源已批量进入照明领域,但是出现了不少问题,主要是能效、可靠性、光色质量以及成本等问题。而这其中,“三高一低”问题尤其明显,即高光效、高显色性、高可靠、低成本。

  一、如何实现高光效

  半导体照明的光效,或者说能效,是节能效果的重要指标。目前LED器件光效产业化水平可达120~140lm/W,作成照明灯具总的能效可大于100lm/W。这还是不高,节能效果不明显,离半导体器件光效理论值250lm/W还有很大距离。真正要做到高光效,要从产业链各个环节上解决相关的技术问题,主要是提高内量子效率、外量子效率、封装出光效率和灯具效率。

  1. 提高内量子效率和外量子效率。主要采取以下几点措施来提高内量子效率和外量子效率。

  (1)衬底表面粗化及非极性衬底

  采用纳米级图型衬(百货LED节能灯)底、“取向型”图型衬底或非极性、半极性衬底生长GaN,减少位错和缺陷密度及极性场影响,提高内量子效率[1]。

  (2)广义同质衬底

  采用HVPE(氢化物液相外延)在Al2O3蓝宝石衬底上生长GaN,作为混合同质衬底GaN/Al2O3,在此基础上外延生长GaN,可极大地降低位错密度达106~107cm-2,并较大地提高内量子效率。日亚、Cree及我国北大均在研发之中[2]。

  (3)改进量子阱结构

  控制In组分的变化方式和变化量、优化量子阱结构提高电子和空穴交叠几率,增加幅射复合几率以及调节非平衡载流子的输运等,提高内量子效率。

  (4)采用新结构的芯片

  采用新结构要求芯片六面出光,在芯片界面上采用新技术进行多种表面粗化方式,减少光子在芯片界面上反射几率,并增加表面透光率,以提高芯片的外量子效率。

  2. 提高封装出光效率及降低结温

  (1)荧光粉效率及涂覆工艺

  荧光粉的光激发效率目前还不高,黄粉可达70%左右,红粉和绿粉的效率较低,有待进一步提高。另外,荧光粉的涂覆工艺非常重要,有报道称在芯片表面均匀涂复60微米厚度的荧光粉,激发效率较高。

  (2)COB封装

  当前半导体照明的光源采用各种形式COB封装,提高COB封装的出光效率是当务之急,有报道称,采用第二代(有的称第三代)COB矩阵式结构封装,其光效可达120lm/W以上。如果采用倒装芯片和六面发光体进行全反射的结构,光效可达160lm/W以上。

  (3)降低结温

  结温为25℃时的发光量设为100%,当结温上升至60℃时其发光量只有90%,当上升至140℃时只有70%,所以在封装时要加大散热措施,保持较低结温,维持较高的发光效率。

  3. 提高灯具的取光效率

  不同LED灯具的效率相差很大,一般LED灯具效率大于80%,有一部分可大于90%。要根据LED光源的特点以及不同的应用场合,对灯具进行精细的二次光学设计,也要考虑灯具散热和眩光问题,提高LED灯具的取光效率。

  二、实现高显色性

  (1)多基色荧光粉

  LED光源采用LED蓝光芯片加铝酸盐黄粉和氮化物红粉、绿粉组合成LED白光,其显色指数CRI可达80~90。据有关报道,如采用RGBY荧光粉有效组合,其CRI可达98。

  (2)RGB多芯片组合

  采用RGB多芯片有效组合的LED白光,显色指数CRI也可达80~90,可能由于驱动方式和成本等因素,目前较少应用。

  (3)荧光粉加芯片

  LED光源采用蓝光芯片加铝酸盐黄粉加红色芯片,有效组合LED白光,其显色指数可达80以上,光效较高,成本尚可,是目前普遍采用的组合方式。

  三、提高可靠性

  LED器件及光源(灯具)的可靠性、失效率、寿命等指标,在实际应用中存在不同的理解和描述,有必要作些解释。

  1. 可靠性

  可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力[5]。LED失效类别主要有严重失效(指关键参数改变至LED不亮)和参数失效(指光电参数由初始值变化至超一定限度)。失效曲线包括早期失效(在使用初期失效率高,随后迅速下降)、偶然失效(失效率低,但很稳定)和耗损失效(随使用时间愈长,耗损失效不断上升)。

  2. 寿命

  寿命是产品可靠性的表征值。由于产品所规定各种寿命的含义不同,容易造成混淆,在此作具体描述。有关寿命的描述有很多种,这里列举10种不同含义的寿命,即:寿命、平均寿命、中位寿命、特征寿命、预期寿命、可靠寿命、工作寿命、光通维持寿命、平均无故障工作时间和平均失效前工作时间等。

  3. 提高可靠性

  (1)减少失效率

  (2)延长耗损失效时间

  四、降低成本

  1. 外延芯片环节降低成本的方法探讨

  目前LED产品的芯片占成本的40%左右,降低芯片的成本是最重要的任务。世界主要外延生产厂家Veeco提出,对现有MOCVD的设备、工艺、架构改进,提高量产效率,至2014年外延片价格达0.2美元/cm2。(2009年1美元/cm2)采用4″及6″的MOCVD设备以及配套的芯片制造设备,使外延、芯片产能的效率大幅度提高,从而降低外延芯片的成本。目前全世界很多有实力的公司正在研发在8″硅片上直接生长GaN,并取得可喜成果。

  2. 封装环节降低成本的方法探讨

  半导体照明所用的光源将采用COB及模块封装形式,这样将极大地降低LED光源封装成本。LED光源采用COB封装形式,目前主要是采用中功率多芯片、矩阵式集成封装,号称第三代COB封装形式,且有很多不同的结构类型,如MCOB、COFB、MCOMB等,并可降低封装成本30%,目前国内已开发一种球泡灯,采用9只中功率芯片集成COB封装,体积小、不带散热片,功率为7W,光通量可达500~700lm,其成本只有16元。

  3. 灯具环节降低成本的方法

  在保障二次光学设计出光效率和散热性能的前提下,采用新材料、新的照明方式等,设计制作轻便、美观、价廉的新灯具,从而降低灯具成本。此外,目前国产电源的性能和可靠性有较大提高。在此基础上采取有效的技术措施,可较大幅度降低电源成本,从目前2.5~3元/W降至1.5~2元/W。

  4. 其他配套成本的降低

  MOCVD外延炉和芯片制造设备,如能国产化,会较大幅度降低芯片制造成本。LED产品的检测设备,特别是光学检测设备,还有降低成本的空间。此外关键原材料国产化也有利于降低成本,其中,Al2O3蓝宝石衬底国产化,已降价不少。外延用的MO有机源,现有部分国产化,也有降价的余地。封装用的荧光粉等国产化,均有较大降价的余地。

 

 

 

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