LED半导体照明的发展与应用

LED半导体照明的发展与应用深圳市量子光电子有限公司技术总监 裴小明一、 前言半导体技术在上个世纪下半叶引发的一场微电子革命，催生了微电子工业和高科技IT产业，改变了整个世界的面貌。今天，化合物半导体技术的迅猛发展和不断突破，正孕育着一场新的革命照明革命。即将成为新一代照明光源的半导体LED，以其较之传统光源所没有的优点，将引发照明产业技术和应用的革命。半导体LED固态光源替代传统照明光源是大势所趋。二、 LED半导体照明的机遇在我国大力发展半导体照明产业适逢其时。1 全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。作为能源消耗大户的照明领域，必须寻找可以替代传统光源的新一代节能环保的绿色光源。2 半导体LED是当今世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。l 高效低耗，节能环保；l 低压驱动，响应速度快,安全性高；l 固体化封装，耐振动，体积小，便于装配组合；l 可见光区内颜色全系列化，色温、色纯、显色性、光指向性良好，便于照明应用组合；l 直流驱动，无频闪，用于照明有利于保护人眼视力；l 使用寿命长。3 现阶段LED的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈。目前LED的应用领域主要集中在信号指示、智能显示、汽车灯具、景观照明和特殊照明等。但是，化合物半导体技术的迅猛发展和关键技术的即将突破，使今天成为大力发展半导体照明产业的最佳时机。2003年我国人均GDP首次突破获1000美元大关，经济实力得到了进一步的增强，已经初步具备了接受较高光通量成本（初始成本）的光源的能力。在未来的510年内，用半导体LED作为光源的固态照明灯，将逐渐取代传统的照明灯而进入每一个角落。表1：美国半导体照明发展蓝图（OIDA 2002.11）技术指标照明用LED2002照明用LED 2007照明用LED 2012照明用LED 2020白炽灯荧光灯发光效率(lm/W)25751502001685寿命(khr)2020100100110光通量(lm/lamp)252001,0001,5001,2003,400输入功率 (W/lamp)12.76.77.57540每千流明成本 ($/klm)20020520.41.5单灯成本 ($/lamp)54580809575可渗透的照明市场低光通量要求领域白炽灯市场荧光灯市场所有照明领域4 各国政府的高度重视，相继推出半导体照明计划，已形成世界性的半导体照明技术合围突破的态势。 美国：“下一代照明计划”,时间是从2000年-2010年,投资5亿美元； 日本：“21世纪的照明计划”，将耗费60亿日元推行半导体照明,目标是在2006年用白光LED替代50%的传统照明； 欧盟：“彩虹计划”, 已在2000年7月启动,通过欧共体的资助,推广应用白光LED照明。 中国：2003年6月17日，由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”。从协调领导小组成立起，到2005年年底之前的这段时间将是半导体照明工程项目的紧急启动期。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。5 我国的半导体LED产业链经过多年的发展已相对完善，具备了一定的发展基础。同时，我国又是照明灯具产业的大国。只要政府和业界适当协调整合好，发展半导体LED照明产业是大有可为的。6 半导体照明市场潜力巨大，前景看好。三、 正确认识LED1 什么是LED？LEDLight Emitting Diode，半导体发光二极管。LED的发光机理图1：能级跃迁复合模型N型载流子（电子）P型载流子（空穴）禁带，Eg能量导带 价带l 半导体晶体的原子排列决定禁带，确定发光特性：=hc/Eg；l 杂质掺入形成p型区和n型区；l 在正向偏压下，注入电子与空穴复合；l 复合能量以光（有效复合）或热（无效复合）的形式释放；l 整个过程基本上是无害的。图2：电学模型V（光子）If（电子）VfLED的制造过程LED外延生长封装晶片制造圆片制造衬底晶体生长机械切削LED的封装流程（以白光LED为例）荧光粉涂布焊线固晶烘烤固晶半切胶体烘烤灌胶成型荧光粉烘烤检验包装测试分档二切初测金线焊接环氧树脂透镜正极负极反射杯晶片固晶电极引线金线焊接塑料框架热沉LED晶片硅胶灌封塑料透镜图3：普通5mm LED封装 图4： POWER LED封装2 表征LED的特点的主要技术指标电学指标正向工作电流IF（mA）l 额定工作电流IF（mA）：LED在理想的线性工作区域，在此电流下可安全地维持正常的工作状态；l 最小工作电流IFL（mA）：LED在小于此电流工作时，由于超出理想的线性工作区域，将无法保证LED的正常工作状态（尤其是在一致性方面）；l 最大容许正向电流IFH（mA）：LED最大可承受的正向图5：LED IV特性曲线工作电流，在此电流下，LED仍可正常工作，但发热量剧增，LED的使用寿命将大大缩短；l 最大容许正向脉冲电流IFP（mA）：LED最大可承受的一定占空比的正向脉冲电流的高度。正向压降VF（V）由LED本身固有的IV特性曲线决定，在IF条件下所对应的VF数值。l 二元、三元、四元晶片的LED的VF：1.72.5 Vl GaN类晶片的LED的VF：2.74.0 V耗散功率PD（W）：PD=IFVF最大容许耗散功率PDH=IFHVFH反向电流IR（A）：LED在一定的反向偏压（通常取VR=5V）下的反向漏电流。l 二元、三元、四元晶片的LED：IR10Al GaN类晶片的LED：IR50A反向电压VR（V）：LED在指定反向电流下所对应的反向电压。最大容许反向电压Vz（V）：LED所能承受的最大反向电压，超出此电压使用，将导致LED反向击穿。光学指标光通量V（lm）：光源在单位时间内发出的光量。780380V=dQV /dt=Km ()V()d发光强度IV（cd）：光源在单位立体角上的光通量。IV=dV /d光照度EV（lux）：光源照射在光接收面上一点处的面元上的光通量dV与该面元面积dS的比值。EV=dV /dS发光效率V（lm/W）：LED发射的光通量与输入功率的比值。V=V /PD=V / IFVF发光强度空间分布图图6：三维空间分布 图7：二维分布半强度角1/2：在发光强度分布图形中，发光强度大于最大强度一半之处所构成的角度。峰值波长P（nm）：光谱辐射功率最大点所对应的波长。主波长d（nm）：以规定白光通常为等能白E（x=0.3333,y=0.3333）为参照点，某点颜色的色调与波长为d的纯光谱相同，则d称为该点颜色的主波长。这是一个人眼对该点颜色感觉的心理学物理参数。平均波长（nm）：某一准单色光源光谱辐射分布图中的“重心”所对应的波长。图8：（x，y）与d 关系图 图9：LED发光谱线图(a)光谱分布带宽（nm）：=2-1(b).色座标（x，y）：表征LED（尤其是白光）的色度。(c).色纯Pc：样品颜色接近主波长光谱色的程度,Pc=a/b。(d).相关色温TC（K）：光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度（TC）为光源的色温度。为了求得光源的色温，需要先求得它的色度坐标，然后在色度图上由CIE1960UCS推导的ISO色温线求取色温。对于相对光谱功率分布偏离黑体相对光谱功率分布较远的光源，用色图10：相关色温线图度坐标与其最靠近的黑体温度来表示该 光源的相关色温，在色温线上求取相关色温。 表2： 不同光源环境的相关色温光源北方晴空阴天夏日正午阳光金属卤化物灯下午日光冷色荧光灯高压汞灯暖色荧光灯卤素灯钨丝灯高压钠灯蜡烛光色温 K8000-85006500-750055004000-460040004000-50003450-37502500-3000300027001950-22502000表3： 不同光源的不同光色组成最佳环境色温光色气氛效果5,000K清凉 (偏蓝的白色) 冷的气氛3,300-5,000K中间 (白色) 爽快的气氛1,000V6,000V机器模型（MM）100V200V1,000V 失效率：=1/MTTF（MTTF：平均无故障时间） 寿命：LED正常工作情况下，IV或者V衰减至初始值50%所经历的时间。图11：LUMILEDS公司LED寿命实验结果从上图可见，5白光LED寿命约6,000小时。Power LED在20,000小时内很稳定，而在同等时间内，5 LED衰减度70%，而白炽灯已经完全不亮了。Power LED可预期经过50,000小时后仍能保持70%的流明数（即仅30%衰减）。3 公众对LED的误解所有LED都有100,000小时的可用寿命。真实情况：某些传统的LED发出可用或有意义光线（约原光源输出的70%）的寿命，已经被证实为6,000个小时或更低，此寿命会因发光的颜色及LED制造商的不同而有所差异。优质的Power LED的设计寿命高于传统LED特别是在白光的应用方面，在使用50,000小时之后，仍可保持原输出70%的光通量。LED不会发热。真实情况：LED会发热，只不过因所产生的热，被包在LED装置之内，必须透过器件本身或合适的散热机构把热传导出去。如果设计不良，LED很快就会失效。LED无法提供足够的光线给一般的照明使用。真实情况：高功率的LED可以发出足够的光线，给许多特殊及一般的照明使用，如：舞台聚光灯、高功率手电筒甚至汽车前灯等。LED所产生的白色光无法取代白炽灯所产生的优质白光。真实情况：大多数传统的白色光LED是在5500K的范围左右产生的，比较难产生白炽灯光色温的光色。由于荧光粉技术和实现白光的工艺方法的进步，今天的Warm White Power LED可以在3200K输出高亮度光线，其光谱输出与黑体放射轨迹非常接近，完全可以取代白炽灯。LED没有办法提供照明应用所需足够的显色指数（Ra）。真实情况：早期传统的白光LED在高色温区域（5500K）显色性较好（Ra：80-90），而在低色温区域（3200K-5500K）显色性较差（Ra：60-70）；由于技术的不断进步，现在的白光Power LED在3200K左右区域的显色指数已经可以达90以上，完全可以满足照明的需求。高功率的LED是很昂贵的。真实情况：若以每百万流明小时总成本来看，高功率LED可能是最有经济效益的光源，在2-3年以内，高功率LED每百万流明小时总成本交将低于白炽灯。LED的能源效率高于其他光源。真实情况：白色光LED的效率是白炽灯效率的两倍。由于LED发出的光线具有方向性，您可以更佳地控制光线，提高整体的照明效率。目前，LED的能源效率仍低于荧光灯，但可以预期，在5年内能达到或超过荧光灯的效率。白色光LED所产生的颜色的不一致性太明显了，以至于无法用于一般的照明应用。真实情况：由于白色光LED生成的特性，会产生一系列的颜色。在灯具设计及生产时就要特别小心地控制颜色的分布，制定优质的照明解决方案。LED可当作普通的电光源简单地使用。真实情况：LED需要借助驱动电路、光学及热传导等专业知识来设计照明解决方案，以实现LED产品的优点。小功率3mm、5mmLED的光效比Power LED高，而且价钱便宜，完全可以用小功率LED的集成取代Power LED，发展Power LED没有实际意义。真实情况：目前小功率LED的光效比Power LED的光效高，而且价格确实比Power LED便宜。但小功率LED有其自身固有且难以克服的弱点：一是热阻较高，二是寿命较短。而这两点正是Power LED较之优胜的地方。另外，在装配组合和光学设计配合上，Power LED会比小功率LED方便得多。虽然Power LED目前价格仍偏高，但产业化大批量生产之后，价格一定会下降到与小功率LED相近的水平。Power LED应该是半导体照明光源发展的正确方向。色温可以准确表征LED的发光颜色。真实情况：光源色温的最佳颜色是在黑体放射轨迹上的，离开黑体放射轨迹的光源的色温是用相关色温来表示的。从图10：相关色温线图可以看到，在同一条等色温线上，（x，y）的数值是有很大相差的。也就是说，在同一相关色温下，LED的发光颜色会有比较大的差异。如在3200K-5500K区域，在黑体放射轨迹上方，LED的发光颜色偏黄绿；在黑体放射轨迹的下方，LED的发光颜色偏黄紫。所以，LED的发光颜色最准确的描述是用色坐标来表示。LED的最大可容许正向脉冲电流等于额定电流除以占空比。真实情况：所有LED的正向工作电流与占空比的关系（Duty Cycle）是由LED晶片和封装结构决定的。不同晶片、不同封装结构的LED在同一占空比下，所可承受的最大脉冲电流是不同的。简单地将脉冲电流高度乘以占空比的数值认为等同于LED实际承受的静态平均电流是错误的。Recommended Range for Pulse Drive Current Condition forAllnGaP LEDs（Chip Size:300m*300m）图12：AllnGaP LED脉冲驱动电流条件推荐范围四、 LED的发展历程1 LED技术突破的历程1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主打的是数字与文字显示技术领域。80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到30lm/W，实验室研究成果可以达到60 lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。红色滤光白炽灯未滤光白炽灯黄色滤光白炽灯10倍提升/10年荧光灯发光效率（lm/W）图13：LED效率进展2 LED封装形式的发展历程第一代指示用LED指示用LED第二代指示用LED照明用LED投影机用LED图14：LED封装形式的进程热阻（K/W）投影用LED前灯应用：雾灯、高光灯、低光灯高位刹车灯、尾部刹车灯、转向灯、镜侧灯、侧灯、表盘灯驾驶状态灯、雾灯、前转向灯、低光灯、地灯参 数应 用功率（w）单 位照明用LED指示用LED图15： LED封装形式及其在汽车上的应用3 LED应用的发展历程从其应用发展来看，LED产业的发展历程依次可分为大致以下几个阶段：指示应用阶段；信号、显示应用阶段；照明应用阶段。五、 LED在照明领域的应用1 应用领域信号指示：所有电子设备的功能指示、交通信号灯等；显示应用：指示牌、广告牌、大屏幕显示等；照明应用： 手电筒、头灯、矿灯、潜水灯等； 汽车用灯：高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯、侧灯、雾灯、车内照明灯、前灯等； 特殊照明：太阳能庭院灯、太阳能路灯、太阳能航标灯、小夜灯、台灯、射灯、室内装饰灯、洗墙灯、橱窗灯、画灯、景观灯、护拦灯、地埋灯、地砖灯、水底灯等； 背光照明：普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸LCD显示器背光源等； 投影光源：投影仪用RGB光源； 普通照明2 LED在照明应用中应注意的问题正确选用合适的LED。 LED性能与可靠性的考虑； 实际使用环境与条件的考虑； 成本的考虑；尊重LED的特点，合理地使用LED。 LED额定工作条件的考虑； LED驱动电路的设计和电源的选用； LED散热结构的设计与照明系统的热量管理； 照明系统的二次光学设计； 照明系统的可靠性设计； LED的防静电、抗辐射要求的考虑； 防止LED在实际应用加工中的损伤； LED的贮存和防护条件的考虑。与LED制造厂商保持良好的信息沟通和互动配合，共同找出LED在照明领域的最佳应用解决方案。应用端应尽可能地将设计要求与期望详细地向制造厂商描述，以便LED制造厂商提供专业的意见，正确地选用合适的LED；应用端应及时地将LED在使用过程中发生的问题反馈给制造厂商，以便制造厂商进一步的改善LED的性能与品质，提出更好的解决方案；LED制造厂商应主动配合用户的要求，提出最佳应用解决方案。同时用心指导用户合理地使用LED，提高LED的应用可靠性，使LED的性能得到最大限度的发挥。3 应用实例：交通信号灯大屏幕显示指示牌手电筒汽车用灯太阳能路灯太阳能庭院灯台灯射灯 室内装饰灯洗墙灯画灯橱窗灯景观灯护栏灯地埋灯地砖灯台阶灯 水底灯大尺寸LCD背光源 室内泛光照明六、 挑战与展望1LED半导体照明面临的挑战LED光源： 更高的发光效率真正体现LED节能的优点：30lm/W60 lm/W100 lm/W200 lm/W 更大的输入功率适应普通照明的要求：1W3 W5 W8 W10W 更低的热阻降低LED本身的发热量：20/W15/W10/W8095 更长的寿命真正体现LED的优点：5KHrs20 KHrs50 KHrs100 KHrs 更理想的光学结构配合照明应用的光学设计。 更低的售价LED要真正大规模进入