半导体照明光源技术问题大讨论(二)

2013-05-25 20:35:04来源: 互联网
三、降低成本

  目前LED各种产品还没有大规模生产推广应用,主要问题是价格过高,LED产品不能长期靠补贴来发展,要不断努力降低成本。全球相关部门单位都在关注降低 LED产品成本,比如美国SSL计划2015年LED光源(灯具)成本要达2美元/klm。我国也提出2015年LED光源(灯具)成本要在15元 /klm之内。台湾地区也提出在2014年之前可实现2美元/klm目标。要降低成本,除了大批量生产外,主要从技术上采取措施降低成本的方法、途径。

  降低成本要从LED产业链各环节上着手,共同努力,首先分析LED产品的成本结构大约是4:4:2,即光源占40%、驱动和散热占40%、其他占20%, 主要环节是外延芯片、封装、驱动、散热等方面成本有较大的下降空间,要从技术上采取有效措施,从根本上解决LED产品的成本问题。

  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。最近欧司朗发布在6″硅片上生长GaN芯片,面积1mm2,在350mA下,色温4500K时,光效可达127lm/W,需2年后投放市场。估计采取该方法生产可降低芯片成本50%。

  开发同质广义外延,采用HVPE液相外延生长GaN衬底。在此生长GaNLED产品,既能提高LED性能,又能大幅度降低外延芯片成本,采用该方法生产,可大幅度缩短外延生长时间,同时可以大量节省MO源,据估算可降低芯片成本50%。

  LED器件采用大电流密度下工作,如面积为1mm2芯片,一般工作电流是350mA,国外几家大公司均已开发可提供工作电流在1~2A下工作的功率LED 器件,这样用一只芯片可获光通量达400~500lm,当然会损失部分光效,他们已经较好地解决了Droop现象,在获得同样光通量下,可较大降低芯片成 本。

  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。

  模块化标准封装LED产品,这将是半导体照明光源的发展方向。它是将芯片、驱动、控制部分、散热、零件等封装在一起形成模块,并进行标准化生产,可用于不 同照明灯具产品,可极大地降低封装成本,据测算可降低封装成本50%,各主要厂商均积极投入研发之中。Zhaga联盟已着手制定相关标准,主要是光引擎界 面接口标准,它将涵盖物理尺寸以及光引擎的光学、电气和热特性等,最终实现联盟内不同制造商之间的产品兼容性、互换性。

  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。

四、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。其中LED寿命的常 用表述有:

  寿命:一般指统计平均值,对大量元器件而言,LED器件的寿命就是采用这种描述的含义。

  工作寿命:指LED产品的有效工作时间,不同于一般的寿命。

  中位寿命:有50%的灯具(光源)其光通量下降至某一定值(如初始值的70%)的时间定为中位寿命L70/B50,部分照明灯具的标准是采用中位寿命表述。

  光通维持寿命:指发光器件(LED)或灯具(光源)的光通量下降至某一定值的时间,称为光通维持寿命(此时不考虑色参数的变化)。

  IEC及能源之星的表述:

  IEC组织提出用维持率来说明失效率、寿命、预期寿命等。

  EPA(美国国家环境保护局)公布:能源之星灯具V1.0技术规范“技术中立”,规定匹配灯具寿命为1万小时即额定光通维持率寿命,集成LED灯具要求1.5万~2.5万小时。

  能源之星标准提出LED光源(灯具)在加额定电流6000小时后,测量产品的光通维持率,并推算产品的工作寿命(指有效的工作时间)同时要求在全寿命期内 色空间均匀度在CIE1976u′v′图中0.006以内。这个办法得到行业内普遍认同,但具体操作很难,因为需要花250天以上的试验时间,在企业中很 难执行。

  3.提高可靠性

  提高LED可靠性是行内共同努力的目标。有关影响LED产品可靠性的各种因素,如芯片制造、封装、热阻、散热等,以前做了较详细描述[6],在此希望企业对LED产品在执行全面质量控制的基础上,再作如下两点要求:

  (1)减少失效率

  目前在实际应用中,经常出现产品失效,有的甚至很严重。希望相关单位能通过各种试验,找出失效的原因,并采取有效的工艺筛选办法,剔除早期失效和偶然失效的不良产品,在使用中尽可能减少失效率。

  (2)延长耗损失效时间

  希望相关企业对典型的LED产品进行长时间老化试验(或加速老化试验),通过分析找出产品耗损失效的原因,并在工艺、选材等各方面加以改进,延长耗损的时间,这也是提高LED寿命的有效办法。

  小结

  总体而言,除了通过上采用新技术、新工艺、新结构、新材料等措施实现半导体照明的高光效、高显色性、高可靠和低成本外,从深层次来看,应该将提高能效和光 色质量作为LED照明的更高要求,即LED白光的光谱分布类似太阳光的光谱分布,要充分考虑视觉舒适度、人性化的照明等,并进行智能化调光控制,减少电能 损耗,提高节能效果,使半导体照明真正为人们提供节能、环保、健康、舒适的照明环境。

关键字:半导体  照明光源

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0525/article_18595.html
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