芯片模组光源LED是否为通用照明做好了准备?

LED是否为通用照明做好了准备?

时间:2011年12月01日
“第一条,按计划,大约明年3月份左右我们还会再上4条线。我还计划把工厂的另一半用作应用开发,主要就做球泡灯,现在这个利润很大。”去年才从贸易公司转行LED封装厂老板的李立 索尼用户网络消息称索尼拟大幅改版PlayStation页面设计信号密码代码单片机型FM有线/无线遥控广播系统集成电路设计中国产业中国IC设计产业 “十年磨一剑”准确度现场装置750千伏电流互感器校验完成填补国际空白三星台湾记忆体DRAM产业为彻底复苏争取时间三星产业芯片大陆IC设计享受政策扶植新东方北大老师对话俞敏洪:请叫我俞老师射频测试解决方案OKI选用惠瑞捷V93000 Port Scale射频测试解决方案面板世代中国TCL王洪波:看好市场前景不担忧面板过剩

“第一条,按计划,大约明年3月份左右我们还会再上4条线。我还计划把工厂的另一半用作应用开发,主要就做球泡灯,现在这个利润很大。”去年才从贸易公司转行LED封装厂老板的李立,此刻正坐在他位于深圳坂田的办公室里,描绘着他和另外3个投资人一同构建的正在实施的LED梦想。1,400平米的厂房显得十分空旷,唯一的一条封装生产线只占了大约50平米的空间。与之相比,位于厂房一角的办公室就显得有些局促,不小的空间里除了两套宽大的老板桌椅、沙发、茶几、饮水机外,四处都散落着有关LED的行业杂志、封装好的LED光源以及LED球泡灯。

“我进入LED的时间不算早。不过说实话,这个行业现在简直太热了。不夸张的说,我刚把消息放出去,就有不少人主动来找我要给我投资,启动资金的问题很快就解决了。”

“这个领域真的有点疯狂,很多压根什么都不懂的人也敢进入。前阵子我听说一个朋友准备搞封装,投资人找好了,厂房找好了,启动的时候跟ASM联系,才知道即便现在付全款,也要到2011年的5、6月份才能够拿到封装设备。结果,一切都不了了之。”

光从ASM的订货情况,大家就可想而知现在中国LED封装的“热度”。“只要需要发光的产品就是LED的商机”,诱人的LED前景,吸引越来越多的人争前恐后地投身这个产业。当前,LED最具潜力的市场无疑当属平板液晶电视、笔记本电脑和笔记本显示器中的大尺寸LCD背光,但毫无疑问,通用照明才是LED的最终发展目标。目前,在LED通用照明市场还未真正启动之前,LED球泡替换灯将成为照明市场最主要的增长领域。然而,市场上大量出现的LED球泡灯,等同于真正意义上的固态照明(SSL)吗?LED是否真的为通用照明做好了准备?


LED通用照明首先面临四大挑战

美国能源部曾表示:固态照明是50年来照明领域最具破坏性的创新技术。有不少业内人士对此表示认同,并认为LED是颠覆性产品,是要革它原来产品命的。但事实上,LED进入通用照明市场,依然面临四大挑战,它们分别是:光品质、光效表现、可靠性以及简单化。

飞利浦亚洲地区营销总监周学军对此解释道:“LED的光品质与传统照明相比仍有差距;光效表现还有部分应用无法覆盖;由于LED照明可靠性由芯片、电、光、热、机械、互联部分等多个因素决定,因此无法保持足够的光输出流明维持寿命;由于缺乏统一标准,现在市场上的LED照明产品五花八门,复杂性也阻碍了其短期内很难被更多受众接受。”那么,目前市场上有哪些提升LED光品质和光效的方案?

光品质 通常我们谈到的光品质主要指光分布、光角度与阴影,以及演色性。这里,周学军特别强调设计人员要注意:不同LED颗粒间的光色是否一致?随着时间推移不同颗粒的变化是否一致?一颗LED在不同角度是否存在色差?显色指数表现如何?

LED的整个封装工艺流程包括两个重要步骤:利用金线对芯片和管脚进行键合,以及进行荧光粉涂布。这两个步骤都会对LED造成色差,特别是金线会挡住光路,如果操作不当可能会对芯片造成隐性裂痕,从而形成芯片断裂隐患。为了解决这些问题,Philips Lumileds最新推出的LUXEON Rebel LED系列采用了最新TFFC(薄膜倒装芯片技术)和独有的Lumiramic荧光技术。

据周学军介绍,TFFC技术的电极在电路板后面,表面无纵横布线,因此物理结构更好。而Lumiramic荧光技术利用陶瓷荧光板代替荧光粉直接粘结到芯片上,使得表面完全平整,不会有凹凸和不均匀,因此从根本上避免了传统封装法因不均匀的荧光粉涂布而导致的大多数LED在偏离中心视轴的角度显示出颜色的不一致。“此外,采用Lumiramic技术还可以将白光分bin(分档)的范围缩小至原来的1/4。”周学军补充道。

目前,对于照明行业特别是照明设计来说,最头疼的问题莫过于分bin。对于一些有经验的LED制造商来说,通常的做法是在所有档中使用白光LED的整个输出范围。然而,在特定CCT(相关颜色温度)下,根本无法低成本生产出具有高一致性的白光LED,其主要原因在于蓝光LED芯片的波长和荧光粉的涂布工艺。因此,制造商可能会混合使用多个分bin的LED,但是这样一来,产品的应用范围受到限制,既增加了生产工艺的复杂性,又产生了更多存货。Cree公司对此的解决方案是EasyWhite bin,该方案采用Cree的多芯片XLamp MC-E LED,MC-E芯片采用四芯封装发,由Cree挑选四颗不同特性的白光LED芯片(上覆有荧光粉)并封装好,混合后的白光输出能达到预期色温,而且远小于ANSI规定的标准范围。

光效表现 就像半导体行业的摩尔定律一样,LED行业也有一个Haitz定律,即LED亮度大约每18-24个月提升一倍,而在今后10年内,预计亮度可以再提升20倍,成本则将降至现有的1/10。今天,市场上1美金大约可以买到100-150流明,美国能源部预计2020年这个数字将达到1000流明。

LED发光效率如何提高?首先来看封装。目前,市面上LED光源最为常见的是直插式和贴片式。深圳市长光半导体照明科技有限公司技术副总监朱啸天则认为,这两种封装方式的散热出口截面积较小,而且一次出光口通道狭窄,利用率相对不高。根据LED的出光特点,长光半导体设计了扁平化的一次光学通道,形成了平面光源阵列式芯片,可以最小化光学损失。对此,朱啸天解释道:“像SMD的3528或505光源,使用玻璃纤维或塑料做基板,底部没有跟任何金属连接。平面光源阵列式芯片则采用了基于多芯片集成COB直接封装技术,光源使用的铝基板可以将更多热量通过直连散热散发出去。”据悉,目前该公司拥有完全自主知识产权的LED面光源技术光效已达130lm/w,整灯光效已大于100lm/w。

除了封装,芯片结构、正向电压等因素也十分关键。正向电压如果能被控制在一个非常小的范围内,就可以获得很好的光效。在这部分,还要特别注意如何解决droop现象。众所周知,电流密度的增加会使LED(主要指蓝色、绿色等将InGaN作为发光层的LED)发出更多的光,但与此同时光效也会随之下降。当前,芯片设计公司正在努力寻求解决方法,尽可能使光效与电流增加呈正比。也就是说,在一平方毫米面积上,以光效无损为前提得到更多光,而不是靠提高die尺寸。当然,冷热系数(LED在100°C结温和25°C结温时的灯光输出比值)的提升也有助于简化散热系统设计,从而降低最终应用中的每流明成本。


如何解决“热”问题?

LED抗热性的重要已成为业界共识,这个问题对于LED通用照明同样存在。对此,周学军曾生动地比喻道:“LED就像是一个雪人,冷的时候很漂亮,但是一热了就会融化,变得很难看。”

“LED系统设计中的热管理很重要,因为相当部分的电能转换成了热能。”安森美半导体电源及便携产品全球销售及营销高级总监郑兆雄表示,“要解决好散热问题,需要提升驱动电源的转换能效和应用更高光效的LED,采用提供强固热故障保护性能的LED驱动芯片和散热性能更好的驱动芯片封装,以及散热性能更好的LED基板等。此外,为了提高系统可靠性,还需结合其它手段,如采用额定工作温度更高的更好外部元器件,以及采用环境光传感器以减少电能消耗和发热量等。”

美国国家半导体(NS)亚太区市场经理黎志远认为:受实际操作环境影响,LED的内部温度确实可能会飙升至极高水平。一旦LED的温度升越阈值,进入非安全区,那么LED的寿命及照明效果便会受到影响。而采用热能回折电路则可以监控系统热能,以免温度失控。

NS的LM3424芯片正是一款这样的产品,可为照明系统的LED设置温度及斜坡断点,确保LED停留在安全区内操作。如果出现过热情况,LM3424的热能回折电路便会减少流入LED的稳压电流。减少的镇压电流会使LED的亮度也随之下降,但仍然保持在工程师预设范围内,直至操作温度恢复到安全的操作范围内。此外,NS还推出了一款大功率LED驱动器LM3464,采用该芯片的过热保护系统解决方案可以监控LED散热器/铜箔层的温度:若LED温度突然大幅飙升,过热保护功能会调低输出电流,避免LED在不正常情况下过热受损,同时LED可保持一定的亮度。

上海龙茂微电子有限公司总经理茅于海指出,彻底解决‘热’问题还有待LED发光效率的提高。深圳瑞丰光电子有限公司常务副总林常对此表示认同,他表示:“要解决热管理的问题,首先从芯片方面就要提高光效,光效提高自然热就小了。到了封装,要考虑如何把热量导出,同时还需要解决封装材料的耐热问题,材料不黄变,光衰减就没有。而在应用端要做的,就是如何把热导入到大自然环境中去,这里不烫就成了关键。三方面的设计人员都要做好自己应该做的事,这才是根本。针对不同的产品,解决方案一定不同。”据悉,目前瑞丰光电在封装环节,已经能够做到5000H零衰减。


LED驱动解决方案

对于LED照明应用来说,驱动电源部分的作用至关重要,因为如果驱动电源部分无法给予支撑,那么再高的LED光效也是浪费。可以这么说:高效的驱动电源是提高照明系统效率的有力保证。对此,茅于海特别指出:“LED设计中最大的问题是如何保证驱动电源的可靠性来匹配LED的长寿命。这方面必须深入理解可靠性的设计原理和具体方法,并懂得如何测试产品的可靠性。”

LED驱动电源的可靠性很大程度上与“热”相关,如果散热效果不佳,电路中电解电容的寿命将大大降低,从而严重影响LED产品的寿命。相关内容我们已经在上文进行了讨论,下面我们将主要介绍其他可能存在的问题以及几款最新的解决方案。

目前,由于LED灯具类标准的滞后,市场上LED驱动电源主要采取客户定制的运作模式,因此LED灯具普遍存在电压、电流、功率等级不规范,以及空间有限、散热条件差、电源能耗影响灯具环境温度等问题。飞兆半导体深圳分公司技术市场部经理钱家法表示,不同功率等级的LED应用可能遭遇不同的问题。例如,小功率应用可能由于空间太小导致驱动板无法安置,而安规距离不够、恒流精度不够、温度太高等也是可能出现的问题;中功率应用通常采用PFC+PWM两级架构,从而导致整体成本过高;而大功率对PFC和恒流的精度要求都很高,直接带来的问题是电路复杂、零件多,PFC和主电流时序需要控制,而且效率低下。针对各种不同的应用场合,飞兆半导体推出了多种LED驱动器解决方案,包括用于室内照明的低功率反激式(PSR & SSR)方案、用于室外照明的大功率AHB和LLC方案,以及用于电视机背光照明的多通道驱动解决方案等等。

黎志远指出,工程师在设计LED驱动电路的过程中最可能遇到的两个问题是:如何通过电磁干扰检定,以及电路之间的互扰可能造成工作不正常。NS的LM3402/4HV芯片针对DC-DC转换器市场,不仅电源转换效率更高,而且具有较强的抗电磁干扰能力。面向通用照明,NS推出的LM3445芯片可以利用三端双向可控硅(TRIAC)调光器调控LED灯泡亮度。黎志远表示:“只要采用LM3445解决方案,目前市场上普遍采用的传统灯泡如A灯泡、PAR灯泡、天花射灯等都可改用LED灯泡。”

该产品与安森美的NCL3000功能类似。NCL3000是一款单段式功率因数校正TRIAC可调光LED驱动器,用于8W-25W功率的住宅及商业AC-DC供电LED照明应用,使用临界导电模式(CrM)反激架构,以单段式拓扑结构提供大于0.95的高功率因数,因而省却DC-DC转换段。恒定导通时间CrM工作特别适合于隔离型反激LED应用,因为控制原理简单,即使在低功率电平时,也能够提供极高能效,这在LED照明领域很重要,目的是符合“能源之星”固态照明规范等各种规范要求及整体系统光效要求。

安森美另一款新的低电流LED驱动方案——NSI45系列双端和三端线性恒流稳流器(CCR),使用了正在申请专利的自偏置晶体管(SBT)技术。这种方案比线性稳压器更简单,且成本更低,但性能相比电阻方案又大幅提升,填补了市场空隙。NSI45系列能够在宽电压范围下保持亮度恒定,输入电压较高时保护LED免受过驱动影响,输入电压较低时仍使LED较亮,帮助减少或消除LED编码库存,以及帮助降低系统总成本等,非常适合低电流LED电流应用。

英飞凌科技(中国)有限公司工业及多元化电子市场事业部销售及业务开发高级总监石敬岩介绍,英飞凌最近也推出了一款支持调光功能的离线型LED驱动IC——ICL8001G,适用于住宅照明用高效LED灯泡。该产品采用弹性设计,能够替代所有40W/60W/100W白炽灯泡以及所有典型的消费类照明应用。ICL8001G节能效果可达90%,支援多种已安装的墙面调光器,同时也是唯一的整合功率因数校正(PFC)功能的主控式离线型LED驱动器解决方案。

虽然LED驱动市场主要由TI、NS、安华高、LinearNXP等欧美企业,以及聚积、立锜、点晶、研晶等台湾厂商占领,但是目前中国本土的几家公司在该领域也表现的颇为活跃。例如上海龙茂微电子有限公司,就推出了各种功率LED所需的恒流驱动电源。“我们的优势是掌握了核心芯片技术,此外我们还集中于路灯、日光灯、隧道灯等的调光技术,并拥有5项专利。”茅于海表示。据悉,龙贸已经量产的降压型大功率LED恒流驱动模块SLM2842J得到了业内不少好评,该模块可以在输入电压为36V时驱动10串6并1W的LED,或者10串2并3W的LED,驱动功率高达60W,效率高达98%。只有1.2W的功率需要耗散,所以发热很低,在60度以下。


针对室内照明的新一代LED模组

安森美的郑兆雄认为LED照明设计过程中还有一项重要挑战,那就是要保持照明系统或光源的不同组件有尽可能高的能效。“应该把光源看作是完整系统,将LED、用于散热的散热片、光学组件,以及电子驱动电路看成一个整体,确保每个组件的设计都提供最大能效。”他表示。

在实际操作中,瑞丰光电将上述观念模组化,推出了室内照明模组化解决方案。“模组化就是将光源、散热部件、驱动电源组成模块批量生产,通过模具制造出标准化的LED照明产品。”瑞丰光电研发中心大功率LED模组开发部主管刘鑫表示,“尽管目前本土企业在LED外延片和芯片方面无法绕过国外企业的专利壁垒,但模组的批量生产具有价格优势,特别对下游LED照明应用企业来说是一个不错的选择。”

现在很多企业在球泡灯中加入3520、5050等小功率LED光源用于室内照明,但产品往往存在眩光过强、热处理不够、寿命短、成本高、颜色差异大等问题。“我们认为,将传统灯泡装上LED光源,完全不等同于半导体照明。”刘鑫表示,“LED要想真正走入千家万户,就要发挥其优势,而这应该是一个系统化工程,包括电源系统、LED光源、驱动系统、光学系统、外观结构设计、散热系统、智能控制系统等多个方面。”

正如前面提到的,光品质包括演色性、空间均匀性、色彩一致性、无眩光等。瑞丰光电的模组光源解决方案,通过植入色光LED芯片来提升整体光源的演色性,或单一演色性。“因为在LED光谱中,红色和绿色这两段较‘低’,如果把绿光芯片和红光芯片串在白光模组中,可以对演色性有非常本质的提升。”刘鑫解释道。“由于整体光效靠白光来提升,演色性靠其他芯片的光去来提升,这样做还有助于将光效与演色性分立。”


“空间均匀性和色彩一致性,首先通过对物料进行选择与优化得以改善。”刘鑫表示。这里的物料选择包括荧光粉和芯片。封装时,可以利用设备去检验芯片以及荧光粉进料激发出的波长有多宽,从而检验来料是否符合要求。其次是模组电源内电路的设计,要考虑到整个模组的串、并情况。第三是要进行严格的制程控制,包括最直接的,就是荧光粉涂布的方式以及多少,这对色彩一致性有很大影响。最后,还要进行物料可靠性控制。

随着LED光效的提升,刘鑫认为眩光问题在今后的LED照明设计中将会更加凸显。模组电源通过结构的优化设计,例如使用反射杯来降低眩光。而这也正是瑞丰光电在结构上的创新设计之一,加入反射杯,可以很大程度地减少每颗LED芯片发出光的损失,与此类似的还有加一次透镜、表面粗化处理等,与模组结合都可以提高出光效率。

光的寿命包括两个部分,一个是亮度寿命,一个是颜色寿命。亮度寿命直接影响到光源的运行成本,在寿命控制中,首先要考虑的是散热设计。模组光源通过结构设计来解决这个问题。寿命和散热有直接关系,包括芯片、原料,其最直接的寿命影响就来自于热。蓝光的出光效率和荧光粉,都跟结温有很大关系。“一般情况下,LED的结温每升高10度,其寿命就会降低一半。”刘鑫补充道,“模组在解决热阻方面有其优势。目前LED应用灯具的热阻主要包括LED芯片、封装材料、支架、贴到电路板上的热阻、二次应用系统热阻,如果能够省去中间某个环节,其实就把整个应用过程的热阻省了很大一部分。而使用模组解决方案,可以直接省去了支架热阻和客户买回去以后的再贴片热阻。”

小结

LED通用照明除了文中提到的困难和挑战,当然也离不开成本压力。对此,飞兆半导体技术行销部首席经理张三岭表示:“在电视机市场中,LED背光照明的成本是可以接受的,因为产品必须符合能源之星和CEC等标准对降低总体功耗的规定。不过,对于室内照明和室外照明,LED照明的成本相对于传统解决方案仍然高出很多。高可靠性是LED照明应用的关键因素,但这也会加重系统成本压力。”

LED通用照明目前仍然处于市场初期,仍然有许多已经发现或尚未发现的困难需要解决。随着中国本土企业对LED芯片的研发投入,以及国家标准的出台,中国LED通用照明市场必将加速健康和规范发展。“目前LED照明在汽车领域,已经解决了除前照灯以外的全部应用。如果路灯应用成功,相信汽车前照灯的应用也会马上得到普及。”瑞丰光电常务副总林常展望道,“届时,LED也将作为普通照明进入千家万户。我认为这一过程会在5~8年。”

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