經過自上世紀末至今固體光源的近20年發展，LED取得了突飛猛進的進步，人們通過對新型發光材料的探索、發光材料生長工藝的的研究以及封裝工藝的改進等途徑，使得LED在發光效率、全彩顯示以及器件的穩定性等方面都取得了人造光源歷史性突破，成為了21世紀照明改革和進步的希望。

　　引言

　　LED作為新型高效固體光源(SSL)之一, 具有壽命長、節能、環保等顯著優點,它是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈問世以后的又一次飛躍。[1]尤其是20世紀90年代初，日本研究者中村修二成功研制出摻Mg的同質結GaN藍光LED，使得白光LED 有了實用性強和行之有效的技術方案，半導體照明光源與固態照明領域也隨之成為國內外光電子研究領域更引人注意的熱點。隨著材料生長和制作技術的迅猛發展， LED的發光效率已取得了明顯的提高，LED器件也從早期的指示型LED(恒流20mA)發展到功率型LED(恒流350mA)。

　　隨著LED性能的不斷提高，又使其應用領域不斷拓展，從最初的狀態表征到目前的信號燈顯示、路燈以及汽車照明等領域。雖然LED 照明的應用領域在不斷擴大，但在照明普及應用方面仍存在許多問題。本文將對LED推廣應用中的瓶頸加以探討，重點在發光效率、散熱、驅動電路、非成像光學設計、成本和標準方面進行剖析。

　　1 技術層面

　　1.1 發光效率

　　目前單顆LED的光通量有待提高，其途徑之一是在相同的功率條件下，提高其LED的發光效率。在最近幾十年的研究當中，LED光效的提高已經取得了令人矚目的成就。實驗室研制的LED達到了150 lm/W的發光效率，業界1年多前商品化量產規格的LED光效能達到50 lm/w,最近又提升至了70 lm/W，甚至有更高的報道。它達到的光效水平已能對傳統光源形成有力的挑戰。

　　一般而言， LED 發光效率的提高主要是兩個基本途徑，亦即是提高其內量子效率和改善其外量子效率。內量子效率(Internal quantum efficiency)是每秒輻射復合產生的光子數與在有源區內每秒復合的電子空穴對總數之比，外量子效率(External quantum efficiency)是器件每秒發射的光子數和每秒通過LED的電子數目之比[2]。提高內量子效率的關鍵在于改進晶體的外延工藝、減少晶體的錯位等缺陷，通過優化量子阱阱寬等措施改善量子阱結構[3], 從而進一步提高晶體質量, 改善器件性能。對于提高外量子效率，未來將主要是從芯片技術角度出發，通過對芯片結構優化設計，如優化襯底剝離技術、表面粗化技術和采用光子晶體結構等，可同時提高芯片內外量子效率[4]。

　　Philips Lumileds 公司基于目前技術條件和研發水平,在2008年提出各效率參數將在未來有如下的提高：

　　表中熒光粉轉換效率在未來將達到240lm/Optical Watt。對于冷白光LED而言，這是一個可以達到的數值水平，但對暖白光LED(CCT約在3000C),此效率將會有10%到20%的減少。所以，對于更高效的LED熒光粉的研究對于LED光效的進一步提高將具有重要的意義。

　　1.2 散熱問題

　　LED工作時所加的70 %電能，甚至更高比例的電能會轉換成熱量，而與傳統的照明器件不同，白光LED的發光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放，由于溫度對LED 材料的發光特性有極大的影響，LED輸出的總光通量隨其自身溫度的升高會迅速降低，因此散熱問題成為LED發展必須十分注意的重要因素。

　　散熱問題成為LED發展的瓶頸主要體現在兩個方面。首先，對于LED芯片來講，熱效應將降低芯片的發光效率，進而降低LED發出的光通量。由于熱量集中在尺寸很小的芯片內，一般芯片尺寸僅在1mm 1mm～

　　2。15mm 2。15mm范圍內，而很多功率型LED 的驅動電流達到350 mA,甚至1 A，這將會引起芯片內部熱量聚集，結區溫度升高，從而明顯地降低芯片的出光率。熱效應除了會導致芯片自身的發光效率降低之外，伴隨著溫升，還將導致芯片的發射波長漂移，從而使其和熒光粉的激發波長不匹配，降低了熒光粉的激射效率[6]，進一步地降低了白光LED的發光效率，加速了熒光粉老化，嚴重影響器件的光學性能。

　　其次，散熱問題在LED 器件的封裝中占有十分重要的地位。在封裝結構、封裝材料方面，如何有效解決LED散熱問題，尚存在許多亟待探討的問題。針對傳統LED采用的正裝結構具有散熱問題而產生的芯片倒裝技術，受硅片機械強度與導熱性能的限制，制約了其傳熱性能的進一步提高;將芯片封裝在金屬夾芯的PCB 板上的結構及通過封裝到散熱片上來解決散熱的方法，由于夾層中的PCB 板是熱的不良導體,從而阻礙了熱量的傳導。

　　就封裝材料而言，主要有粘結材料、熒光粉、灌封膠、散熱基板等，粘結材料和散熱基板是LED 散熱的關鍵。粘結材料對保證器件的熱導特性十分重要，如選用的導熱膠導熱特性較差，或選用的導電型銀漿在提升亮度的同時發熱過多, 且含鉛等有毒金屬，這些勢必影響LED的性能;基板材料可以選用陶瓷, Cu/W 板等合金作為散熱材料[7]，最近，韓國首爾研究所報道有熱阻為一般鋁材幾分之一的鋁合金問世，但這些合金生產成本過高, 不利于大規模和低成本生產。LED 封裝結構，封裝材料和導熱膠涂敷及LED電極的焊接工藝都將影響芯片側表面和上表面的散熱能力，因此必須給予充分的重視和細致的考慮。LED產生的熱量絕大部分是通過熱傳導的方式傳到芯片底部的熱沉, 再以熱對流的方式耗散掉，所以熱管器件的散熱技術在大功率LED照明裝置上得到廣泛的采用。LED產生的熱量絕大部分是通過熱傳導的方式傳到芯片底部的熱沉, 再以熱對流的方式耗散掉，所以采用新型的熱管工質配方，使用高效超導傳熱元件--熱管器件，不但傳熱效率高，結構緊湊，體積小，而且熱管二端可自由收縮，熱應力小，水蒸氣與熱源之間能雙重阻隔，確保安全不滲漏和煙阻小，易于清灰減少能耗，從而使熱管散熱技術在大功率LED照明裝置上得到廣泛的采用。

　　對于使用多個LED 密集排列的白光照明系統, 由于模塊間互相影響, 熱量的耗散問題更嚴重，對它的熱量管理,除了芯片層面減少管芯熱阻之外,還應采用高熱導率的封裝材料、設計更合理熱沉、優化驅動電源等以降低封裝后器件的熱阻, 提高器件性能。

　　1.3驅動電路

　　一個完整的LED 應用設計方案，其核心由三部分組成：驅動電路設計、二次光學設計和散熱設計，其中LED驅動電路的主要功能是將交流電壓轉換為恒流電源。功率型LED通常采用直流工作, 工作電壓僅為3.5伏左右, 但工作電流較大,在驅動電路設計時，既要考慮白光LED 的單管效率，也要考慮電路的整體轉換效率、復雜程度和成本。毫無疑問，驅動電路的效率會影響燈具的總效率，但追求高的驅動電路的效率會受到成本的限制。如LED恒流開關電源、有很高的效率，可以實現升壓效果，是目前最適宜的LED驅動電路。但它的成本較高，阻礙了LED的推廣應用。好的LED驅動電路設計不僅需要滿足特定的電學要求，而且應具有高效率和高可靠性，并且能在較高的溫度下進行操作，現許多企業采用的驅動電路，受成本制約往往還無法滿足這些要求，這樣就給LED的有效壽命和可靠性帶來很大的不利影響。適宜的LED光源工作電路應是集驅動，保護和控制電路，以及輔助電源，傳感器，無源元件為封裝成一個獨立整體相對完整的通用性元件。

　　近期LED的最新研制報道，已有直接用220伏交流驅動的LED光源出現，我們期待它的產品化能早日實現。

　　1.4非成像光學設計

　　由于LED芯片體積小，結構緊湊，其發光面積相對來說更小，它是一種180度角度出光的朗伯體光源，其光強分布與出光角的余弦成正比，亦即LED光源所發出的光線在被照表面上所形成的照度隨出射角的增大而迅速衰減。顯然這樣的光源特性是很難滿足照明用途的實際需求。因此根據不同的應用場合和需求，針對LED光源的特性進行二次光學設計，從而實現對LED芯片所發出的光進行整形和改變，尤其針對光強分布的情況。這樣的二次光學設計過程實際上已屬于非成像光學設計的范疇。[8]

　　與關心光源信息傳輸的成像光學系統設計比較，非成像光學系統設計關心的是光源能量的利用和光分布控制。由于非成像光學系統的結構簡潔，能量利用率高，因此在LED的照明系統設計中引起人們廣泛的關注，目前已形成LED科技界研究的熱點，尤其是讓LED照明系統在被照表面實現所要求的光分布，非成像光學設計能起到關鍵的決定性作用，如現已有公司推出新型的LED路燈產品，它只要對每一單顆LED的透明塑料前蓋罩完成非成像光學設計，然后只要將這樣的單顆LED安裝到散熱平面上，就能制成滿足道路照明要求的LED路燈，而不需要再配置光學設計的反光鏡。但盡管如此，設計滿足三維給定光分布應用需求的非成像光學封裝系統，仍然是當今LED光源進入照明市場更多地取代傳統光源的技術瓶頸之一。從某種意義上說,這也是我國打破國外LED照明技術領域專利封鎖的良好切入點。

　　2 成本

　　成本高是LED推廣應用不可回避的問題,一次性投入較大及產品性價比問題是影響LED 照明普及的重要原因。產生1000流明的光通量，對于白熾燈來說，成本小于1美元，對于緊湊型熒光燈，成本小于2美元。而對于LED光源產生1000流明的光通量，使用十顆大功率LED的成本超過了20美元。LED的成本問題是與LED技術層面瓶頸的解決是緊密相連的，關鍵技術瓶頸的突破無疑將會帶來LED成本的大幅下降。我國2009年LED的863下達項目之一，其國家資助的研制費就高達500萬元，它的要求是要研制完成產生1000流明的光通量LED光源，而其成本應為40元人民幣。

　　3 標準層面

　　目前LED無論在產品規格或測量上均缺乏適當的標準。為了使各種不同形式及應用的LED光源能有正確、可靠且具一致性的評估標準，制定相關的LED標準便成為LED產業迫切的需求。

　　就產品標準而言，目前市場上的LED 照明產品良莠不齊，產品信息許多都不夠準確、不夠完整，因此各項產品規范的建立相當重要，LED相關產品的規格標準的制定已成為關注焦點;就量測標準而言，LED的光電及熱學特性不同于傳統光源，使得LED的測量方法無法完全套用傳統照明光源的量測技術。

　　因此CIE在1997年提出了編號為127的技術文件《Measurements of LEDs》，也就是俗稱的CIE-127。在CIE-127當中，CIE提出了平均LED光強度(Average LED Intensity)的概念作為量測LED光強度的一種參考方法，也對LED全光通量的量測方法提出了建議。然而隨著LED技術的快速發展，CIE-127所提出的量測方法已不足以解決現階段LED量測的問題，尤其對于高功率LED而言[9]。因此，CIE陸續成立數個技術委員會以解決LED量測的相關問題，其中以修訂原有的CIE-127為目標的技術委員會已完成修訂工作，并已于2007年以第二版的形式公布了CIE-127：2007。在修訂版中最大的改變，是提出了部份LED光通量(Partial LED flux)的概念。

　　雖然如此，CIE-127：2007仍然無法解決許多目前高功率LED所遇到的量測難題。如用于LED 光強、光通量等重要光度參數測量的探測器, 一般是使用Si 光電二極管。探測器的靈敏度R(λ)無法與光譜視見函數V(λ)在所有光譜點準確匹配，特別是現有探測器在藍、紅波段誤差較大[10]。因此，用光電池探測器測量藍(紅)光LED的光通量時會產生很大誤差。為了達到匹配，通常在探測器前需加一組濾光片,由于濾光片材料的限制, 要達到完全一致是很困難的。而且，LED的溫升也將嚴重影響LED的光輸出性能，從而影響光參數的測量，LED 封裝的多樣性也決定了其空間光分布的復雜性和測量的難度。

　　當今國際組織發布和正在審編的LED標準或技術文件如下：國際電工委員會(IEC)在2006年公布IEC/TS62504：2006 LED及其模塊的術語和定義，IEC 60838-2-2：2006 LED及其模塊的燈座標準，IEC61347-2-13：2006 LED及其模塊的驅動電路的標準，還在2008年有IEC62031：2008 LED模塊的安全標準;IEC/TRF 62384：2008 LED及其模塊的驅動電路性能要求，IEC62560：2008 電源電壓大于50伏的自鎮流照明用LED光源的安全標準。 國際照明委員會 (CIE)在2007年公布的技術報告： CIE 127-2007 LED的測試，CIE177-2007 白色LED的顯色指數測試，還有其所屬的技術委員會(TC)的標準化研究文件 TC2-46LED光強測試，TC2-50 LED列陣的光學特性測試，TC2-58LED的輻射度和亮度的測試， TC2-63 高功率LED的光學測試，TC2-64 LED的快速測試方法，R4-22LED作為訊號光源應用的要求，TC6-47 照明光源的光生物學的安全要求，TC6-55 LED的光生物學的安全要求 。其它國外的相關標準：美國能源部(DOE)能源之星項目中固體光源的燈具要求， ASSIST 照明用LED壽命的定義和測試， 北美照明學會(IESNA)IES LM-79-08 固體光源產品的光電特性的測試方法和標準，IES LM-80-08 固體光源光維持率的測試方法，美國ANSI-NEMA-ANSLG C78.377-2008，固體光源的色特性的標準和要求。我國根據國外的研究動態現有26個LED相關標準在報批之中，如普通照明用LED模塊測試方法，普通照明用LED模塊的安全要求，半導體照明術語和定義，普通照明用電壓大于50伏自鎮流LED性能和安全要求，裝飾照明用LED燈，以及LED用熒光粉和藍寶石底片的要求等等。

　　4 我國LED產業發展面臨的瓶頸

　　LED產業鏈主要包括外延片生長和芯片制造的上游產業、LED器件和LED封裝的中游產業以及LED應用的下游產業。美國、日本、歐盟在LED研發領域已申請了許多材料生長、管芯制作、封裝等相關核心技術專利，我國臺灣地區及韓國部分光電企業經過發展也擁有了若干自主知識產權, 并已占有相當的市場分額。就我國具體情況而言，在LED產業鏈中面臨的最大瓶頸是大部分企業和研發單位集中在封裝和應用的產業鏈下游，上游產業力量弱小，整個產業缺乏核心競爭力。根據最新統計數據，目前我國從事LED的企業已達到2400 多家。但令人遺憾的是，應用產品和配套企業占了絕大多數，有 1700 多家;其次是封裝企業，約有600 家;最少的是從事外延生長、芯片制造的企業，研究單位和生產企業總共只有40 多家[11]。盡管我國的LED 外延芯片生產近年來也有很大發展和進步，但總體仍一直停留在中低檔水平，我國高光效、高可靠性的LED應用產品所用的高檔外延芯片幾乎全部依賴于進口，高光效的功率型芯片目前尚無國內廠家能夠提供。

　　5 總結

　　只有在全面了解LED推廣應用的諸多瓶頸的基礎上，我們才能更加明確LED產業和研發領域未來可尋的發展方向。針對本文提出的LED進一步發展所面臨的問題，LED要想取代白熾燈等傳統光源進入普通照明市場,我們感到有以下可行的思路[12]：(1) LED上、中游行業要學習和了解傳統光源的特點和要求，讓半導體工業和照明工業真正融合在一起，從而對照明用LED 的各項性能的改進和提高作出主要貢獻，其中以光效和壽命的提高為關鍵，除了在實驗室層面可達到高光效和長壽命外，市場上商用的LED也應達到更高的發光效率和壽命; (2) 采用更先進的工藝方法、封裝結構和封裝材料以解決散熱問題, 但必須同時解決這些新工藝、新材料帶來的其它問題，特別是性價比的問題;(3)電子學科技人員應研制出更高效和可靠的驅動電路，并讓所用的驅動電路裝置要有統一標準和可互換性，給用戶帶來使用和維修的簡便，這樣才能達到推廣應用的目的;(4)盡快完成和成熟LED照明所需的二次光學非成像設計的機算機軟件和使用的相關材料，使LED照明產品設計的成本降低并得到簡化，要如PC計算機的Windos軟件操作那么便利，從而使LED達到室內外照明工程的有關的要求更容易地實現;(5)LED產品標準和測量標準的進一步確立和完善，尤其是光生物學安全的要求和眼睛的保護，必須引起我們充份的關注和重視，從而為LED在更廣闊領域的應用奠定基礎。

　　參考文獻

　　[1]柯頓和瑪斯登編著，陳大華等譯，光源與照明 第四版，復旦大學出版社2001

　　[2] 周太明， 光源原理與設計，復旦大學出版社，2006年12月第二版

　　[3] Luo Yi, Zhang Xianpeng, Key Technologies for Solid State Lighting. Laser & Optoelectronics Progress Review, Vol.44, No.3 Mar.2007

　　[4] 夏長生，李志鋒，王茺等，拋物線型襯底InGaN/GaN 發光二極管的模擬研究[J]. 半導體學報，2006, 27(1):100～104

　　[5] M.George CRAFORD, High power LEDs for solid state lighting: status, trends, and challenges. Journal of Light and Visual Environment 2008 Vol.32 No.2

　　[6] Wang Jian, Huang Xian, Effect of temperature and current on LED luminous efficiency. Chinese journal of luminescence [J].2008, 29(2):258-262

　　[7] 蘇達，王德苗，大功率LED散熱封裝技術研究，照明工程學報，2007年第18卷第二期

　　[8] 陳大華，LED照明中非成像光學設計淺析，中國照明，2008年第6期

　　[9] 黃勝邦，周佩廷，綜論LED標準發展及制訂現況概觀，臺灣工研院電光所，2009年1月

　　[10] Jiangen Pan, Haiping Shen, Measurement of luminous flux of blue LEDs using spectral correction integral photometry method. Chinese Journal of semiconductors,

　　2006, 27(5):932-936

　　[11] 國家建設部，LED上游產業亟待突圍，建設科技，2008年第20期

　　[12] 陳大華 綠色照明LED實用技術 化學工業出版社 2009年9月

[光源設計]白光LED的開發設計

[行業聚焦]LED照明發展應對的問題探討