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面向照明用光源的LED封裝技術探討
摘要: 從現階段的性能指標來看,LED已經初步具備了進入照明領域的能力。盡管目前的性能優勢并不明顯,但隨著外延、芯片技術的快速突破和封裝技術的不斷進步,LED作為照明光源的性能將遠優于傳統光源的性能,這一前景是可以期待的。
Abstract:
Key words :

  照明就是為人類用眼睛感知世界和辨識物體提供光線。太陽是天然廉價的最佳照明光源,在太陽光照射不到的地方,人類需要借助人工光源進行照明。人類對照明光源的使用,經歷了從蠟燭、油燈、煤氣燈等簡單光源,到愛迪生發明的白熾燈,再到熒光燈、鹵素燈、高壓鈉燈、金屬鹵素化燈、三基色熒光燈等電光源。各種電光源的出現,在給世界帶來了越來越多光明的同時,也帶來了越來越多的節能環保方面的問題。20世紀90年代后期,白光LED的出現,使節能環保的固態照明成為可能。

  LED具有高效節能、綠色環保、使用壽命長、響應速度快、安全可靠和使用靈活等顯著特點,已被公眾廣泛認可為繼煤油燈、白熾燈、氣體放電燈之后的第四代革命性照明光源。

  從1962年第一只LED問世至今的四十多年的時間里,LED的封裝形態發生了多次的演變。從60年代的玻殼封裝,到70年代的環氧樹脂封裝,到90年代中后期的四腳食人魚封裝、貼片式SMD封裝、大功率封裝、芯片集成式COB封裝等。隨著大功率LED在半導體照明應用的不斷深入,其封裝形態在短短的幾年里已發生了多次的變化。

各種照明光源的主要性能指標的比較

表1 各種照明光源的主要性能指標的比較

  照明就是為人類用眼睛感知世界和辨識物體提供光線。太陽是天然廉價的最佳照明光源,在太陽光照射不到的地方,人類需要借助人工光源進行照明。人類對照明光源的使用,經歷了從蠟燭、油燈、煤氣燈等簡單光源,到愛迪生發明的白熾燈,再到熒光燈、鹵素燈、高壓鈉燈、金屬鹵素化燈、三基色熒光燈等電光源。各種電光源的出現,在給世界帶來了越來越多光明的同時,也帶來了越來越多的節能環保方面的問題。20世紀90年代后期,白光LED的出現,使節能環保的固態照明成為可能。

  LED具有高效節能、綠色環保、使用壽命長、響應速度快、安全可靠和使用靈活等顯著特點,已被公眾廣泛認可為繼煤油燈、白熾燈、氣體放電燈之后的第四代革命性照明光源。

  從1962年第一只LED問世至今的四十多年的時間里,LED的封裝形態發生了多次的演變。從60年代的玻殼封裝,到70年代的環氧樹脂封裝,到90年代中后期的四腳食人魚封裝、貼片式SMD封裝、大功率封裝、芯片集成式COB封裝等。隨著大功率LED在半導體照明應用的不斷深入,其封裝形態在短短的幾年里已發生了多次的變化。

各種照明光源的主要性能指標的比較

表1 各種照明光源的主要性能指標的比較

  一、發展新型LED光源封裝形式,保證性能的前提下降低封裝、應用成本

  LED封裝形態的每一次變化,都是因其應用領域需求的不同而做出的。走向未來照明的LED光源將會是什么樣子的?現有的LED封裝能否走向照明?要回答這個問題,得弄清楚半導體照明對LED光源的需求。

  從現階段的性能指標來看,LED已經初步具備了進入照明領域的能力。盡管目前的性能優勢并不明顯,但隨著外延、芯片技術的快速突破和封裝技術的不斷進步,LED作為照明光源的性能將遠優于傳統光源的性能,這一前景是可以期待的。

  LED光源要進入照明領域,性能的優劣只是前提,成本的高低才是真正的決定因素。在半導體照明發展的初期,著力于追求性能是必須的;在半導體照明發展到一定階段,我們應將注意力轉移到如何在保證性能的前提下大幅度降低成本。因為我們要做的不只是小資們欣賞的藝術品,而是普通大眾都能接受的大宗商品。成品的高低決定著LED作為光源對照明領域滲透率的高低。
商品成本的降低,一般有以下途徑:

  材料降成本——在原有產品方案上壓供應商的材料價、降低材料等級或選用替代材料,最直接有效,但幅度有限,且存在一定的品質風險;

  技術降成本——采用新的技術路線,改變原有產品方案,減少用料和制造環節,幅度客觀;

  效率降成本——有賴于技術、設備和管理的進步。

  要降低LED光源的成本,以上途徑都要考慮,但首要考慮的是如何因應半導體照明的特點,打破傳統封裝觀念的約束,以新的技術方案來降低LED的封裝成本。

  對傳統照明而言,一般都是采用“光源+燈具”的模式,光源的制造相對獨立于燈具。由于LED光源具有體積小、發強光和易于控制等的特點,故在應用中一般可根據照明效果的要求做出靈活的變化和選擇。對于半導體照明而言,LED光源與燈具的制造沒有明顯的界限,LED光源成本的降低應與照明系統的要求整體考慮。因此,LED光源的封裝方案應根據照明系統的驅動電路、熱量管理、光學設計和結構設計等要求而做出,目的就是發展新型的LED光源封裝形式,在保證整體性能的前提下大幅度降低封裝和應用成本。

  二、芯片集成COB光源模塊個性化封裝可能成為半導體照明未來主流封裝形式

  LED有分立和集成兩種封裝形式。LED分立器件屬于傳統封裝,廣泛應用于各個相關的領域,經過四十多年的發展,已形成了一系列的主流產品形式。芯片集成COB模塊目前屬于個性化封裝,主要為一些個案性的應用產品而設計和生產,尚未形成主流產品形式。

  傳統的LED燈具做法是:LED分源分立器件→MCPCB光源模組→LED燈具,主要是由于沒有現成合適的核心光源組件而采取的做法,不但耗工費時,而且成本較高。實際上,我們可以將“LED光源分立器件→MCPCB光源模組”合二為一,直接將LED芯片集成在MCPCB(或其它基板)上做成COB光源模塊,走“COB光源模塊→LED燈具”的路線,不但省工省時,而且可以節省器件封裝的成本。

  與分立LED器件相比,COB光源模塊在照明應用中可以節省LED的一次封裝成本、光引擎模組制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具系統中,實際測算可以降低30%左右的光源成本,這對于半導體照明的應用推廣有著十分重大的意義。在性能上,通過合理的設計和微透鏡模造,COB光源模塊可以有效地避免分立光源器件組合存在的點光、眩光等弊端;還可以通過加入適當的紅色芯片組合,在不明顯降低光源效率和壽命的前提下,有效地提高光源的顯色性(目前已經可以做到90以上)。在應用上,COB光源模塊可以使照明燈具廠的安裝生產更簡單和方便,有效地降低了應用成本。在生產上,現有的工藝技術和設備完全可以支持高良品率的

  OB光源模塊的大規模制造。隨著LED照明市場的拓展,燈具需求量在快速增長,我們完全可以根據不同燈具應用的需求,逐步形成系列COB光源模塊主流產品,以便大規模生產。

  三、小型化貼片式LED也將是LED光源的另外一大主流產品

  除了芯片集成的COB光源模塊有可能成為未來的半導體照明的主流封裝形式外,高性能、低成本、方便于大規模生產制造和安裝應用的小型化貼片式LED也將是LED光源的另外一大主流產品。個人認為,未來半導體照明的主要表現形式為:

  平面照明——辦公場所或背光照明;

  帶狀照明——裝飾照明;

  燈具照明——替代傳統照明。

  在平面照明產品中,芯片集成的COB光源模塊和貼片式LED的應用將并存;在帶狀照明產品中,貼片式LED將獨領風騷;在燈具照明產品中,芯片集成的COB光源模塊的應用將成為主流。

  總之,走向照明的LED光源將形成兩大主流形態——功能化的芯片集成COB光源模塊額小型化LED器件,低成本將是永恒的主題。誰能率先打破傳統封裝的約束,開發出符合半導體照明需求的LED光源,誰就能占得產品的先機;誰能夠在保證性能的前提下將成本做到極致,誰就能把握未來LED光源的市場。

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