半导体照明光源技术问题大讨论（二） - 模拟电源 -

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。

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