臺灣LED照明技術動態
摘要: DOE同時推估2010年LED業界的冷白發光效率為134lm/W,但因燈具的出光、電路、散熱效率三者相乘后效率只有64%,因此透過技術提升燈具的光電熱效率以及LED發光效率和散熱能力是臺灣LED照明業者目前積極發展的方向。
美國能源署(DOE) 于2010年3月在Multi-Year Program Plan中推測2010年1千流明冷白光源價格將落在13美元,至2012年預估降至6美元,2015年預估降至2美元,屆時價格可媲美高強度氣體放電燈(HID),甚至低于節能燈(Compact Fluorescent Lamp)。目前5W LED燈泡制造成本約為12~14美元,價格仍偏高,至2012年可降至7~9美元左右,預計有10%的滲透率,2015年預估降至7美元以下,預計會有50%的滲透率,屆時也將是LED照明的成熟時期。DOE同時推估2010年LED業界的冷白發光效率為134lm/W,但因燈具的出光、電路、散熱效率三者相乘后效率只有64%,LED燈具將只剩86lm/W。因此透過技術提升燈具的光電熱效率以及LED發光效率和散熱能力是臺灣LED照明業者目前積極發展的方向。
(Source: US DOE SSL R&D, Multi-Year Program Plan, March 2010, table 4.4 & 4.5)
1. LED封裝
(1)高功率LED發光芯片
在照明級高功率LED發光芯片的開發方面,臺灣上游芯片廠在2010年已陸續從原有側光的藍寶石基板水平電極芯片,邁入金屬或其他不透光導電基板的垂直電極芯片,并透過制程增加萃光效率使出光效率提升。垂直電極芯片由于幾乎都由正面出光,在照明用LED封裝設計時可簡化結構設計就達到良好出光效果,并兼具較佳的散熱、電流分布及低驅動電壓。由于專利設計回避的關系,目前也有廠商研發水平電極但是不透光基板的芯片,以期達到同樣的效果。除了發光芯片,目前各家也積極開發白光芯片POC(Phosphor On Chip)技術,在芯片等級就完成波長轉換使芯片本身就是白光且是點光源,使封裝在設計和表現方面都比傳統點膠的白光LED具有優勢。但目前仍有制造的良率問題待克服。
(2)高功率LED散熱基板
臺灣下游LED散熱基板市場在2010年有多家廠商加入,以被動組件廠居多。高功率LED的封裝散熱基板除了傳統的金屬支架搭配塑料射出外,目前陶瓷基板也開始被廣泛使用。相較于金屬支架搭配塑料射出,陶瓷基板具有材料特性安定和長時間信賴性的特點,高功率操作更凸顯其優勢。早期的陶瓷基板需高溫共燒且厚模印刷,在制造成本、良率和產品性價比方面都不具優勢。目前的陶瓷基板采用黃光微影薄膜制程之直接鍍銅基板DPC(Direct Plating Copper),具有低制造溫度與成本、高線路分辨率與對位精度以及較佳的尺寸安定性和散熱效果等特點,可說是目前最適合高功率且小尺寸LED發展的散熱基板。雖然目前價格上仍高出金屬支架數倍,但在各家競相投入的態勢下,降價的速度也會加快腳步。
(3)AC LED
自AC LED應用研發聯盟于2008年10月成立以來,已逐漸整合產業界資源和加速AC LED產業化,也成功推動AC LED標準加入CIE國際標準化組織,將AC LED量測納入TC2-63之標準草案內容中,將AC LED標準國際化。AC LED是一種可以直接被交流電(110V/220V)所驅動,而不需外接變壓器或整流器的LED,可有效降低電路成本并減少15%~30%的電源轉換損失,高電壓低電流也減少電路傳輸損失。AC LED的制作利用晶圓制造技術,在單一晶粒上分割成多顆電性獨立的微晶粒,再將微晶粒互相串接形成回路,在晶粒面積、微晶粒數量與回路方式方面均透過設計與分析,以符合實際的需求。從燈具的應用角度而言,AC LED不需復雜的電子組件及電路設計,光源較具彈性的設計空間。從LED的角度來看,AC LED不僅可兼容DC LED的晶粒制程技術易于大量生產,其雙向導通的模式也可避免ESD問題,但目前其亮度仍不及DC LED, 且光源在供電不穩定下的閃爍問題也待克服。目前AC LED的封裝在第三季度可上看80lm/W,在3W~10W的照明應用方面和DC LED相比具有性價比優勢。
(4)HV LED(High-Voltage-LED)
和AC LED相比,HV LED是為彌補單顆DC LED僅能低壓驅動及AC LED發光效率較DC LED低的缺憾所衍生的解決方案,其利用半導體制程串聯數十顆微晶粒而成。將HV LED加上整流電路即與AC LED的功能相同,且恒時發光提供了更高的發光效率,同時也能夠應用在高壓DC驅動的照明市場。目前HV LED的效率已高于AC LED 20%,未來可望縮小冷白光和暖白光的距離,目標在2015年達到150lm/W。
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