如何执行LED照明系统的创新性设计 - 全文

　　白炽热灯泡的发展更可向前推至1850年，亦即Joseph Wilson Swan于1878年取得首项专利，并实现首个商品化的灯泡，甚至早在1805年的Humphry Davy所研发的艺术灯源，由此钨丝灯泡的创新，加上前后经过将近60余年的研发，才看到今日钨丝灯泡商业化的成果。

　　创新LED照明时代正式展开

　　100多年后的今天，进入发光二极体（LED）照明时代，虽然白光LED的发明仅仅19年，试过的材料也还不及爱迪生的六千余种，加上在21世纪知识开放、技术进步之时谈创新，或许不比19世纪容易，但LED商业化的脚步已积极进入市场，甚至许多产品早已悄悄的结束短暂的市场生命。虽然在地球暖化节能趋势等议题的迫使下，各国开始禁产或禁用白炽灯泡，但仍预期白炽灯泡将会继续存在于你我生活周遭达数10年之久。

　　由以上两项创新例子观之，创新或许就在周遭生活中易由灵感而生，并在商业市场产生重大价值，但灯泡的创新就足以称为是一个系统整合应用的艰难工程。

　　LED照明系统设计在现今确实须要相当积极地投入人才、设备及具有开创性思维的想法与作法，才有可能达到创新的目的。然而今天能称得上创新的LED照明寥寥可数，因为要创造产品须要丢掉旧有思维和包袱，并兼顾市场的商业性，往往让人却步。而任何创新背后必须先结合产品分析调查，作为商品化成功的立论基础。再加上创新的成果必须有专利的保护才能保障其价值及商业利益，为达到此目的，其背后资源的支撑是相当可观的。

　　至今，大多数的LED照明设计不是修改、抄袭或称之为逆向工程，就是想走开发捷径，套用现有的灯具规格。或许是因为缺乏整合性，碍于技术瓶颈，仅就造型变更，又或许LED照明市场尚未标準化，市场规模也尚未成熟，致使以市场测试实验性质的思维製作出改良式的照明产品居多。当然部分的LED照明产品，在某种程度上还是加入使用需求上的方便性、改良性或新颖性。在某种程度上不能说没有达到创新，但面对不久的将来，若LED系统照明要能够在商业市场占有一席之地且继续茁壮，确实须要整合创新的布局及执行能力才能面对往后更严苛的市场挑战。

　　目前的创新须以符合大众市场需求及创造大量商业价值为前题，小众市场的创新设计已蓬勃发展中，但姑且称之为艺术价值高于实体应用价值所设计出的产品。

　　因为LED照明所追求的并不完全在于技术指标，照明本身的功能也并不全然是为须要照亮而亮，当然创新包括在光机电热技术的整合突破，另外亦须兼顾消费者在视觉、触觉等感官的价值。目前动辄新台币数万元的LED桌灯、檯灯或投射灯，在产品的背后所要呈现的仍多半在于表达视觉创新、触觉价值或经由控制达到精神感官的创新互动。LED售价并非过于昂贵，而是在商品化后设计创新的附加价值所使然。

　　LED的应用範围极为广泛，现就针对照明应用系统创新设计的相关问题及开发的方向一一探讨。

　　不同照明应用的LED性能要求迥异

　　为扩大LED光源市场接受度，其须达到功能性要求的必要性，并不是每种LED照明光源都必须追求最高发光效率、最低价格、最高演色性、最长寿命等，而是依据应用不同而有所差异，现以室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场为例谈起。

　　对于LED光源首要追求的是达到最佳的性价比，在安全无虞的情况下，得到最高的流明输出、最小的消耗电能及最低的价格。因为对于消费者大众而言，比较传统其他光源，花最少钱能买到最具经济效益的产品是购买的主要动力之一。至于是否达成无紫外线、不含汞、高演色性、5万小时寿命等行销的附加价值并非扩大市场接受度的主因。当然品牌代表某种程度的品质信赖，此外视觉感官对于颜色喜好也会有所影响，因此如何创新设计适合市场需求的LED光源，将是技术面要探讨的课题。

　　LED光源的发光效率发展至今，已超越绝大部分传统光源（图1、2），唯独少部分低压或高压放电光源的效率可以一较高下，但就电源控制和驱动上，体积与温度又各自有其优缺点，以下将就LED照明系统设计的每一环节说明。

　　

　　图1　1995～2020年LED发光效率演进

　　

　　图2　LED照明利基市场

　　创新製程/AC LED实现高效能晶片

　　现阶段市场上的LED磊晶片，无论是Cree的垂直元件、飞利浦（Philips）Lumileds的覆晶元件或日亚（Nichia）、晶元光电等平面式的元件，为求优化晶片本身的效能，不外乎利用不同的基材（透光、导热考量）搭配光学反射层的效率（反射出光）；上/下粗化结构（改变反射、折射增加出光）；线路光罩设计（增加出光面积改善电流分布密度，以降低驱动电压增加出光效率）；晶片尺寸最佳化的调整；再加上磊晶製程参数变异调整等来达到晶片最高的光电转换效率，在每一製程中钻研材料和製程所能提供增加转换效率的方法。

　　至于哪种结构是最佳的创新设计？就发光效率而言，或许垂直元件较优；但就室内照明中的一般办公室工作照明、阅读照明及未来家用灯泡置换照明市场的製造成本而言，***目前平面式晶片则在性价比上远优于国外大厂。另外，在晶片端的应用结构设计创新，除了由製程改善去创新整体晶片效益外；交流电（AC）LED的诞生，使LED照明应用不仅有直流晶片串并联的选择，而能有交流市电直接驱动，因此可减少变压器的成本、产品内部空间、驱动电路规格迥异、变压器效率损耗及品质寿命等问题，大大简化模组及产品设计端的问题。然而目前在市场消费端面临的创新所衍生的其他问题也随之而来，其一为产生因创新导致消费者出现陌生的疑虑，而在消费行为上迟疑胆怯，此消费群未必是终端消费大众，而是LED照明产品供应链中的中下游购买者，其会对产品因陌生而迟疑、对交流电性的不了解或对产品风险的不确定性，而不敢创新产品的开发；其二是创新令消费大众观望，但却令消费族群中的嚐鲜族雀跃。然而前两者问题可在LED中下游供应链中透过创新设计及严谨的测试手段釐清疑虑，进而创造产品市场区隔和竞争优势。

　　创新封装设计需求日益殷切

　　封装设计以早期的灯源型态到塑料无接脚晶片承载封装（PLCC）侧面（Side View）或上面（Top View）型态，均以单晶或多晶片封装型式存在，驱动电流在120毫安培以下居多，早期以3C消费性电子产品如手机萤幕背光、数位相框背光、笔记型电脑萤幕背光等，但进入到一般照明后，仍有众多厂商以小瓦数PLCC封装元件作为光源，再结合多颗光源实现灯具产品的光源模组（图3），在LED光源封装并未应用到创新的设计。

　　

　　图3　多颗LED光源组合的照明模组

　　创新投射/泛光型封装须面面俱到

　　对于泛光型灯泡或聚光型光源，如E27型的球泡灯、PAR灯、AR111、MR灯、镶入崁入式筒灯、轨道头射等光源产品而言，会在LED封装光源上趋向于单点高流明输出（投射型）（图4）/多点组合输出（泛光型）（图5）、高演色性（CRI》80）、低热阻係数（《3k/W）、光色温的均匀度、增温下的色温偏移、长寿命/高可靠度等，如何从封装（图6）角度创新达到市场需求，可分别说明如下：

　　

　　图4　单点高流明输出

　　

　　图5　多点组合输出

　　

　　图6　晶圆级（Wafer Level）硅晶片封装

　　在实行创新前，要先清楚产品最终的目标，达到满足预期市场上对LED封装光源规格趋势。

　　首先，须选定最适当的晶片，了解晶片结构、晶片光电特性与晶片性价比，再来设计最佳的封装结构。目前高功率45密耳（mil）以上晶片封装，在350毫安培电流驱动下，可以达到每瓦150至160流明，今日***晶片在各国其他大厂的竞争下，更可做出绝对优于国外厂家的每美元160流明的规格。

　　其次，固晶上必须选用最佳晶片贴着（Die Attachement）材料及製程技术，用高导热硅胶、银胶（》15W/mk）甚至以助銲剂（Soldering Flux）銲锡（Cu-Sn-Au），将晶片銲接在金属基板，更或者以共金（Eutectic Bonding）製程将晶片熔接于硅晶片上。这些固晶製程的选用，都在于降低晶片节点温度，提高在相同电流下的电光转换效率和增加光效能，降低材料老化造成日后光衰的比例，以及提升固晶接着的可靠度。 此外，封装单体载板（Substrate）的选用设计，过去以低功率的支架（Leadframe）为主，渐渐走入高功率的金属支架（Metal Slug），在进入低温共烧（LTCC）陶瓷（Ceramic）、高温共烧（HTCC）陶瓷、晶片直接固定在各式金属基板（Chip on Metal Board），再到晶片固定在8吋硅晶片上，随着功率不断增加、光型的要求、单位面积内的热密度（Thermal Density）提高，对于封装晶片载板设计的选用，必须去创新开发更能加速热传导、更能萃取光输出、更能减低材料变异而产生老化衰减的材料。在结构设计上要因选用晶片的不同而有所改变，如此才能达到封装整体效能的最佳化，并不是购买一般支架或公板陶瓷放入最大转换功率（Power Flux）的晶片，即可封装出最佳光效能元件。

　　另外，在现今LED照明应用，虽有各种颜色的装饰应用，但最主要还是以白光为主，然而产生白光的方式不外乎红绿蓝光混光、紫外线激发红绿蓝萤光粉，或最为普遍的蓝光加黄色为主的萤光粉。但谈到创新，在此特别针对叁个方向略述，其一为高演色性（CRI），CRI大于80甚至于大于90，必须在萤光粉材料做创新开发。对于封装研发而言，必须进行各波段萤光粉与接近610～630奈米红色萤光粉，更甚至到655奈米红色萤光粉进行在不同封装结构下，及蓝光波段搭配的实验比对，找到无论光输出效率、演色性或色温的最佳组合，再加上封装胶材、点胶方式的不同及萤光粉沉淀与否，或多或少增加封装难以控制的变数。其二，封胶和萤光粉涂布製程上的创新，从针筒点胶（Dispensing）到模具充填（Molding）、印刷填胶（Printing）、高精密度的喷胶充填（Conformal Coating and Inject Printing）等创新製程，提升产能、良率、出光效率，也改善出光的均匀性。此外，更具创新与商品化的是所谓的Remote Phosphor製程，其将萤光粉抽离晶片表面，在一定距离外，以不同的方式将萤光粉附着在透光结构体上。飞利浦更将此创新技术应用在灯泡类产品，其光效成果与研究机构、学术单位过去发表的学术实验结果或理论相去不远，确实可达每瓦100流明以上、CRI》80的效能。 最后，在照明封装元件创新过程尚须注意演色性与出光效率（图7）。

　　

　　图7　LED演色性与发光效率变化图

　　降低节点温度提高演色性

　　实际照明使用上是没有人去看Tj=25℃下的瞬间流明效率，封装的研发创新过程中，更要去注意温度与光输出的变异，而此变异也会明显影响实际使用情况下的色温差异及些微的演色性变异（图7），如灯泡类、嵌入式下照灯具等，LED周围环境都相当轻易达到60～80℃，换言之，不是最佳化的照明系统设计，极为可能让LED节点（Junction）温度达到120～150℃，实际热效应造成光输出的减低（Hot-cold Factor）会超过15%以上。为改善此弊病，整个照明系统的每一介面热阻必须努力调降，以达到降低节点温度目的，减少色温偏差（图8）。

　　

　　图8　LED周围温度与相对光束特性变化图

　　创新模组设计须考量三大议题

　　完成最佳晶片封装元件，就光特性而言已决定一大半，模组设计上所须考虑的重要议题则是热处理（Thermal Management）、电源控制和电路设计及二次光学机构设计，而此叁项的设计不佳，则轻易的就能在模组系统中损失50%以上的光输出效率，就算达到每瓦150流明，在组成系统之后，就会发现终端产品只在60～70流明。

　　现将透过不同方式解决上述叁个问题：其一为採用高导热材作，如模组电路机板、在低导热材机板上增加与空气接触面积、将LED元件（热源）分散放置或将发热电子元件分离或远离LED光源，避免使用任何低导热绝缘层来增加LED热传导过程中的阻力（热阻）。其次为电路板面採高反射率绝缘漆来增加向下光的反射，以高效率的定电流控制元件减少电源消耗，同时採温度控制机制调节定电流输出，作为一种保护机制，以及採高压交直流转换电路降低变压损耗。此外，採耐久高透光性或高反射性材料做二次光学透镜或反射光学件，以专业光学模拟软体计算设计模拟最佳出光效率。

　　创新照明系统设计须兼顾开创/不可取代/市场性

　　在此结合光机电热的系统中，除选对或设计最佳LED元件，搭配最佳模组热管理及电路设计，加上使用二次光学，始完成最接近消费者的产品设计。当然产品设计并非在此阶段才开始，而是在本文最早依据市场使用需求立论基础而来。所有系统设计的环节，皆是为了最终产品目的。在创新LED照明框架下，终端产品本身必须具开创性、不可取代性及市场性。

　　图9由圆形单片组成光源体组合的镂空立体灯具，虽然是欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）以有机发光二极体（OLED）设计而成的概念，但此概念在目前是可以商业化且充分兼顾LED照明功能的优越性，以及对热对流和热传导的设计考量。至于日本Panasonic电工所设计的薄型下照灯（图10），亦具备一般传统光源所无法的取代性，超薄的尺寸透露轻巧的视觉感受，若採用AC LED更可将厚度再薄型化，当然热处理上必须考虑散热面积、表面材质的应用处理，加上空气对流设计，藉以降低空气接触面的热阻，加速散热效果。

　　

　　图9　欧司朗OLED概念照明

　　

　　资料来源：Panasonic电工

　　图10　Panasonic电工开发的薄型下照灯

　　至于户外照明、建筑照明、特殊照明如养殖农业、医疗等其他LED照明应用创新设计在基本上在光源封装上要研发创新的部分差异不大，而是在模组设计、电源电路控制及光学机构设计，各有其使用环境限制、功能表现及波长独特性，仍需LED研发人员努力去开创。