LED照明具有光效更高、壽命更長；不含有害物質汞；使用壽命與燈的開關次數(shù)幾乎無關、可提倡“隨手關燈”；可以瞬間起亮等突出優(yōu)點，被認為終將替代白熾燈和節(jié)能燈，成為節(jié)能照明的主流。實際上，只有在LED燈的性價比全面超過白熾燈、特別是超過目前廣泛使用的節(jié)能燈后才能成為通用照明燈的主流。
而LED照明的課題看起來十分明確，即在保證光質量的前提下光效需要大幅提高，例如比節(jié)能燈高一倍以上；價格需要大幅下降，最好接近節(jié)能燈；使其性價比明顯優(yōu)于節(jié)能燈。
目前的LED通用照明燈大多由功率型LED加金屬散熱器和恒流驅動電路構成。笨重的金屬散熱器不僅增加了燈的成本和重量，同時要消耗大量鋁資源，有悖環(huán)保。一個LED燈就像一個金屬球，不利于安全，特別是大功率LED燈。因此，目前不少消費者購買時還是選擇節(jié)能燈。
本文將結合筆者所在公司的研發(fā)工作介紹一種LED 4π出光的高光子提取率、高效率、無金屬散熱器的LED通用照明燈(可以直接替換白熾燈和相當光通量的熒光節(jié)能燈的LED照明燈)技術。
該LED通用照明燈的整燈發(fā)光效率比熒光節(jié)能燈高一倍以上；顯色指數(shù)可高達96；可制造光通量為幾十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明燈，L70壽命可達30000小時?？芍苯犹鎿Q10～100W和更大功率的白熾燈和相當光通量的熒光節(jié)能燈。
一、 LED芯片4π出光、提高PN結光提取率和實際光效
白光LED發(fā)光過程的能效η為：
η =ηI ×ηO × ηC ×K
其中，ηI ：內量子效率；ηO：外量子效率；ηC：光子下轉換損失；K：發(fā)光粉吸收。
有人分析，在理想情況下，ηI = 0.95；ηO = 0.5；ηC = 0.875；K =0.95，因此，最高理想的能效η=39.5%。這里的外量子效率ηO 指的是光子在出射過程中被芯片、窗口材料，熒光粉及透鏡等沿途吸收或在不同折射率介質界面反射回芯片內部再被吸收等的結果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功當量為320 lm/W計算，則最高光效為320×0.395=126 lm/W。這顯然是被低估了。但由此我們可以看到提高LED光效的一個重要并有巨大潛力的因數(shù)是提高光提取率。
LED的光來自LED芯片的PN結，其發(fā)光原本是4π立體角全方位均勻出射的自然光，但目前幾乎所有的LED元件都是≤2π出光的。
LED的應用從初期的指示燈到數(shù)碼顯示和目前的彩色大屏幕顯示、液晶顯示的背照明等，在這些應用中，需要把原本是4π出射的光用反射碗和透鏡等聚集向前方、即轉變?yōu)?amp;le;2π出射的光，包括直插式、草帽式、表面貼(SMD)和COB等；這樣的變換對于這些應用是需要的，也是正確的。
不過，這樣的變換讓芯片原本向后發(fā)射的光聚集向前方，將明顯降低PN結發(fā)射的光的提取率，即降低了LED的實際有效光效，這對于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。如果讓LED芯片4π出光，將可明顯提高LED PN結產生的光子的提取率、即提高LED的實際光效。
圖1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意圖。LED芯片被安裝在光反射碗的底部，反射碗內有光出射面為平面或曲面的透明介質(圖1中為平面的例子)。
芯片PN結向上發(fā)射的2π立體角光(以藍色表示)的一部分可直接從光出射窗出射，另一部分光經(jīng)透明介質表面全反射后經(jīng)反射碗反射或直接經(jīng)反射碗反射后出射。其中，直接出射光約為2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%，這里我們設透明介質的折射率為1.5，經(jīng)反射碗反射后出射的光占75%，設反射碗反射率為0.75，若不計反射碗多次反射和透明介質的吸收損失，則總光提取率為(25+75×0.75)%=81%。
LED芯片向下發(fā)射的2π光(以紅色表示)，要經(jīng)過芯片背鍍反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、多次反射、多次碗底和壁的吸收，估計出射率約為60%(取決于反射碗壁和底、電極表面、電極之間介質面、固晶膠等的反射率)。
因此，LED芯片光的總提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%，即約30%的光被LED元件吸收而變?yōu)闊崮堋?/span>
圖2是LED芯片4π出光的示意圖。其中LED芯片為芯片基板是透明的芯片，至少一串相互串聯(lián)或串并聯(lián)的芯片被用透明膠固定在一個LED發(fā)光元件的透明基板上，芯片上覆有透明介質層或發(fā)光粉膠層。
若芯片基板為藍寶石，藍寶石上的外延層和PN結為GaN，P電極為ITO，LED元件透明基板為玻璃，透明介質為硅膠，它們的折射率分別為1.77、2.4、1.8、1.45、1.5，由圖2可見，離開LED芯片PN結向上和向下發(fā)射的各半球2π的光都可以順利出射，藍寶石基板內部基本上沒有多次反射吸收，若不計介質吸收，LED芯片的光幾乎可100%出射。
即4π出光的LED元件的實際發(fā)光效率要比SMD式LED高約(100-71)/71=41%。我們的實驗結果基本與此相符。
可見，讓LED芯片4π出光可提高LED元件的實際發(fā)光效率約40%，同時減少LED的發(fā)熱量?？紤]到現(xiàn)有LED元件的不同結構，4π出光應可比≤2π出光的光效高30%以上。
其實這個概念幾乎所有LED工作者早就知道，但沒有能實用，其關鍵是沒有能解決LED芯片的散熱問題。
二、氣體散熱分析
要讓LED芯片4π出光，芯片四周必須是高透光率而且可散熱的透明介質。人們很容易首先想到的是用液體散熱，因為透明介質中、液體的導熱率一般都比氣體要高得多。例如水的導熱率為0.5 W/(m·K)，是空氣導熱率0.025的20倍。
十多年來一直有人在研究用液體散熱來達到LED芯片4π出光，但液體散熱仍有一些難以克服的困難，例如，液體的粘滯系數(shù)比氣體大很多，水的粘粘滯系數(shù)為8937μP，是空氣的10倍，是氦的77倍，高粘滯系數(shù)導致LED芯片周圍很容易因為芯片發(fā)熱使液體相變氣化，而產生的氣體因為液體的高粘滯系數(shù)而難于跑掉，芯片容易被靜止的氣體包圍，而任何靜止的氣體都是良絕熱體，因而容易使芯片過熱而燒毀。此外，還有液體容易電解、侵蝕芯片和發(fā)光材料、泡殼破碎后的污染等問題，至今還沒有很好的實用產品。
氣體與液體相比，雖然導熱率低，但粘滯系數(shù)比液體小的多，容易形成氣體對流，有效地把LED工作時產生的熱帶走散發(fā)掉，從而獲得良好的散熱效果。
初期，人們把LED芯片安裝在條狀或平板型透明基板上，在空氣中工作，利用空氣散熱。但由于空氣的導熱率低、粘滯系數(shù)高，難以有效散熱。若LED芯片安裝在一個平板上，則熱量集中更不利于散熱，因此難以制成光效高，又能足夠輸出光通量的LED燈。例如，Ushio的LED燈絲燈，輸出光通量僅36 lm，光效僅60 lm/W。又如松下的LED芯片安裝在一透明平板上的空氣散熱的LED燈泡，輸出光通量為210 lm，光效為47 lm/W。這些LED芯片4π出光的LED燈泡的光效反而低于用現(xiàn)有≤2π出光的LED元件制成的LED燈，現(xiàn)有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡燈的效率為40～90 lm/W，其原因在于沒有解決LED芯片的有效散熱問題，致使LED芯片的PN結溫升高、光效低，輸出光通量小。
筆者所在的公司有效地解決了4π出光芯片的散熱問題，其方案是：把至少一串相同或不同發(fā)光色的LED芯片用透明膠分散固定安裝在一個透明基板條上，芯片和透明基板條四周有至少一層透明膠層或發(fā)光粉層；透明基板二端有電引出線，制成LED發(fā)光條(或稱LED燈絲)；所述LED發(fā)光條被安裝在一個真空密封的透光泡殼內，泡殼內充有高導熱率、低粘滯系數(shù)的傳熱并保護LED的氣體；LED的電極經(jīng)真空密封泡殼的芯柱的引出線引出，經(jīng)LED驅動器與一電連接器連接，電連接器用于連接外電源，制成一個外形與白熾燈相似、高光效、無金屬散熱器的LED燈絲燈，可直接替換白熾燈和節(jié)能燈。
現(xiàn)已制成了整燈光效高達170 lm/W的A19型LED燈泡；其輸出光通量可達760 lm；顯色指數(shù)(CRI)可達96。最近該公司實驗室已制成色溫5000K、CRI為71，光效高達193 lm/W的A19燈。其光效比節(jié)能燈高一倍以上。從而使LED 4π出光、無金屬散熱器的LED燈泡進入了實際使用時代。圖3是銳迪生4條LED發(fā)光條串聯(lián)的LED燈絲燈示意圖。
高導熱率低粘滯系數(shù)的氣體優(yōu)選氦或氦氫混合氣。氦的導熱率為0.14 W/(m·K)，是空氣的6倍，粘滯系數(shù)僅194μP，是空氣的1/8；氫的導熱系數(shù)為0.15，粘滯系數(shù)為87.6，且成本低，但使用欠安全；為降低成本，可用氦氫混合氣。高導熱率低粘滯系數(shù)氣體容易形成有效的對流散熱，可以把LED芯片工作時產生的熱很快帶走，傳遞給燈泡的泡殼，再經(jīng)泡殼到周圍空氣散發(fā)掉。
其次，采用導熱率較高的發(fā)光條透明基板，例如用硬玻璃、石英玻璃、藍寶石、透明陶瓷、AlN等。同時要采用導熱率高、透光率高的固晶膠和發(fā)光粉膠，并盡可能減小它們的厚度，還要盡量增加透明基板和發(fā)光粉膠與散熱氣體的接觸面積，以降低LED的PN結到散熱氣體的熱阻。所述至少一層發(fā)光粉層可被涂覆在透明基板和LED芯片四周，例如涂覆在發(fā)光條有LED芯片和無芯片二面，或僅在有芯片一面，也可以先在透明基板上涂覆一層發(fā)光粉層，LED芯片被固定在該發(fā)光粉層上、芯片電連接后再涂覆一層發(fā)光粉層。
此外，還可以把發(fā)光粉涂覆在燈泡泡殼的內壁上，發(fā)光條的LED芯片上僅有一層透明膠，發(fā)光粉遠離芯片，有利于減小光衰，增加燈的使用壽命。
我們可以用藍加紅或橙LED芯片以提高CRI，還可以用RBG三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光條，而無需用發(fā)光粉。所述芯片也可以是芯片基板背鍍反射膜的或不透明的芯片，所制成的LED發(fā)光條仍為4π出光，但其光效將比芯片基板是透明的要低。所述芯片還可以用倒裝LED芯片，倒裝在印有電連接線的透明基板上制成發(fā)光條，還可用一個芯片上有多個PN結的高壓LED芯片(HVLED)制作發(fā)光條，以減少芯片之間的電連接線，提高成品率和生產效率。
這類LED燈絲燈的光效要比現(xiàn)有用≤2π出光的LED元件制成的球泡燈高30%以上，而且無金屬散熱器，可節(jié)省大量鋁，更環(huán)保，重量輕，目前已經(jīng)開始被市場接受，批量生產。
然而，也有人擔心它的使用壽命難以達到30000小時或以上，難以制成輸出光通量高于800 lm的大功率LED燈。下文會對此分別敘述。
三、壽命分析
LED燈壽命主要取決于LED PN結的工作溫度和發(fā)光粉的光衰。
圖4所示為目前常用的GaN LED的不同PN結溫的光通量衰減圖，圖中標有不同結溫時的L70壽命。由圖可見，若結溫<85℃，L70壽命可達30000小時以上。LED PN結的溫度不容易測量，用主波峰的位移、結電壓變化、紅外成像儀、發(fā)光效率的變化等可以估計PN結的結溫。
圖5所示為相對光通量和結溫的關系，由圖5可見，在恒定LED輸入功率的條件下，穩(wěn)定光通量比冷態(tài)光通量下降10%時的結溫為75～85℃。恒定功率條件下光通量的變化，即相對光效的變化。因此我們可以測量燈的初始光效和熱穩(wěn)定后相同輸入功率的穩(wěn)定光效之比來估計LED燈穩(wěn)定工作時PN結的結溫，若此穩(wěn)定光效和初始光效之比≥0.9，由圖4和5可見、燈的壽命估計可達30000小時以上。當然，同時還要計及發(fā)光粉的光衰和其它因數(shù)；最后還需要以實際測量來確定。
也就是說，LED燈絲燈的設計，應該滿足穩(wěn)定光效和初始光效之比≥0.9的條件，LED燈絲燈才可能有30000小時以上的使用壽命。
我們的壽命試驗的實驗結果如圖6所示，該實驗結果是14個穩(wěn)定光效和初始光效之比>0.9的400 lm的LED燈絲燈壽命測試的平均值(Lr)。圖中虛線為能源之星35000小時壽命的光衰曲線，其中1000小時被定義為初始值(100%)。由圖6可見，所述LED燈絲燈的L70壽命有可能達到30000小時以上。
現(xiàn)在我們再來看一看燈泡中充高導熱率低粘滯系數(shù)氣體的重要性。圖7所示為同一個3.9W的LED燈絲燈，在充有室溫下近一個大氣壓的氦氣和折斷排氣管放入空氣后，在相同輸入功率條件下，光效隨時間的變化。圖中上面一條曲線為充有氦的測試結果，下面一條曲線為相同測試條件下，放入空氣后的測試結果。由圖可見，在充有氦氣時，穩(wěn)定光效與初始光效之比>0.9，對照圖4和5、其PN結的結溫<85℃，預計壽命可大于30000小時。
然而一旦放入空氣，不僅其穩(wěn)定光效降低了19%，其穩(wěn)定光效與初始光效之比下降到<0.75，對照圖5，其PN結的結溫>150℃！ 顯然已經(jīng)難以正常工作了。這里可以明顯看到充高導熱率、低粘滯系數(shù)氣體的重要性，也說明了充空氣的LED燈絲燈發(fā)光效率低、光通量小的原因。
此外，假設LED燈泡壽命長達30000小時，若以每天工作3小時計，長達20多年的工作期間保持泡殼內氣體的純度，泡殼必須真空密封，用現(xiàn)有的有機或無機膠密封都不可能長時間保持其氣體的純度。真空密封還可以完全隔離周圍環(huán)境對LED元件的影響，LED可以在完全沒有周圍空氣中的水汽、酸、硫化物、氧、PM2.5等的影響下工作，更有可能使用壽命長達20年以上。
四、陶瓷管LED燈分析
此前，有人預言、LED燈絲燈只能制造500 lm以下的小功率燈。這樣的預言不是沒有道理，因為由LED燈絲(發(fā)光條)組裝而成的燈絲燈，由于受到LED燈絲與散熱氣體接觸面積小、散熱面積小、熱阻大的限制，單燈的輸出光通量確實難以做到>800 lm。
而半導體照明的目標是要替代10～150W通用的白熾燈和與它相當光通量的熒光節(jié)能燈。實際上也只有這樣，半導體照明才能成為通用照明的主流。參照美國能源之星，40W、60W、75W、100W、150W白熾燈的初始輸出光通量分別為450、800、1100、1600和2600 lm。
如何制成光通量為800～2600 lm的大功率無金屬散熱器LED照明燈？其關鍵在于：在保持LED 4π出光、高效率、低發(fā)熱的基礎上，進一步提高LED的散熱面積，減小LED PN結到燈周圍散熱空氣的熱阻和進一步提高泡殼的散熱能力。
銳迪生解決這個問題的技術方案是：把LED發(fā)光條或LED芯片直接緊貼在一個高導熱率的透明管的外壁上，所述透明管，例如為透明陶瓷管、石英管、藍寶石管等，透明陶瓷管具有高達23 W/(m·K)的導熱率、高達95%以上的總透光率，其導熱率接近芯片基板藍寶石，它的內、外表面都與散熱氣體接觸和散熱，大大增加了LED的散熱面積、降低了LED芯片PN結到散熱氣體的熱阻。
圖8所示為用上述透明陶瓷管LED發(fā)光柱制成的A19 LED燈泡的示意圖。如圖所示，LED發(fā)光條被固定在一個透明陶瓷管的外表面上，泡殼芯柱上的玻璃柱上端有一彈簧或支架把陶瓷管上端固定，陶瓷管的下端與芯柱的引出線連接并固定，芯柱引出線與燈的驅動器輸出連接，驅動器的輸入與燈頭連接，燈頭用于連接外電源，接通外電源即可點亮LED燈。
圖9和10為兩種不同結構的LED發(fā)光柱的截面示意圖。圖9為LED發(fā)光條粘貼在透明陶瓷管外表面的LED發(fā)光柱的示意圖。圖10為LED芯片直接固晶在陶瓷管上的LED發(fā)光柱的示意圖。
如圖9所示，至少一條LED發(fā)光條被用透明膠固定在透明陶瓷管外表面上，圖中是有4條發(fā)光條的例子。透明陶瓷管上有供安裝發(fā)光條的平面，各發(fā)光條相互串聯(lián)或串并聯(lián)。
圖10為LED芯片直接固定在透明陶瓷管上的例子。LED芯片被用透明膠固定在預先涂覆有發(fā)光粉層的陶瓷管平面上，也可用混合有發(fā)光粉的固晶膠固定在透明陶瓷管的平面上。
圖10所示為LED芯片固定在陶瓷管外表面上的第一發(fā)光粉層上的例子，LED芯片上覆蓋有第二發(fā)光粉層。LED芯片經(jīng)一薄發(fā)光粉層被直接固定在高導熱率陶瓷管上，其間沒有透明基板，僅有一薄層粉膠，芯片的藍寶石基板基本上直接與陶瓷管接觸，熱阻很小，進一步降低了LED的PN結與散熱氣體之間的熱阻，即可降低PN結的工作溫度，可提高LED芯片的工作電流和功率，提高輸出光通量。同時，還可以用較大功率的中功率LED芯片，以減少LED發(fā)光條的數(shù)量和LED芯片的數(shù)量，減少固晶和打線數(shù)，提高生產效率、成品率和可靠性，必要時還可打雙線、以進一步提高可靠性。
如圖9和10所示的把發(fā)光條或芯片直接固定在高導熱率管上，還可保持各發(fā)光條和各芯片基本上處于相同的工作溫度，從而可降低因個別芯片溫升過高而導致整燈失效的幾率，以提高燈的可靠性。
圖9和10所示的LED發(fā)光柱的結構還可有多種變換，例如，用不同結構的發(fā)光條；LED芯片可以是有背鍍反射膜的或不透明的芯片；LED芯片可用藍加紅或橙LED芯片以提高CRI；也可以用RGB三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光柱，而無需用發(fā)光粉；也可用倒裝LED芯片；還可用HVLED芯片；發(fā)光粉也可被涂布在燈泡的泡殼內壁上等。
用上述方法可有效提高單燈的燈功率和輸出光通量。但整燈的最后散熱仍取決于泡殼與周圍空氣的熱交換，LED發(fā)光柱位于泡殼的中央，泡殼與周圍空氣的接觸面積有限，即使用直徑較大的陶瓷管，也難以制成更大輸出光通量的LED通用照明燈。
五、 大功率多管燈分析
銳迪生用多管燈方案突破了瓶頸，使800～1600lm和更高流明的無金屬散熱器LED照明燈得以實現(xiàn)。這類多管燈相當于把單燈的泡殼劈開，分成幾個，各燈管之間有讓空氣自由流動的間隙，容易形成空氣對流，使各燈管都可有效散熱，大大增加了燈管與周圍空氣的熱交換散熱能力，從而可提高燈功率和輸出光通量。
多管燈的散熱方案可稱為管內氣體對流散熱和各燈管之間空氣對流散熱的雙重對流散熱技術，能制成體積小、輸出光通量更高的無金屬散熱器的LED通用照明燈。目前已經(jīng)研制成了光通量為800～1600 lm的多管陶瓷管LED燈和光通量高達4000 lm的實驗樣燈。
圖11所示為一個輸出光通量為1600 lm 的4管LED燈的例子。其每一燈管各自真空密封并充有高導熱率、低粘滯系數(shù)的散熱保護氣體，每個燈管內各有一個透明陶瓷管LED發(fā)光柱；各LED燈管各自恒流或限流驅動，可避免各燈管因LED電流與溫度正反饋引起的光衰不一致的問題，保證各燈管光衰一致和長使用壽命。
現(xiàn)已制成2管、3管和4管T5的大功率LED燈。其5000K色溫的多管燈的典型參數(shù)為：
2管燈：850lm，6.4W，133 lm/W，CRI：81；燈高：110mm，最大直徑：40mm，重量：58g；
3管燈：1250lm，9.3W，134 lm/W，CRI：82；燈高：110mm，最大直徑：48mm，重量：64g；
4管燈：1630lm，12.2W，134 lm/W，CRI：81；燈高：110mm，最大直徑：52mm，重量：70g；
可見，6.4W 2管燈相當于60W白熾燈；12.2W 4管燈相當于100W白熾燈。整燈光效都在130lm/W以上，無金屬散熱器，體積小，重量輕。銳迪生的多管燈容易用改變燈管數(shù)量、燈管和陶瓷管尺寸的方式來制成不同功率的大功率LED照明燈。
六、總結
LED芯片4π出光的光效比現(xiàn)有≤2π出光的LED高30%以上，用高導熱率低粘滯系數(shù)氣體散熱，可制成高效率的小功率LED燈絲燈；用高導熱率的透明管LED發(fā)光柱可進一步提高散熱能力，制成更大輸出光通量的LED陶瓷管燈；用雙重氣體對流散熱技術的多管LED可制成800-1600 lm和更高光通量的LED通用照明燈。其整燈光效比節(jié)能燈高一倍以上、無金屬散熱器、成本低、重量輕、壽命長、可替代10-100W和更高功率白熾燈和相當光通量的節(jié)能燈。是新一代LED通用照明燈。由于其光效高、結構簡單、成本低，將有助于促進半導體照明替代白熾燈和節(jié)能燈、成為通用照明的主流的時代的來臨。
(文/葛世潮 林韻強 劉化斌 葛鐵漢 浙江銳迪生光電有限公司)
(審核編輯: 小王子)
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