LED光源進(jìn)化到成熟期時(shí)的多元化光源介紹

 

 

      當(dāng)LED光源進(jìn)入成熟期的時(shí)候，光源的發(fā)光效率得到了進(jìn)一步的提升。如圖1深藍(lán)色、淺藍(lán)色和草綠色分別為為白熾燈、熒光燈和LED的發(fā)光效率的走勢(shì)。可以看出LED的光效的走勢(shì)從2010年至2020年處于快速的增長(zhǎng)時(shí)期，因此和之前預(yù)測(cè)的2014年左右LED處于成長(zhǎng)期是相吻合的。2020年以后已經(jīng)越來(lái)越接近LED光源的成熟期，將會(huì)更加的節(jié)約能源、光效將會(huì)進(jìn)一步提高。顯色指數(shù)也會(huì)進(jìn)一步提高。

 

圖1 白熾燈、熒光燈、LED燈發(fā)光效率走勢(shì)

 

 

      當(dāng)LED光源進(jìn)入成熟期的時(shí)候，光源的技術(shù)性能得到了進(jìn)一步的提升，并且也出現(xiàn)了針對(duì)不同的需求的很多不同類(lèi)型的新的光源。光源也是朝著更容易改變形態(tài)、體積向更加小型化、多樣化的方向發(fā)展。例如，陸續(xù)出現(xiàn)了COB光源、全光譜光源、特殊色點(diǎn)的光源、高密度雙色溫光源、倒裝LED光源等。

 

一、COB光源

 

      COB光源的全稱(chēng)是chip－on－board，即板上芯片封裝，是一種區(qū)別于SMD表貼封裝技術(shù)的新型封裝方式，具體是將LED芯片直接貼在高反光率的鏡面金屬基板上的高光效集成面光源技術(shù)，此技術(shù)剔除了支架概念，無(wú)電鍍、無(wú)回流焊、無(wú)貼片工序，因此工序減少近三分之一，成本也節(jié)約了三分之一。COB光源可以簡(jiǎn)單理解為高功率集成面光源，可以根據(jù)產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光源的出光面積和外形尺寸。這種封裝方式生產(chǎn)都在一個(gè)工廠內(nèi)完成，整合和簡(jiǎn)化了企業(yè)的生產(chǎn)流程，生產(chǎn)過(guò)程更易于組織和管控，產(chǎn)品的點(diǎn)間距可以更小、可靠性成倍增加、成本更接近平民化。

      隨著LED應(yīng)用市場(chǎng)的逐漸成熟，用戶對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性需求越來(lái)越高，特別是在同等條件下，要求產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的能效指標(biāo)、更低的功耗，以及更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品價(jià)格。正是基于此，與傳統(tǒng)LEDSMD貼片式封裝和大功率封裝相比，板上芯片（COB）集成封裝技術(shù)將多顆LED芯片直接封裝在金屬基印刷電路板上，作為一個(gè)照明模塊通過(guò)基板直接散熱，不僅能減少支架的制造工藝及其成本，而且還具有減少熱阻的散熱優(yōu)勢(shì)，因此成為照明企業(yè)主推的一種封裝方式。

COB封裝的應(yīng)用在各方面都存在諸多優(yōu)勢(shì)，所以得到了諸多照明企業(yè)的青睞有著傳統(tǒng)封裝技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

 

      （1）超輕薄

      可根據(jù)客戶的實(shí)際需求，采用厚度從0.4－1.2mm厚度的PCB板，使重量最少降低到原來(lái)傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/3，可為客戶顯著降低結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸和工程成本。

      （2）防撞抗壓

      COB產(chǎn)品是直接將LED芯片封裝在PCB板的凹形燈位內(nèi)，然后用環(huán)氧樹(shù)脂膠封裝固化，燈點(diǎn)表面凸起成球面，光滑而堅(jiān)硬，耐撞耐磨。

      （3）大視角

      COB封裝采用的是淺井球面發(fā)光，視角大于175度，接近180度，而且具有更優(yōu)秀的光學(xué)漫散色渾光效果。便于產(chǎn)品的二次光學(xué)配套，提高照明質(zhì)量。

      （4）可彎曲

      可彎曲能力是COB封裝所獨(dú)有的特性，PCB的彎曲不會(huì)對(duì)封裝好的LED芯片造成破壞，因此使用COB模組可方便地制作LED弧形屏，圓形屏，波浪形屏。是酒吧、夜總會(huì)個(gè)性化造型屏的理想基材。可做到無(wú)縫隙拼接，制作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柔性線路板和傳統(tǒng)顯示屏模組制作的LED異形屏。

      （5）散熱能力強(qiáng)

      COB產(chǎn)品是把燈封裝在PCB板上，通過(guò)PCB板上的銅箔快速將燈芯的熱量傳出，而且PCB板的銅箔厚度都有嚴(yán)格的工藝要求，加上沉金工藝，幾乎不會(huì)造成嚴(yán)重的光衰減。所以很少死燈，大大延長(zhǎng)了的壽命。

      （6）耐磨、易清潔

      燈點(diǎn)表面凸起成球面，光滑而堅(jiān)硬，耐撞耐磨；出現(xiàn)壞點(diǎn)，可以逐點(diǎn)維修；沒(méi)有面罩，有灰塵用水或布即可清潔。

      （7）全天候優(yōu)良特性

      采用三重防護(hù)處理，防水、潮、腐、塵、靜電、氧化、紫外效果突出；滿足全天候工作條件，零下30度到零上80度的溫差環(huán)境仍可正常使用。

 

圖2 COB光源

 

      COB光源除了散熱性能好、造價(jià)成本低之外，還能進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。但在技術(shù)上，COB封裝仍存在光衰、壽命短、可靠性差等不足之處，如能得到解決，將是未來(lái)封裝發(fā)展的主導(dǎo)方向之一。

 

 

二、全光普光源

 

      現(xiàn)在人們經(jīng)常都在提倡健康照明，全光譜的光源也屬于健康照明的光源。當(dāng)光線進(jìn)入人的眼睛，使我們產(chǎn)生色感。這個(gè)過(guò)程是太陽(yáng)的光線照在物體上，然后物體將光線反射，反射的光線進(jìn)入人的眼睛，那么眼睛的視網(wǎng)膜接受了來(lái)自物體的光，然后就會(huì)將這個(gè)信息傳遞給大腦。視網(wǎng)膜中的三種錐狀細(xì)胞分別識(shí)別紅綠藍(lán)三種不同的顏色，然后人腦再根據(jù)眼睛所看到的信息識(shí)別顏色，然后最終做出判斷。例如說(shuō)紅色的蘋(píng)果，那么人腦就根據(jù)眼睛所識(shí)別的顏色判斷。我看到了紅色，所以蘋(píng)果是紅色的。

      發(fā)光二極管（LED）等光源的使用會(huì)對(duì)人體健康造成危害，這類(lèi)危害一般稱(chēng)為“藍(lán)光危害（BLH）”，泛指實(shí)際的眼損傷風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)一般健康狀態(tài)的影響。“藍(lán)光危害”僅在考慮到眼視網(wǎng)膜組織的光化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)（技術(shù)上稱(chēng)為“光斑病變”）時(shí)使用，通常與凝視陽(yáng)光或焊接電弧等明亮光源有關(guān)。因?yàn)楣饣瘜W(xué)損傷的風(fēng)險(xiǎn)取決于波長(zhǎng)，在光譜位于435 nm到440 nm的藍(lán)光波段達(dá)到峰值。國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）發(fā)布了“藍(lán)光危害函數(shù)”并規(guī)定了波長(zhǎng)相關(guān)加權(quán)函數(shù)和指導(dǎo)性曝光極限。LED主要是白光燈具，通常會(huì)包含與藍(lán)光危害相關(guān)的光。看起來(lái)“偏冷光”的燈或高色溫的燈，相對(duì)于“偏暖光”或低色溫的燈而言，可能包含更多藍(lán)光成分。常規(guī)照明中白熾燈和LED燈中，相同色溫的燈具其藍(lán)光危害曝光極限是相同的。白色光源發(fā)出接近藍(lán)光危害曝光極限劑量的藍(lán)光時(shí)，發(fā)出的光會(huì)很亮，這樣就產(chǎn)生了令人不適的眩光。凝視這樣的光源會(huì)被認(rèn)為是不正常的行為。另外，高色溫的照明對(duì)于大多數(shù)人而言都是令人不愉快和不舒服的，尤其是作為家用照明。對(duì)于行為正常的人來(lái)說(shuō)，每天都會(huì)有大量時(shí)間暫時(shí)曝光在高劑量的光中。然而，在一天當(dāng)中這些曝光量的積累并不會(huì)曝光超過(guò)曝光極限。已有大量研究和媒體報(bào)道聲稱(chēng)，白光光源對(duì)人眼健康存在不利影響。這些研究大多數(shù)是基于非常規(guī)狀態(tài)，包括：長(zhǎng)時(shí)間曝光、高色溫LED燈（藍(lán)光成分非常多）、顯著超出ICNIRP曝光極限的曝光、凝視光源、使用夜行動(dòng)物模型或人體離體細(xì)胞。

      如圖3 可以看到的是太陽(yáng)光的光譜。它有紫外線、可見(jiàn)光和紅外線組成，人的肉眼可以看到的部分屬于可見(jiàn)光光譜，顯色指數(shù)80的LED光譜，其中的藍(lán)光相對(duì)來(lái)說(shuō)分布是比較多的，因此也對(duì)人眼的危害是比較大的。現(xiàn)在人們也在用LED模擬太陽(yáng)光光譜的可見(jiàn)光段，也就是全光譜。

 

圖3 太陽(yáng)光光譜

 

      全光譜分兩種，紫光激發(fā)的全光譜和藍(lán)光激發(fā)的全光譜。它有以下特點(diǎn)：首先，顯色指數(shù)比較高。一般由紫光激發(fā)的全光譜，它的顯色性會(huì)比藍(lán)光激發(fā)的全光譜相對(duì)會(huì)更高。另外，全光譜色域飽和度是比較好的，但是由紫光激發(fā)的全光譜，它的光效相對(duì)是比較低的。由藍(lán)光激發(fā)的全光譜，它的光效比較高，相對(duì)人員的安全性來(lái)說(shuō)，全光譜的安全性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通顯色指數(shù)90以上的LED光源的安全性，藍(lán)光危害更小。從成本上來(lái)說(shuō)，藍(lán)光激發(fā)的全光譜和普通顯色指數(shù)90以上的LED光源的全光譜是比較接近的。然后，對(duì)于全光譜來(lái)說(shuō)，它的寬光譜相對(duì)連續(xù)性比較好，顏色還原更加的逼真。

 

圖4 太陽(yáng)光譜（紅色）、全光譜COB（綠色）、普通LED（藍(lán)色）

 

      例如，將太陽(yáng)光譜、全光譜COB、普通LED4000K的全光譜的指標(biāo)的對(duì)比，LED全光譜已經(jīng)很接近太陽(yáng)光譜。因此全光譜是一種健康照明的產(chǎn)物，會(huì)更加的健康、舒適，相對(duì)來(lái)說(shuō)顏色更逼真，飽和度更高，光譜更連續(xù)，發(fā)光面更小，便于小角度的光學(xué)設(shè)計(jì)。

 

三、特殊色點(diǎn)光源

 

      顏色是商品在商業(yè)超市環(huán)境中最重要的視覺(jué)參數(shù)，超市內(nèi)有紅色的鮮肉，金黃的面包，翠綠的蔬菜，色澤鮮麗的水果，特色南北貨、百貨等，針對(duì)每一個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)，燈光的顯色性和色溫的選擇也要有所不同，力求能最大程度地凸顯商品色澤特征，重點(diǎn)區(qū)域可以夸張表現(xiàn)。這樣更有助展現(xiàn)產(chǎn)品的賣(mài)相和特點(diǎn)，獲得消費(fèi)者的信賴。那么對(duì)商品色彩的最好的表現(xiàn)手段就是燈具的使用，不同顯色指數(shù)、色溫、光色的燈具，對(duì)于商品色澤的展現(xiàn)也會(huì)呈現(xiàn)不同的效果。

      隨著燈具設(shè)計(jì)越來(lái)越細(xì)分，以及消費(fèi)升級(jí)，消費(fèi)者對(duì)于不同場(chǎng)景、不同被照物都也提出了不同的要求。因此，市面上也出現(xiàn)了針對(duì)實(shí)木家具專(zhuān)用光色、時(shí)尚女士服裝及布藝光色、鮮肉類(lèi)專(zhuān)用光色、面包類(lèi)專(zhuān)用光色、水果類(lèi)專(zhuān)用光色、水產(chǎn)類(lèi)專(zhuān)用光色等等30種以上甚至更多的不同特殊色點(diǎn)的光源。如圖5，可以看到不同的材質(zhì)在不同的顯色指數(shù)、色溫、色點(diǎn)的光源照射下，所呈現(xiàn)的材質(zhì)是不一樣的。

 

圖5 不同材質(zhì)不同色溫和色點(diǎn)光源

 

      如圖6，我們可以看到在常規(guī)環(huán)境燈光和專(zhuān)色燈光的照射下五花肉呈現(xiàn)出不同的顏色的效果。左圖在常規(guī)燈光照射下的五花肉看起來(lái)是非常的不新鮮。然而右邊的專(zhuān)門(mén)照生肉的燈光下，五花肉顯得非常的新鮮，也激發(fā)了消費(fèi)者想購(gòu)買(mǎi)的欲望。

 

圖6 常規(guī)環(huán)境燈光與專(zhuān)色燈光對(duì)比

 

      針對(duì)鮮肉的特殊光譜配方，沒(méi)有非常高的顯色指數(shù)，如圖7 我們看到的是針對(duì)鮮肉的特殊色點(diǎn)的光源的光譜曲線，在曲線中增強(qiáng)紅色和白色域飽和度，凸顯肉色鮮、紅，皮花皙白，瘦肉嫩紅。色感逼真，未受光環(huán)境影響。

 

 

 

 

圖7 鮮肉的光譜曲線

 

      如圖8 可以看到的是紅木專(zhuān)色的光效果和常規(guī)COB光效果的對(duì)比。紅木專(zhuān)色的家具更能體現(xiàn)實(shí)木材質(zhì)本身的質(zhì)感。紅木的種類(lèi)比較多，顏色和紋理也各有不同，紫檀木類(lèi)為紅紫色，花梨木類(lèi)為紅褐色，香枝木類(lèi)為紅褐色，紅酸枝類(lèi)為紅褐色。因此，在紅木顏色的表現(xiàn)中我們著重還原紅木的紅褐色的本色。如圖9我們看到的是針對(duì)紅木的特殊色點(diǎn)的光源的光譜曲線，在曲線中增強(qiáng)黃色和紅色域飽和度。

 

 

圖8 紅木專(zhuān)色與常規(guī)COB光效果對(duì)比

 

圖9 紅木專(zhuān)色的光譜曲線

 

      如圖10 是針對(duì)面包和蛋糕作為烘培類(lèi)的食品也是我們生活中不能或缺的食物。很多時(shí)候作為烘培店的老板不僅僅是在意裝修，燈光的氛圍也非常重要。因此，烘培店的燈光的要求和普通燈光或者太陽(yáng)光底下看起來(lái)肯定是有一定的差別。燈光要讓人們看到蛋糕或者面包的那一刻就有充滿食欲的感覺(jué)，并且也要看起來(lái)非常的新鮮。如圖11 為烘培類(lèi)產(chǎn)品的光源參數(shù)，通過(guò)光源的特殊色點(diǎn)設(shè)計(jì)，減少藍(lán)光，增加黃光、紅光，達(dá)到更加的效果。

 

圖10 烘培店燈光下的面包和蛋糕

 

圖11 烘培類(lèi)食物光源參數(shù)

 

 

      光源設(shè)計(jì)的廠家通過(guò)混光混色軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)出不同色點(diǎn)的光源。通過(guò)混光混色軟件系統(tǒng)，模擬光譜配方，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)過(guò)程中獨(dú)特的光譜定制輸出。通過(guò)科學(xué)配方，針對(duì)不同被照物進(jìn)行特殊色點(diǎn)、特殊飽和度、特殊光譜、特殊光效果的設(shè)計(jì)，滿足被照?qǐng)鼍盎虮徽瘴锾厥狻⑨槍?duì)性飽和度、逼真度需求。

 

圖12 混光混色軟件系統(tǒng)

 

 

圖13 照明混光混色軟件系統(tǒng)（2）

 

 

四、高密度雙色溫光源

 

      COB光源是將LED芯片直接貼在高反光率的鏡面金屬基板上的高光效集成面光源技術(shù)。目前已經(jīng)在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。但是近幾年來(lái)，封裝廠家關(guān)注的焦點(diǎn)不僅僅在亮度方面，另外關(guān)注的是COB的光品質(zhì)、更亮麗的色彩、功率密度等方面。高功率密度為最近各廠家主打取代筒燈、射燈的產(chǎn)品。由于高功率密度產(chǎn)品便于設(shè)計(jì)小角度射燈或變焦燈，各中大廠商紛紛推出相應(yīng)產(chǎn)品去取代軌道射燈、甚至于陶瓷金鹵燈。高密度光源是在原有的COB光源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更小的發(fā)光面積，更大的功率。因此需要防止高溫對(duì)光源質(zhì)量產(chǎn)生影響，防止光電效率不高的問(wèn)題。

 

圖14 朗明納斯高密COB（左圖直徑3.5mm、右圖直徑4.5mm）

 

      目前，COB光源多數(shù)只能顯示一種色溫，無(wú)法在同一個(gè)COB里面進(jìn)行兩種色溫的轉(zhuǎn)換，無(wú)法滿足某些場(chǎng)景應(yīng)用的需求，而且單色溫的COB光源也給COB光源燈具的應(yīng)用帶來(lái)了一定的局限性。而市面上的一些可調(diào)色溫的COB光源，主要是對(duì)半填充、環(huán)形填充、條狀填充控制高低色溫的熒光膠。但是這幾種雙色溫光源形式填充面積大，發(fā)光面大，并不能均勻出光，有光暈，調(diào)節(jié)時(shí)光形會(huì)產(chǎn)生變化，光色品質(zhì)差，且內(nèi)部須用圍壩的形式將高低色溫區(qū)域分隔，工藝復(fù)雜，封裝工藝多為正裝COB，死燈率高。倒裝的高密度雙色溫COB光源及制造方法，用倒裝COB封裝形式，實(shí)現(xiàn)高低色溫在光學(xué)混色上均勻交叉式分布，混光均勻，光色品質(zhì)好，同時(shí)高低色溫?zé)o須用圍壩的形式分隔，芯片可高密度集成，產(chǎn)品成本低，可靠性好，制造工藝簡(jiǎn)單。但是有如下缺點(diǎn)：

      1、光效比普通COB低。

      2、做變焦的光斑效果不好。

      高密度雙色溫COB光源，由于發(fā)光面積大大減小，功率提升，對(duì)于燈具設(shè)計(jì)小型化有很大的幫助。如圖為明裝LED聚光燈，可以變焦變色溫，體積更加小巧。

 

圖15 倒裝雙色溫COB光源

 

 

 

圖16 明裝式LED聚光燈

 

 

五、倒裝LED光源

 

      LED倒裝COB，就是通過(guò)錫膏或共晶制程把一定數(shù)量的LED倒裝芯片集成焊接在具有一定發(fā)光面、一定反射率和導(dǎo)熱率的基板上，然后封裝成光集成的光源。與正裝COB最大的區(qū)別是封裝工藝。倒裝COB工藝采用倒裝芯片無(wú)金線封裝，正裝COB工藝采用正裝芯片有金線封裝。

LED倒裝芯片（Led Flip Chip)。倒裝芯片之所以被稱(chēng)為“倒裝”是相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬線鍵合連接方式（WireBonding）與植球后的工藝而言的。傳統(tǒng)的通過(guò)金屬線鍵合與基板連接的晶片電氣面朝上，而倒裝晶片的電氣面朝下，相當(dāng)于將前者翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，故稱(chēng)其為“倒裝芯片”。

圖17 正裝COB光源和倒裝COB光源原理圖

 

 

 

圖18 正裝COB光源和倒裝COB光源實(shí)物圖

 

 

      采用倒裝芯片，電壓低、熱阻低、散熱性能好。無(wú)金線封裝，焊接穩(wěn)固，長(zhǎng)期可靠性高，客戶安裝方便快捷，不會(huì)出現(xiàn)按壓死燈問(wèn)題。倒裝芯片結(jié)溫承受能力高(可達(dá)150℃，正裝芯片只有125℃左右），耐大電流能力強(qiáng)，長(zhǎng)期使用光衰小，壽命長(zhǎng)。

 

圖19 倒裝芯片和正裝芯片電流-光通量曲線圖

 

 

圖20 倒裝芯片和正裝芯片電流-電壓曲線圖

 

 

      隨著電流的增大，在600MA以前，正裝COB光通量和倒裝COB光通量都是持續(xù)增長(zhǎng)的，但是在電流達(dá)到600MA以后，正裝COB光通量率先出現(xiàn)飽和點(diǎn)或拐點(diǎn)，說(shuō)明正裝COB的耐電流能力比倒裝差，倒裝產(chǎn)品可以承受更大的電流。另外隨著電流的增大，正裝COB光效下降比倒裝更快，同樣說(shuō)明正裝COB的耐電流能力比倒裝差。

 

      根據(jù)分析我們可以得出以下結(jié)論：

      （1）相似規(guī)格尺寸芯片，相似發(fā)光面、單顆電流150Ma條件下測(cè)試，正裝COB光通比倒裝有一定優(yōu)勢(shì)，但光效方面優(yōu)勢(shì)已經(jīng)很小，兩者已經(jīng)比較接近。

      （2）倒裝COB電壓較低，瞬間耐電流特性比正裝強(qiáng)很多，不容易出現(xiàn)過(guò)瞬間脈沖電流沖死的現(xiàn)象。

      （3）倒裝COB可靠性、溫升和長(zhǎng)期耐電流特性等方面都比正裝有優(yōu)勢(shì)。

 

      因此，未來(lái)光源的發(fā)展趨勢(shì)，在流通型產(chǎn)品上，倒裝COB的性價(jià)比會(huì)越來(lái)越來(lái)高，市場(chǎng)占有率會(huì)快速超過(guò)正裝COB光源。正裝COB光源雖然發(fā)展比較成熟，光電參數(shù)提升的空間有限，同時(shí)利潤(rùn)空間有限。另外，倒裝芯片發(fā)展比正裝芯片晚，光通光效還有很大提升空間，根據(jù)芯片廠家的推斷倒裝芯片亮度每年會(huì)有4-5%的提升，同時(shí)成本下降的空間比較大。倒裝Al基板發(fā)光區(qū)的反射率只有90%左右，跟正裝鏡面鋁（98%）還有些差異，通過(guò)優(yōu)化焊盤(pán)和白油層 ，反射率還有一定的提升空間。