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18566398802 自從白光發(fā)光二極管(led)于2000年始達(dá)到每瓦15～20流明的水平后，各國(guó)就開(kāi)始積極對(duì)LED投入研發(fā)制造，而相關(guān)市場(chǎng)營(yíng)銷、技術(shù)評(píng)鑒機(jī)構(gòu)及學(xué)界，則積極對(duì)此極具未來(lái)性的產(chǎn)品進(jìn)行譯碼，一探其奧秘及商業(yè)價(jià)值，并陸續(xù)提出負(fù)面疑問(wèn)或爆炸性的前瞻預(yù)測(cè)。
但隨著能源短缺、地球暖化、能源材料價(jià)格上揚(yáng)等因素深受各國(guó)政府重視，更加速LED的市場(chǎng)熱度，其二為隨著手機(jī)白色背光源于2003年被廣泛應(yīng)用，隨即奠定藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光LED在市場(chǎng)的價(jià)值，更因LED應(yīng)用在車尾燈可達(dá)到快速反應(yīng)、減少更換及設(shè)計(jì)上增加工業(yè)產(chǎn)品美學(xué)的新思維，漸漸開(kāi)拓另一個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用契機(jī)，進(jìn)而激勵(lì)相關(guān)供應(yīng)鏈廠商的研發(fā)投入。
雖然在2003年時(shí)，LED亮度效能未能達(dá)到主照明的需求(表1)，但已逐漸讓世界注意到LED的未來(lái)性及對(duì)傳統(tǒng)光源的威脅性。
表1 OIDA對(duì)于2002～2020年LED效能預(yù)估
依照美國(guó)光電子工業(yè)協(xié)會(huì)(OIDA)的預(yù)測(cè)推估，即使LED已達(dá)到10美元/每千流明，但對(duì)于整組燈泡或燈具要達(dá)成10美元/每千流明仍相去甚遠(yuǎn)，尤其加入演色性(CRI)的需求，光源的效能和市場(chǎng)價(jià)格將為供應(yīng)鏈廠商必須共同解決的一大課題。
雖然LED的應(yīng)用極為廣泛，且各個(gè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)會(huì)面對(duì)不同程度的技術(shù)問(wèn)題，在此僅就照明應(yīng)用方面提出設(shè)計(jì)解決方向，以加速LED照明產(chǎn)業(yè)整合開(kāi)發(fā)的質(zhì)量與速度。
LED燈具供貨商主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)格
要成功開(kāi)發(fā)一款LED照明產(chǎn)品所須注意的事項(xiàng)相當(dāng)繁瑣而復(fù)雜，三至五人的貿(mào)易公司或許能帶來(lái)營(yíng)業(yè)利潤(rùn)，但在世界規(guī)范一一制定出爐后，亦拉高進(jìn)入門坎，同時(shí)篩選掉體質(zhì)不佳的應(yīng)用小廠，更甚至因?yàn)檫_(dá)到普及化的成本結(jié)構(gòu)，使LED照明逐漸朝專業(yè)技術(shù)和專業(yè)代工制造的領(lǐng)導(dǎo)廠商集中。
現(xiàn)今的主要客戶更加致力于探究上游材料、技術(shù)深度及整合能力，以做為評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于各階段開(kāi)發(fā)的技術(shù)深度及廣度，將會(huì)是2009～2012年成功邁入LED照明必須完備的工作，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)尚未完備，市場(chǎng)的需求決定在供貨商能夠提供的解決方案。
過(guò)半效率取決芯片與封裝制程搭配效率
有關(guān)芯片開(kāi)發(fā)，從覆晶(Flip Chip)式芯片如飛利浦，垂直(Verticle)式芯片如Cree、SemiLEDs，正負(fù)極呈階梯平面式焊線，完全平面式焊線如日亞(Nichia)、豐田合成(TG)、晶元光電等；再加上粗糙面(Roughness)結(jié)構(gòu)位置，以及形成的方式不同，皆或多或少影響出光效率、出光角、熱傳導(dǎo)、節(jié)點(diǎn)(Tj)溫度、固晶材料、固晶方式、硬力拉力推力、焊線參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專利問(wèn)題。是否了解芯片跟后續(xù)封裝制程間的關(guān)系，決定LED照明產(chǎn)品一半以上的良率，開(kāi)發(fā)LED照明應(yīng)用就必須了解細(xì)部差異，以做為設(shè)計(jì)上的判斷依據(jù)，目前沒(méi)有哪家LED芯片較好，只有最適合的LED芯片才能夠達(dá)到市場(chǎng)需求的優(yōu)化。
多重因素影響LED封裝性能
至于封裝開(kāi)發(fā)，在固定單一型式芯片下，眾多影響因子決定封裝完LED組件的性能、可靠度、壽命是否能禁得起市場(chǎng)考驗(yàn)，其中包括：
? 承載基板的設(shè)計(jì)選擇
金屬支架、FR4 COB(Chip on Board)型式、低溫共燒氧化鋁陶瓷、高溫氧化鋁、氧化鋁基板加金屬銀塊或銅塊(Slug)、氮化鋁基板、鋁基板、銅基板、復(fù)合機(jī)板等材料差異，包括上述材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)光、環(huán)境(如濕氣溫度等)結(jié)合力之間的相互作用關(guān)系。
? 光相關(guān)的制程設(shè)計(jì)
固晶焊線區(qū)域位置，尺寸的設(shè)計(jì)，固晶焊線區(qū)域，固晶方式(硅絕緣膠、銀導(dǎo)熱膠、助焊劑、共金焊接等)，以及周邊材質(zhì)如金、銀、銅、鋁、鈀銀、鈀金、高耐熱塑料(PPA)、硅等，封裝膠體(黏稠度、折射率、耐溫耐候性與相鄰材料接著力等)。
? 熒光粉的多重混用、波長(zhǎng)搭配、濃度搭配、涂布方式、操作時(shí)間及沉淀控制。
? 色溫/電壓/亮度/演色性分布
均會(huì)影響出光效率、壽命、質(zhì)量等，然而不同芯片的選用會(huì)使所有影響因子勢(shì)必全部或部分重新再做評(píng)估。
光源組件設(shè)計(jì)與選擇不可輕視
圖2 產(chǎn)品機(jī)構(gòu)及模具組裝3D建構(gòu)須充分了解LED光源特性、光機(jī)電熱，加上計(jì)算機(jī)對(duì)光熱仿真分析，才能確保可靠度和效能。
就LED照明而言，到此才決定LED光源組件(圖1)，接下來(lái)還要面對(duì)：二次光學(xué)透鏡、反射鏡的設(shè)計(jì)，達(dá)到照明在不同應(yīng)用需求的光型、光強(qiáng)分布或光學(xué)組件材料對(duì)環(huán)境造成光衰、裂化的考慮。此外，模塊設(shè)計(jì)加上電路、電子控制設(shè)計(jì)、定電流源、調(diào)光模塊、DMX系統(tǒng)控制模塊、部分熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)、部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、組立設(shè)計(jì)等，必須達(dá)到客戶功能性的要求，同時(shí)對(duì)LED光源組件不至于造成加速破壞的條件存在。最后則為熱傳導(dǎo)(Thermal Conductivity)熱硬力及散熱設(shè)計(jì)(Thermal Management)，在模塊端力求降低LED節(jié)點(diǎn)溫度，均勻快速的將熱集中區(qū)分散到各個(gè)面，另外則包括安規(guī)等絕緣設(shè)計(jì)考慮。
燈具設(shè)計(jì)決定市場(chǎng)定位和獲益
燈具部分包含工業(yè)、機(jī)構(gòu)、模具、散熱、產(chǎn)品組立、工業(yè)防塵防水等級(jí)、安規(guī)設(shè)計(jì)考慮及包材等設(shè)計(jì)。
以上細(xì)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，相互影響最終的產(chǎn)品屬性、質(zhì)量及價(jià)格，也決定產(chǎn)品的市場(chǎng)區(qū)隔、壽命、利潤(rùn)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)景。
LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)須按部就班
以照明環(huán)境型式而論，可分為直接、半直接、間接、半間接和漫射照明。而以區(qū)域區(qū)分，可分為建筑、居住、室內(nèi)及室外四區(qū)；再細(xì)部又可分庭院、外墻、客廳、餐廳、浴室、廚房、樓梯等。至于商業(yè)又分工作區(qū)、展示區(qū)、儲(chǔ)藏區(qū)、裝飾等。
無(wú)論哪一區(qū)、哪一型，在過(guò)去數(shù)十年到百余年歷史中，并未有一家獨(dú)大的情況，由于各個(gè)區(qū)域所對(duì)光的需求也不盡相同，所以對(duì)于LED照明設(shè)計(jì)而言，在找到企業(yè)強(qiáng)項(xiàng)后，須審慎選擇評(píng)估適合的，而非較好或最貴的LED光源，以此光源做為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)來(lái)開(kāi)發(fā)適合市場(chǎng)使用需求，或便于掌握營(yíng)銷的照明產(chǎn)品。
以目前LED封裝組件量產(chǎn)的發(fā)光效率在每瓦90～100流明之譜，當(dāng)然每瓦120流明或150流明已非難事，只要降低驅(qū)動(dòng)電流提升光熱轉(zhuǎn)換效率就能達(dá)到，而市場(chǎng)與成本的關(guān)系，才是未達(dá)量產(chǎn)的原因。換言之，目前標(biāo)準(zhǔn)或額定電流操作下的光電轉(zhuǎn)換效率約在30%，而約略70%仍轉(zhuǎn)換為熱，因此熱傳導(dǎo)及散熱為現(xiàn)階段亟待突破的瓶頸。在照明產(chǎn)品應(yīng)用面，個(gè)別光源產(chǎn)品在各時(shí)間階段所面臨的技術(shù)問(wèn)題就是需要各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域人才去一一限時(shí)研究解決。照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間考慮約可分為直接替換的燈泡與高整合性的照明產(chǎn)品，說(shuō)明如下：
縮減直接替換LED燈泡價(jià)格為首要之務(wù)
直接替換燈泡如MR16、GU10、E27投射或泛光型燈泡PAR30、PAR38(表2、3)、AR111等較大型燈泡，LED產(chǎn)生的熱，加上變壓或恒流驅(qū)動(dòng)電源模塊所發(fā)出的熱，在有限尺寸散熱面積下，使得小型投射燈泡無(wú)法跨越5瓦、300流明門坎；中大型投射燈泡，如帕(PAR)燈等無(wú)法跨越13瓦的門坎。相較于傳統(tǒng)光源，小型LED燈泡有十倍至數(shù)十倍的市場(chǎng)價(jià)差，而中大型LED燈泡則有數(shù)倍到十?dāng)?shù)倍的價(jià)差，要達(dá)一定產(chǎn)量而壓低成本，以提高市場(chǎng)滲透率，則需要加倍的系統(tǒng)流明數(shù)、減半的發(fā)熱源，以及現(xiàn)今三分之一的售價(jià)，才能使其大量應(yīng)用在燈泡的替換上，預(yù)計(jì)至2015年將有可能成行。
美國(guó)DOE要求PAR38達(dá)成1,350流明，CRI達(dá)90，但市場(chǎng)售價(jià)尚難達(dá)成。
另外，由于世界各國(guó)對(duì)含汞較高的水銀光源逐漸禁產(chǎn)或禁用，造就傳統(tǒng)燈管、節(jié)能燈管與LED產(chǎn)業(yè)的相互競(jìng)爭(zhēng)。傳統(tǒng)燈管力求提升效率、降低汞含量，相較于MR16燈泡，傳統(tǒng)燈管在尺寸上提供LED更佳的散熱設(shè)計(jì)面積，加上LED的指向性增加LED燈管在燈具中的出光效率，造成一窩蜂的T8研發(fā)設(shè)計(jì)制造熱潮。
雖然光源系統(tǒng)流明效率不及或略高于傳統(tǒng)日光燈管，但燈具系統(tǒng)效率確實(shí)能提供節(jié)能的效果，再經(jīng)由政府政策力推，應(yīng)是一個(gè)目前具產(chǎn)量的照明應(yīng)用產(chǎn)品。
高整合性LED照明產(chǎn)品 蠶食傳統(tǒng)照明市場(chǎng)
在傳統(tǒng)型燈泡的架構(gòu)下，勢(shì)必難以在今日達(dá)成大量替換，而是先由高整合性的照明產(chǎn)品，如3、4、6、8吋筒燈(Down Light)，以Cree LR230等為代表先作替換，供貨商必須選用質(zhì)量較佳、性能較好的LED封裝組件，并設(shè)計(jì)解決模塊機(jī)構(gòu)、熱傳導(dǎo)、光學(xué)角度、眩光、演色性、電源模塊、機(jī)構(gòu)配件、產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)、安規(guī)包材等，提供客戶一個(gè)高度整合性和穩(wěn)定性的燈具，同時(shí)更多的使用者在這10年來(lái)改變對(duì)LED光源的看法，從多點(diǎn)狀光源變成單點(diǎn)狀，并對(duì)眩光及眼睛傷害開(kāi)始多所要求。
另外，雖然一般產(chǎn)業(yè)界認(rèn)定LED壽命可達(dá)50,000小時(shí)，但目前仍被制造商以有限度的使用條件所限制。對(duì)于建立LED替代光源標(biāo)準(zhǔn)，可能仍是未來(lái)5年內(nèi)要解決的課題。然而，2009～2015年之間，發(fā)展高系統(tǒng)性整合主照明將會(huì)是主軸，舉凡戶外洗墻燈、洗柱投射燈、街燈、路燈及室內(nèi)辦公室主照明、商業(yè)空間投射型照明等，皆需要高度光機(jī)電熱整合設(shè)計(jì)，才能達(dá)到真正節(jié)能、使用期限長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
LED效能在7年間提升約五倍，可量產(chǎn)的發(fā)光效率達(dá)到每瓦100流明，在專注發(fā)光效率提升同時(shí)，照明設(shè)計(jì)更須考慮直接或間接影響的節(jié)能、環(huán)保議題。不但要增加光電間的轉(zhuǎn)換效益達(dá)到實(shí)質(zhì)省電，更要經(jīng)由設(shè)計(jì)達(dá)到減低二氧化碳排放。
如何成功推廣LED照明或創(chuàng)造成功的事業(yè)，無(wú)法靠單純組裝就可達(dá)成，掌握技術(shù)和垂直整合將會(huì)是廠商面臨極為重要的課題。
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