承德市双塔山:LED产业的发展趋势<一>

　　高热传导挠曲基板的主要特征是可以设置高发热元件，并作三次元组装，亦即可以发挥自由弯曲特性，进而获得高组装空间利用率。

　　根据实验结果显示使用高热传导挠曲基板时，LED的温度约降低100C，此意味温度造成LED使用寿命的降低可望获得改善。事实上除了高功率LED之外，高热传导挠曲基板还可以设置其它高功率半导体元件，适用于局促空间或是高密度封装等要求高散热等领域。

　　有关类似照明用LED模块的散热特性，单靠封装基板往往无法满足实际需求，因此基板周边材料的配合变得非常重要，例如配合3W/mK的热传导性膜片，可以有效提高LED模块的散热性与组装作业性。

　　３，陶瓷封装基板对热歪斜非常有利

　　如上所述白光LED的发热随著投入电力强度的增加持续上升，LED芯片的温升会造成光输出降低，因此LED封装结构与使用材料的检讨非常重要。以往LED使用低热传导率树脂封装，被视为影响散热特性的原因之一，因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷，或是设有金属板的树脂封装结构。LED芯片高功率化常用方式分别包括了：LED芯片大型化、改善LED芯片发光效率、采用高取光效率封装，以及大电流化等等。

 　　虽然提高电流发光量会呈比例增加，不过LED芯片的发热量也会随著上升。因为在高输入领域放射照度呈现饱和与衰减现象，这种现象主要是LED芯片发热所造成，因此LED芯片高功率化时，首先必须解决散热问题。

　　LED的封装除了保护内部LED芯片之外，还兼具LED芯片与外部作电气连接、散热等功能。LED封装要求LED芯片产生的光线可以高效率取至外部，因此封装必须具备高强度、高绝缘性、高热传导性与高反射性，令人感到意外的是陶瓷几乎网罗上述所有特性，此外陶瓷耐热性与耐光线劣化性也比树脂优秀。

　　４，传统高散热封装是将LED芯片设置在基板上

　　属基板上周围再包覆树脂，然而这种封装方式的金属热膨胀系数与LED芯片差异相当大，当温度变化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜，进而引发芯片瑕疵或是发光效率降低。

　　未来LED芯片面临大型化发展时，热歪斜问题势必变成无法忽视的困扰，针对上述问题，具备接近LED芯片的热膨胀系数的陶瓷，可说是对热歪斜对策非常有利的材料。

　　高热传导挠曲基板在绝缘层黏贴金属箔，虽然基本结构则与传统挠曲基板完全相同，不过绝缘层采用软质环氧树脂充填高热传导性无机填充物的材料，具有与硬质金属系封装基板同等级8W/mK的热传导性，同时兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性。此外可挠曲基板还可以依照客户需求，将单面单层面板设计成单面双层、双面双层结构。

　　高热传导挠曲基板的主要特征是可以设置高发热元件，并作三次元组装，亦即可以发挥自由弯曲特性，进而获得高组装空间利用率。

　　根据实验结果显示使用高热传导挠曲基板时，LED的温度约降低100C，此意味温度造成LED使用寿命的降低可望获得改善。事实上除了高功率LED之外，高热传导挠曲基板还可以设置其它高功率半导体元件，适用于局促空间或是高密度封装等要求高散热等领域。

　　有关类似照明用LED模块的散热特性，单靠封装基板往往无法满足实际需求，因此基板周边材料的配合变得非常重要，例如配合3W/mK的热传导性膜片，可以有效提高LED模块的散热性与组装作业性。

　　３，陶瓷封装基板对热歪斜非常有利

　　如上所述白光LED的发热随著投入电力强度的增加持续上升，LED芯片的温升会造成光输出降低，因此LED封装结构与使用材料的检讨非常重要。以往LED使用低热传导率树脂封装，被视为影响散热特性的原因之一，因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷，或是设有金属板的树脂封装结构。LED芯片高功率化常用方式分别包括了：LED芯片大型化、改善LED芯片发光效率、采用高取光效率封装，以及大电流化等等。

 　　虽然提高电流发光量会呈比例增加，不过LED芯片的发热量也会随著上升。因为在高输入领域放射照度呈现饱和与衰减现象，这种现象主要是LED芯片发热所造成，因此LED芯片高功率化时，首先必须解决散热问题。

　　LED的封装除了保护内部LED芯片之外，还兼具LED芯片与外部作电气连接、散热等功能。LED封装要求LED芯片产生的光线可以高效率取至外部，因此封装必须具备高强度、高绝缘性、高热传导性与高反射性，令人感到意外的是陶瓷几乎网罗上述所有特性，此外陶瓷耐热性与耐光线劣化性也比树脂优秀。

　　４，传统高散热封装是将LED芯片设置在基板上

　　属基板上周围再包覆树脂，然而这种封装方式的金属热膨胀系数与LED芯片差异相当大，当温度变化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜，进而引发芯片瑕疵或是发光效率降低。

　　未来LED芯片面临大型化发展时，热歪斜问题势必变成无法忽视的困扰，针对上述问题，具备接近LED芯片的热膨胀系数的陶瓷，可说是对热歪斜对策非常有利的材料。

　　提高LED高热排放至外部的热传达特性，以往大多使用冷却风扇与热交换器，由于噪音与设置空间等诸多限制，实际上包含消费者、照明灯具厂商在内，都不希望使用上述强制性散热元件，这意味著非强制散热设计必须大幅增加框体与外部接触的面积，同时提高封装基板与框体的散热性。

　　具体对策如：高热传导铜层表面涂布利用远红外线促进热放射的挠曲散热薄膜等，根据实验结果证实使用该挠曲散热薄膜的发热体散热效果，几乎与面积接近散热薄膜的冷却风扇相同，如果将挠曲散热薄膜黏贴在封装基板、框体，或是将涂抹层直接涂布在封装基板、框体，理论上还可以提高散热性。

　　有关高功率LED的封装结构，要求能够支持LED芯片磊晶接合的微细布线技术;有关材质的发展，虽然氮化铝已经高热传导化，但高热传导与反射率的互动关系却成为另1个棘手问题，一般认为未来若能提高氮化铝的热传导率，对高功率LED的封装材料具有正面助益。

　　二，LED驱动电源主要技术发展趋势

　　作为一种新的光源，近LED电源和驱动电路与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。随着硅集成电路电源电压的直线下降，LED工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间，大多数为低电压IC供电的技术也都适用于为LED，特别是大功率LED供电。再则，LED电源还应能利用低电压IC电源产量逐渐上升带来的规模经济。
　　
　　LED电源和驱动电路主要技术概况
　　
　　1）电压变换技术
　　
　　电源是影响LED光源可靠性和适应性的一个重要组成部分必须作重点考虑。目前我国的市电是220V的交流电，而LED光源属半导体光源，通常是用直流低电压供电，这就要求在这些灯具中或外部设置AC-DC转换电路，以适应LED电流驱动的特征。目前电源选择的途径有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等多种，根据电流稳定性，瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。
　　
　　2）电源与驱动电路的寿命与成本
　　
　　LED寿命方面，虽然单颗LED本身的寿命长达10万小时，但其应用时必须搭配电源转换电路，故LED照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。但对照明用LED,为达到匹配要求，电源与驱动电路的寿命必须超过10万小时，使其不再成为led照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本，电源与驱动电路的寿命与成本的通常不宜超过照明系统总成本的三分之一，在led照明灯具产品发展的初期，必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成本的关系。

3）驱动程序的可编程技术
　　
　　LED用作光源一个显著的特点就是在低驱动电流条件下仍能维持其流明效率，同时对于R.G.B.多晶型
　　
　　混光而形成白光来说，通过开发一种针对LED的数字RGB混合控制系统，使用户能够在很大范围内对LED的亮度，颜色和色调进行任意调节，给人以一种全新的视觉享受。在城市景观亮化应用方面，LED光源可在微处理器控制下可以按不同模式加以变化，形成夜晚的多姿百态的动态效果，在这方面将体现LED相对于其它光源所具有的独特的竞争优势。
　　
　　4）电源与驱动电路的效率
　　
　　LED电源与驱动电路，既要有一定的供LED所需的接近恒流的正向电流输出，又要有较高的转换效率，电光转化效率是led照明的一个重要因素，否则就会失去LED节能的优点，目前商业化的开关电源其效率约为80%左右，作为led照明用电源，其转换效率仍须进一步提升。
　　
　　技术发展趋势
　　
　　1）针对LED的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路，利用集成电路技术将每颗LED的输入电流控制在最佳电流值，使得LED能获得稳定的电流，并产生最高的输出光通量。LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。
　　
　　2）LED驱动电路具有智能控制功能，使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。
　　
　　3）在控制电路电路设计方面，要向集中控制，标准模块化，系统可扩展性三方面发展。
　　
　　4）在目前LED光效和光通量有限的情况下，充分发挥LED色彩多样性的特点，开发变色LED灯饰的控制电路。

　　三，LED照明应用领域发展趋势

　　1，医疗照明

　　作为特殊照明，LED医疗照明具有高技术、高风险、高进入门槛等特点。国内LED医疗照明市场目前也尚处于初级阶段，无论是市场规模还是生产企业都还较少。随着国家对医疗卫生及国民健康的关注与投入的加大，医疗器械行业飞速发展，医疗照明需求日益扩大，也给LED医疗照明发展带来了新的机遇和挑战。

国内LED医疗照明市场需求与发展潜力

　　根据卫生部《2010年7月份全国医疗服务情况》[1]数据显示，截至2010年7月底，全国医疗机构数达92.24万个，其中：医院2.04万个，社区卫生服务中心(站)2.85万个，乡镇卫生院3.83万个，村卫生室64.72万个，诊所(医务室)17.42万个(详见表1)。

　　由表1可以看出，医院按等级可分为：三级医院1273个，二级医院6460个，一级医院5147个，未定级医院7552个。

 　　全国共有三级医院1273个，平均每个医院配备手术室20间，每个手术室必须配备手术无影灯一套，全国三级医院所需的手术无影灯约有25460套(1273×20)，若全部更换为LED手术无影灯，按15万元/套的价格计算，三级医院的LED手术无影灯市场需求总量约为38亿元。按照医疗设备更新制度，医用电子设备及光学仪器每8年需更新一次，LED手术无影灯在三级医院每年的市场需求量约为4.8亿元。

　　同样，全国共有二级医院6460个，平均每个医院最低配备手术室8间，按照上述计算方法，全国二级医院所需的手术无影灯约有51680套(6460×8)，LED手术无影灯在二级医院每年的市场需求量约为9.7亿元。

　　由此可见，仅以我国二级以上的医院市场需求量计算，LED手术无影灯每年的需求就高达14.5亿元左右，有巨大的市场需求量。

　　与传统医疗照明相比，LED手术照明除了其直接的节能效果外，其所具有的改善手术室层流净化效果的突出优势，使其还能大幅度降低手术室净化系统的一次性投资、节约净化系统能耗的额外节能效果。按我国目前全国医疗机构数所用的约10万台手术无影灯及7.3万间手术室计算，10万台手术无影灯(平均功耗超过1000W)的年耗电量超过1.8亿kWh(按每台1000W×6h×300d计算);目前医院手术室所使用的空气层流净化系统的平均功耗超过3000W，7.3万间手术室的年耗电量达到18.92亿kWh(按每间3000W×24h×360d计算)，仅前述三项的年耗电量合计就已达到了25.9亿kWh，超过三峡水力发电工程发电能力(840亿kWh)的3%，且尚未计算我国医院照明所需的LED检查灯、LED头灯等医疗专用照明的耗电量。
　　上所述机构若使用LED医疗照明技术及产品，可节约近60%的耗电量，即减少电能消耗16亿kWh，相当于节约三峡水力发电工程发电能力(840亿kWh)的2%，也相当于节约火电燃煤64万吨/年，同时可以减少因火电燃烧产生的二氧化碳排放167.68万吨/年，减少二氧化硫排放544万公斤/年，氮氧化物473.6万公斤/年。

　　同时，随着大手术、高难度手术的不断增多，垂直层流的高洁净度手术室的建立，各级医院都希望装备更高质量的新型医疗照明产品，而LED医疗照明产品正好满足现代医院的要求，除了它自身已有的节能、长寿等优点之外，更有能调节光源色温提高医生对不同组织器官的分辨力、节省手术室净化系统的建设与运行成本等一系列突出优点，成为了各个医院提高手术质量和行业竞争能力优先计划装备的重点设备。由此可以推断全球医疗照明产品市场对LED医疗照明产品的需求量将会更大，因此，以LED手术无影灯为代表的医疗照明产品作为附加值较高的高端产品将首先在医院得到关注和应用。显然，使用LED医疗照明技术及产品，除了在节能降耗方面效果明显外，对于改善手术环境、提高医疗质量、提升医疗机构竞争力方面也优势明显，使用LED医疗照明技术及产品必将成为各医疗卫生机构的必然选择。

 　　随着我国经济水平的不断发展，国内医疗卫生机构数量逐年增长，对LED医疗照明产品的需求量也在不断增加，有权威人士预测在未来5年内，我国将会有约1/3的医疗机构会选用LED替代传统光源，LED的医疗照明市场容量会以超过20%的年递增率不断扩大。