目前廣泛使用的直流發(fā)光二極體(DC LED)，若要經(jīng)由市電供電，須外加交流對直流(AC-DC)整流器，易造成額外物料成本及能源轉換損失，因此產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出以交流電直接驅動的高壓LED(HV LED)，可大幅提升LED照明系統(tǒng)的能源利用率和發(fā)光效率。
在傳統(tǒng)照明光源中，發(fā)光效率最好的是日光燈，其光源本身的發(fā)光效率約65lm/W。用于安定器的附加電路會造成13~20%的能源損耗，光源發(fā)光經(jīng)過燈具的反射罩，其光源效率損耗約30~40%，因此在實際的照明應用環(huán)境下，日光燈的燈具照明發(fā)光效率約35lm/W。雖然光源自身發(fā)光效率高，但附加電路和燈具結構所造成的光損失，將會大幅降低燈源的發(fā)光效率。
目前已大幅應用在照明光源的高功率白光直流發(fā)光二極體(DC LED)(表1)，其光源發(fā)光效率可達150lm/W。但DC LED是以直流電源驅動操作，若要使用在市電上，勢必要外加交流對直流(AC-DC)整流器，電源轉換將會造成20~30%的能源損耗，且驅動電路之體積也較為龐大，燈具設計彈性相對會受到限制。
臺灣自主性研發(fā)的高壓(HV)LED技術產(chǎn)品，僅需簡易的外加驅動電路，即可直接以市電110伏特(V)/220V驅動操作，并具備90%高功率因數(shù)(PF)、95%高能源利用率、高發(fā)光效率等優(yōu)點。目前已于國際上取得發(fā)展先機，國內(nèi)廠商晶元光電已陸續(xù)將HV LED晶粒產(chǎn)品出貨給國外各家LED封裝及應用大廠使用，國內(nèi)也有多家相關廠商投入HV LED照明光源產(chǎn)品的開發(fā)，是為未來照明光源主流趨勢。
迥異DC LED 驅動方式 HV LED特性和設計大相逕庭
高壓LED是以半導體制程方式，將多顆微晶粒置于同一基板上，再加以串接而成，其所需之制程技術與傳統(tǒng)LED十分近似。然而，由于驅動方式的不同，特別是在交流電驅動條件下，高壓LED的特性和設計方向與傳統(tǒng)LED有顯著差異。
圖1為高壓LED晶片結構示意圖。多顆制作于同一基板的微晶粒間以金屬導線連結串接，而高壓驅動電流則經(jīng)由末端的兩個打線墊片進入微晶粒串。由圖2的微晶粒結構側視圖中，則可發(fā)現(xiàn)單顆微晶粒的結構與傳統(tǒng)LED間主要的差異，僅在于尺寸的不同，其他包括透明導電層、表面粗糙化、圖案化藍寶石基板等可提升傳統(tǒng)LED效率的技術，也同樣適用于高壓LED。
圖1 高壓LED結構上視圖
圖2 成長于藍寶石基板的GaN微晶粒側視結構圖
高壓LED與傳統(tǒng)LED晶片兩者在制程上的主要差異點在于絕緣基板的使用、絕緣溝槽的蝕刻及金屬導線的制作。高壓LED的核心概念是將制作于同一基板的多顆微晶粒加以串接而成，因此使用絕緣基板確保微晶粒間的電性絕緣是高壓LED得以正常操作的基本條件。對于以氮化鎵(GaN)材料所成長的LED而言，由于所使用的藍寶石基板具備極佳絕緣特性，因此只要將微晶粒間的溝槽蝕刻至基板裸露，即可達到良好的電性絕緣。
此外，由圖3中可發(fā)現(xiàn)，雖然微晶粒間的絕緣溝槽是讓高壓LED得以正確運作的必要結構，但卻也使得高壓LED晶片整體的可發(fā)光面積縮減。雖然在概念上，越細窄的絕緣溝槽可增加高壓LED晶片的可發(fā)光面積，但相對也會提升制程的困難度。
圖3 高壓LED晶片SEM照片
絕緣溝槽的側壁須使用介電材料被覆保護，以避免金屬導線通過表面時，P-N材料間發(fā)生短路情況。但當絕緣溝槽過于細窄時，無論使用化學氣相沉積或蒸鍍方式制作介電材料薄膜，均可能發(fā)生被覆不完全的情況，并導致微晶粒的P-N材料短路失效。同樣地，過于細窄的絕緣溝槽也會使得金屬蒸氣不易進入，造成金屬導線薄膜的厚度過薄或甚至不連續(xù)，進而導致高壓LED晶片的串聯(lián)電阻增加，或甚至有開路失效情況發(fā)生。
為提升介電材料與導線金屬薄膜的制程良率，將絕緣溝槽制作成為開口向上的倒梯形結構是一可行方式。圖4中所顯示的傾斜側壁結構除可提升微晶粒與高壓LED的制程良率外，非矩形的幾何結構對微晶粒的光取出效率提升亦有幫助。此外，為避免金屬遮蔽降低高壓LED發(fā)光效率，鋪設于微晶粒間的金屬導線必須同時具備低阻抗與低光線遮蔽之特性。制作細且厚的金屬導線是達成上述目標的方法之一，而使用透明金屬氧化物，如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅(ZnO)等，做為導線材料亦是可行手段，兩者均有助提升高壓LED發(fā)光效率。
圖4 具傾斜側壁、倒梯形開口的微晶粒結構
以下針對國內(nèi)外的HV LED技術研發(fā)現(xiàn)況，做一概略性的整理。
突破微晶粒制程桎梏挑戰(zhàn) 臺灣取得HV LED發(fā)展先機
臺灣自主性HV LED技術，系以高壓直流或交流電等形式直接驅動LED，突破微晶粒制程技術，發(fā)展出具有高電壓低電流操作優(yōu)點的HV LED產(chǎn)品，大幅提升LED晶粒之發(fā)光效率，并在國際市場上取得了技術發(fā)展先機。此技術結合簡易的驅動電路，即可有效提升能源轉換和使用效率，并可應用于小型化設計的照明應用，大幅提升LED應用產(chǎn)品的可塑性。
工研院已將相關微晶粒開發(fā)專利技轉國內(nèi)LED大廠晶元光電，使其拓展至HV LED領域，并成功開發(fā)出具備高發(fā)光效率的HV LED晶片，陸續(xù)與國際LED知名大廠及國內(nèi)如億光、葳天、福華、光寶等LED封裝廠進行合作，推出HV LED相關應用照明產(chǎn)品(表2)。
目前國內(nèi)HV LED晶粒系采用單晶片式的微晶粒結構組合設計，可量產(chǎn)的晶粒藍光效率可達430mW/W；若制作成白光發(fā)光元件，則白光效率可達130lm/W。依據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)況及未來開發(fā)規(guī)畫，預計至2014年年底，HV LED晶粒效率可達600mW/W，白光效率將可達到180lm/W。
加緊投入研發(fā) 外商HV LED技術迭有進展
以下將介紹國外LED廠商發(fā)展HV LED的現(xiàn)況。
Philips Lumileds
該公司第一代高壓式LED Luxeon H50-1(50V)型號封裝元件(圖5)，于85℃操作環(huán)境下，投入電力為1W，其發(fā)光通量可達67 lm。
圖5 Philips Lumileds所開發(fā)的HV LED元件
其后發(fā)表的Luxeon H(100V與200V)型號封裝元件，于85℃操作環(huán)境下，投入電力為4W，其發(fā)光通量可達360lm。
2012年發(fā)表的新一代HV LED封裝元件Luxeon H50-2，可操作于環(huán)境溫度85℃，以50V電源為驅動條件，其操作瓦數(shù)為2W，光源色溫5，000K，元件的光通量可達205lm，光源色溫2，700K，元件的光通量可達165lm；操作于室溫環(huán)境25℃，光強度約略可提升至1.1倍，相對于輸入電壓電流光強度呈直線增加。
上述產(chǎn)品透過簡易的高壓晶片組合，擬克服傳統(tǒng)DC LED搭配驅動電路之體積過于龐大，且使得設計難度受限的問題，有效縮小燈具體積，且提升照明燈具之設計彈性，如常見的球泡燈、蠟燭燈及吊飾燈，儼然已朝向新一代LED照明元件之發(fā)展方向邁進。
Cree
美國科銳(Cree)于2011年推出高壓驅動的HV LED封裝元件XLamp XM-L及XT-E(圖6)，可操作于環(huán)境溫度85℃，以46V電源為驅動條件，其操作瓦數(shù)分別為2W及1W，光源色溫5，000K，元件的光通量分別可達240lm及114lm；光源色溫2，700K，元件的光通量分別可達172lm及87lm；操作于室溫環(huán)境25℃，光強度約略可提升至1.15倍，相對于輸入電壓電流，光強度呈直線增加。
圖6 Cree所開發(fā)的HV LED元件
Cree之高壓LED產(chǎn)品，提供一種封裝尺寸更小之選擇，搭配轉換效率較高的高壓驅動電路，有效的減少驅動所造成的損耗，HV LED可套用于空間受限之照明應用上，諸如B10、GU10和E17等小型燈泡產(chǎn)品，大幅提升產(chǎn)品的可應用范圍及使用彈性。
首爾半導體
韓國首爾半導體(Seoul Semiconductor)推出的Acrich2光源模組(圖7、8)，依據(jù)使用者需求選擇分為120V或220V兩種操作型號，其操作瓦數(shù)為4.3W，光源色溫5，000K，元件的光通量可達320lm；光源色溫4，000K，元件的光通量可達310lm；光源色溫2，700K，元件的光通量可達290lm。
圖7 首爾半導體所開發(fā)的HV LED光源模組
圖8 首爾半導體所開發(fā)的AC/HV LED光源模組電路等效示意圖
首爾半導體之高壓交流LED產(chǎn)品，直接于封裝上整合驅動IC元件，因此光源模組可直接操作在交流電壓的環(huán)境下，不須外加電源轉換器或驅動電路，可直接應用在照明產(chǎn)品上，提升下游廠商的使用便利性。其中的驅動IC，結合多段式切換控制的設計，可于較低電壓操作區(qū)間即可啟動部分的HV LED元件，因此提升整個光源模組的功率因數(shù)，這將有助于減少能源損耗，提升整體光源效率。 此外，由于將電路整合于驅動IC元件上，整體HV LED光源模組使用的外部元件大幅減少，光源模組的可靠度將能夠提升，使得整體操作壽命更接近于LED操作壽命之理論值。
HV LED適用中功率光源
HV LED照明光源有幾個競爭產(chǎn)品，分別是有機發(fā)光二極體(OLED)、被動式有機發(fā)光二極體(PLED)、DC LED和AC LED。
由于相關替代性產(chǎn)品如OLED及PLED，挾帶著低直流電壓、均勻面發(fā)光、發(fā)光效率可達80lm/W和60lm/W等優(yōu)點，準備進攻顯示器及背光源的市場，在技術及實用性可與現(xiàn)有的LED匹敵。但這類替代產(chǎn)品目前發(fā)光效率尚不及LED，因此整體而言，尚無較明顯的威脅性產(chǎn)生。
DC LED以直流電流源驅動(圖9)，其元件具備體積小、發(fā)光效率高等諸多優(yōu)點，可應用于顯示、車用、指示、裝飾及照明等廣泛的應用領域，惟須外加交直流電源轉換電路，使得市電高電壓交流電可以降壓，并轉為低電壓直流電來驅動DC LED，此外，電源轉換電路亦往往造成能源的損耗。
圖9 DC LED的驅動電路概念示意圖
在另一方面，DC LED使用壽命理論上可達30，000小時以上，但電源轉換電路之壽命平均約5，000小時，因此在DC LED尚未失效前，照明燈具往往因為驅動電路先行損壞而造成失效。
另外，驅動電路的存在，也大幅增加整體光源模組的體積，因此較不適用于中低瓦數(shù)的光源產(chǎn)品，目前較適合DC LED技術的應用領域為高瓦數(shù)之光源應用產(chǎn)品，驅動電路體積相對于光源整體體積之比例則大幅下降。
為克服外加驅動電路所造成的能源損失、體積過于龐大等問題，AC LED產(chǎn)品遂應運而生，透過微晶粒的排列設計組合，使用數(shù)十顆微晶粒之串并連接，毋須外加安定器和AC-DC轉換器，即可直接以市電110V/220V來驅動點亮(圖10)，大幅提升操作便利性，并有效縮減了光源體積，其產(chǎn)品功率因數(shù)可達85%以上，電源效率可達95%以上，是真正節(jié)能減碳的新技術。
圖10 AC LED的驅動電路示意圖及晶粒亮暗操作情況
但是，由于AC LED是以串并接的設計方式來使用，在交流電的驅動環(huán)境進行時段性操作點亮，將使得晶片面積的有效利用率稍低，在同一時間部分微晶粒是停止操作的。由于AC LED無需太過繁雜之驅動元件，因此不需要額外之散熱需求，適合應用在低功率的光源應用，如小夜燈、蠟燭燈等產(chǎn)品。
由AC LED技術所拓展的HV LED技術(圖11)，透過簡易的微晶粒單向串接技術，外加一簡易的橋式整流元件，即可直接操作在交流電壓的環(huán)境下，除具備功率因數(shù)高(PF>90%)、電源效率高(>95%)及簡易之驅動電路組合外，更具備LED高發(fā)光效率、長操作壽命等優(yōu)點。
圖11 HV LED的驅動電路概念示意圖
雖然DC LED、AC LED、HV LED等技術產(chǎn)品之間具備相當?shù)墓餐ㄐ�，但也由于產(chǎn)品操作特性的不同，使得三種LED技術產(chǎn)品各自擁有其適合扮演的應用產(chǎn)品角色。其中HV LED較適合1W？20W之中功率光源應用，正是目前室內(nèi)主流照明所在的操作范圍內(nèi)，確實有加緊腳步開發(fā)之必要，以加速HV LED于室內(nèi)照明的普及。
欠缺標準方案 HV LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展受阻
臺灣自微晶粒LED技術發(fā)展開始，已長期累積HV LED元件相關之技術能量，結合大中華地區(qū)之應用市場，可利用先天優(yōu)勢來主導相關技術產(chǎn)品之推動。
國內(nèi)廠商領先全球推出HV LED產(chǎn)品，建立真正屬于臺灣主導的自主化LED產(chǎn)品，并加速推動使其技術實際商品化，目前國內(nèi)已有多家廠商積極投入相關產(chǎn)品研發(fā)與銷售。但是各家廠商自定HV LED開發(fā)規(guī)格，須針對不同產(chǎn)品進行設計，造成資源浪費，提高樣品庫存量。
HV LED在實際應用產(chǎn)品上，沒有共通之驅動電路設計，不同的應用需求或操作規(guī)格，須要各自開發(fā)相對應不同的驅動電路系統(tǒng)，提高所需開發(fā)成本。另外，由于操作瓦數(shù)及散熱之需求，各家廠商也須分別開發(fā)不同的封裝載具。
由上述可知，雖然臺灣已具備HV LED產(chǎn)品的技術基礎，但目前整個環(huán)境缺乏模組標準化之建立，無法提供一個可為國內(nèi)廠商共通使用之標準化光源，造成資源的浪費及技術產(chǎn)品的發(fā)散。因此，HV LED產(chǎn)品雖具備光源特性上的優(yōu)勢及產(chǎn)品競爭力，但產(chǎn)品比重尚無法大幅提升，仍需要一段時間來整合及推動產(chǎn)業(yè)標準化。
供應鏈漸具雛形 臺灣HV LED廠具高競爭力
臺灣是全球最大的LED生產(chǎn)國，具備完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在生產(chǎn)成本、供貨穩(wěn)定度等生產(chǎn)條件，具備極大優(yōu)勢與機會。特別在HV LED技術上已具備自主性，并已于國際上取得專利布局先機，有機會透過HV LED技術，于國際市場上創(chuàng)造一波潮流。
同時，在HV LED技術發(fā)展優(yōu)勢之前提下，訂定并開發(fā)臺灣HV LED技術標準化規(guī)格產(chǎn)品，降低生產(chǎn)所需成本，提升產(chǎn)品操作便利性，必然可使臺灣于HV LED相關技術發(fā)展迅速大幅領先國外廠商，進一步奠定HV LED光源的市占，并提升技術產(chǎn)品應用優(yōu)勢。
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