破電源轉(zhuǎn)換損耗“死癥” HV LED將成市場(chǎng)主流？

目前廣泛使用的直流發(fā)光二極體(DCLED)，若要經(jīng)由市電供電，須外加交流對(duì)直流(AC-DC)整流器，易造成額外物料成本及能源轉(zhuǎn)換損失，因此產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出以交流電直接驅(qū)動(dòng)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(huì)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(shí)際的照明應(yīng)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(jié)構(gòu)所造成的光損失，將會(huì)大幅降低燈源的發(fā)光效率。

目前已大幅應(yīng)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(dá)150lm/W。但DC LED是以直流電源驅(qū)動(dòng)操作，若要使用在市電上，勢(shì)必要外加交流對(duì)直流(AC-DC)整流器，電源轉(zhuǎn)換將會(huì)造成20~30%的能源損耗，且驅(qū)動(dòng)電路之體積也較為龐大，燈具設(shè)計(jì)彈性相對(duì)會(huì)受到限制。

臺(tái)灣自主性研發(fā)的高壓(HV)LED技術(shù)產(chǎn)品，僅需簡(jiǎn)易的外加驅(qū)動(dòng)電路，即可直接以市電110伏特(V)/220V驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。目前已于國(guó)際上取得發(fā)展先機(jī)，國(guó)內(nèi)廠商晶元光電已陸續(xù)將HV LED晶粒產(chǎn)品出貨給國(guó)外各家LED封裝及應(yīng)用大廠使用，國(guó)內(nèi)也有多家相關(guān)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(shì)。

迥異DC LED 驅(qū)動(dòng)方式　 HV LED特性和設(shè)計(jì)大相逕庭

高壓LED是以半導(dǎo)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(shù)與傳統(tǒng)LED十分近似。然而，由于驅(qū)動(dòng)方式的不同，特別是在交流電驅(qū)動(dòng)條件下，高壓LED的特性和設(shè)計(jì)方向與傳統(tǒng)LED有顯著差異。

圖1為高壓LED晶片結(jié)構(gòu)示意圖。多顆制作于同一基板的微晶粒間以金屬導(dǎo)線連結(jié)串接，而高壓驅(qū)動(dòng)電流則經(jīng)由末端的兩個(gè)打線墊片進(jìn)入微晶粒串。由圖2的微晶粒結(jié)構(gòu)側(cè)視圖中，則可發(fā)現(xiàn)單顆微晶粒的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電層、表面粗糙化、圖案化藍(lán)寶石基板等可提升傳統(tǒng)LED效率的技術(shù)，也同樣適用于高壓LED。

圖1　高壓LED結(jié)構(gòu)上視圖

圖2　成長(zhǎng)于藍(lán)寶石基板的GaN微晶粒側(cè)視結(jié)構(gòu)圖

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　高壓LED與傳統(tǒng)LED晶片兩者在制程上的主要差異點(diǎn)在于絕緣基板的使用、絕緣溝槽的蝕刻及金屬導(dǎo)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(duì)于以氮化鎵(GaN)材料所成長(zhǎng)的LED而言，由于所使用的藍(lán)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(dá)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(yùn)作的必要結(jié)構(gòu)，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(xì)窄的絕緣溝槽可增加高壓LED晶片的可發(fā)光面積，但相對(duì)也會(huì)提升制程的困難度。

圖3　高壓LED晶片SEM照片

絕緣溝槽的側(cè)壁須使用介電材料被覆保護(hù)，以避免金屬導(dǎo)線通過表面時(shí)，P-N材料間發(fā)生短路情況。但當(dāng)絕緣溝槽過于細(xì)窄時(shí)，無論使用化學(xué)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(dǎo)致微晶粒的P-N材料短路失效。同樣地，過于細(xì)窄的絕緣溝槽也會(huì)使得金屬蒸氣不易進(jìn)入，造成金屬導(dǎo)線薄膜的厚度過薄或甚至不連續(xù)，進(jìn)而導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)是一可行方式。圖4中所顯示的傾斜側(cè)壁結(jié)構(gòu)除可提升微晶粒與高壓LED的制程良率外，非矩形的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)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(shè)于微晶粒間的金屬導(dǎo)線必須同時(shí)具備低阻抗與低光線遮蔽之特性。制作細(xì)且厚的金屬導(dǎo)線是達(dá)成上述目標(biāo)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(dǎo)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(cè)壁、倒梯形開口的微晶粒結(jié)構(gòu)

以下針對(duì)國(guó)內(nèi)外的HVLED技術(shù)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(tái)灣取得HV LED發(fā)展先機(jī)

臺(tái)灣自主性HV LED技術(shù)，系以高壓直流或交流電等形式直接驅(qū)動(dòng)LED，突破微晶粒制程技術(shù)，發(fā)展出具有高電壓低電流操作優(yōu)點(diǎn)的HV LED產(chǎn)品，大幅提升LED晶粒之發(fā)光效率，并在國(guó)際市場(chǎng)上取得了技術(shù)發(fā)展先機(jī)。此技術(shù)結(jié)合簡(jiǎn)易的驅(qū)動(dòng)電路，即可有效提升能源轉(zhuǎn)換和使用效率，并可應(yīng)用于小型化設(shè)計(jì)的照明應(yīng)用，大幅提升LED應(yīng)用產(chǎn)品的可塑性。

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工研院已將相關(guān)微晶粒開發(fā)專利技轉(zhuǎn)國(guó)內(nèi)LED大廠晶元光電，使其拓展至HV LED領(lǐng)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(guó)際LED知名大廠及國(guó)內(nèi)如億光、葳天、福華、光寶等LED封裝廠進(jìn)行合作，推出HV LED相關(guān)應(yīng)用照明產(chǎn)品(表2)。

　目前國(guó)內(nèi)HVLED晶粒系采用單晶片式的微晶粒結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，可量產(chǎn)的晶粒藍(lán)光效率可達(dá)430mW/W；若制作成白光發(fā)光元件，則白光效率可達(dá)130lm/W。依據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)況及未來開發(fā)規(guī)畫，預(yù)計(jì)至2014年年底，HV LED晶粒效率可達(dá)600mW/W，白光效率將可達(dá)到180lm/W。

加緊投入研發(fā)　外商HV LED技術(shù)迭有進(jìn)展

以下將介紹國(guó)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(hào)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(dá)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(hào)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(dá)360lm。

2012年發(fā)表的新一代HVLED封裝元件Luxeon H50-2，可操作于環(huán)境溫度85℃，以50V電源為驅(qū)動(dòng)條件，其操作瓦數(shù)為2W，光源色溫5，000K，元件的光通量可達(dá)205lm，光源色溫2，700K，元件的光通量可達(dá)165lm；操作于室溫環(huán)境25℃，光強(qiáng)度約略可提升至1.1倍，相對(duì)于輸入電壓電流光強(qiáng)度呈直線增加。

上述產(chǎn)品透過簡(jiǎn)易的高壓晶片組合，擬克服傳統(tǒng)DC LED搭配驅(qū)動(dòng)電路之體積過于龐大，且使得設(shè)計(jì)難度受限的問題，有效縮小燈具體積，且提升照明燈具之設(shè)計(jì)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(jìn)。

CREE

美國(guó)科銳(Cree)于2011年推出高壓驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(dá)240lm及114lm；光源色溫2，700K，元件的光通量分別可達(dá)172lm及87lm；操作于室溫環(huán)境25℃，光強(qiáng)度約略可提升至1.15倍，相對(duì)于輸入電壓電流，光強(qiáng)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(zhuǎn)換效率較高的高壓驅(qū)動(dòng)電路，有效的減少驅(qū)動(dòng)所造成的損耗，HV LED可套用于空間受限之照明應(yīng)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(yīng)用范圍及使用彈性。

首爾半導(dǎo)體

韓國(guó)首爾半導(dǎo)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(hào)，其操作瓦數(shù)為4.3W，光源色溫5，000K，元件的光通量可達(dá)320lm；光源色溫4，000K，元件的光通量可達(dá)310lm；光源色溫2，700K，元件的光通量可達(dá)290lm。

圖7　首爾半導(dǎo)體所開發(fā)的HV LED光源模組

圖8　首爾半導(dǎo)體所開發(fā)的AC/HV LED光源模組電路等效示意圖

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　首爾半導(dǎo)體之高壓交流LED產(chǎn)品，直接于封裝上整合驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器或驅(qū)動(dòng)電路，可直接應(yīng)用在照明產(chǎn)品上，提升下游廠商的使用便利性。其中的驅(qū)動(dòng)IC，結(jié)合多段式切換控制的設(shè)計(jì)，可于較低電壓操作區(qū)間即可啟動(dòng)部分的HV LED元件，因此提升整個(gè)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(qū)動(dòng)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

HVLED照明光源有幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，分別是有機(jī)發(fā)光二極體(OLED)、被動(dòng)式有機(jī)發(fā)光二極體(PLED)、DC LED和AC LED。

由于相關(guān)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(dá)80lm/W和60lm/W等優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)攻顯示器及背光源的市場(chǎng)，在技術(shù)及實(shí)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(qū)動(dòng)(圖9)，其元件具備體積小、發(fā)光效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于顯示、車用、指示、裝飾及照明等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，惟須外加交直流電源轉(zhuǎn)換電路，使得市電高電壓交流電可以降壓，并轉(zhuǎn)為低電壓直流電來驅(qū)動(dòng)DC LED，此外，電源轉(zhuǎn)換電路亦往往造成能源的損耗。

圖9　DC LED的驅(qū)動(dòng)電路概念示意圖

在另一方面，DC LED使用壽命理論上可達(dá)30，000小時(shí)以上，但電源轉(zhuǎn)換電路之壽命平均約5，000小時(shí)，因此在DC LED尚未失效前，照明燈具往往因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路先行損壞而造成失效。

另外，驅(qū)動(dòng)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DCLED技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楦咄邤?shù)之光源應(yīng)用產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電路體積相對(duì)于光源整體體積之比例則大幅下降。

為克服外加驅(qū)動(dòng)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(yīng)運(yùn)而生，透過微晶粒的排列設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器，即可直接以市電110V/220V來驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(dá)85%以上，電源效率可達(dá)95%以上，是真正節(jié)能減碳的新技術(shù)。

圖10　AC LED的驅(qū)動(dòng)電路示意圖及晶粒亮暗操作情況

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但是，由于AC LED是以串并接的設(shè)計(jì)方式來使用，在交流電的驅(qū)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行時(shí)段性操作點(diǎn)亮，將使得晶片面積的有效利用率稍低，在同一時(shí)間部分微晶粒是停止操作的。由于AC LED無需太過繁雜之驅(qū)動(dòng)元件，因此不需要額外之散熱需求，適合應(yīng)用在低功率的光源應(yīng)用，如小夜燈、蠟燭燈等產(chǎn)品。

由AC LED技術(shù)所拓展的HV LED技術(shù)(圖11)，透過簡(jiǎn)易的微晶粒單向串接技術(shù)，外加一簡(jiǎn)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(jiǎn)易之驅(qū)動(dòng)電路組合外，更具備LED高發(fā)光效率、長(zhǎng)操作壽命等優(yōu)點(diǎn)。

圖11　HV LED的驅(qū)動(dòng)電路概念示意圖

　雖然DCLED、AC LED、HV LED等技術(shù)產(chǎn)品之間具備相當(dāng)?shù)墓餐ㄐ裕灿捎诋a(chǎn)品操作特性的不同，使得三種LED技術(shù)產(chǎn)品各自擁有其適合扮演的應(yīng)用產(chǎn)品角色。其中HV LED較適合1W？20W之中功率光源應(yīng)用，正是目前室內(nèi)主流照明所在的操作范圍內(nèi)，確實(shí)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(biāo)準(zhǔn)方案　HV LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展受阻

臺(tái)灣自微晶粒LED技術(shù)發(fā)展開始，已長(zhǎng)期累積HV LED元件相關(guān)之技術(shù)能量，結(jié)合大中華地區(qū)之應(yīng)用市場(chǎng)，可利用先天優(yōu)勢(shì)來主導(dǎo)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品之推動(dòng)。

國(guó)內(nèi)廠商領(lǐng)先全球推出HV LED產(chǎn)品，建立真正屬于臺(tái)灣主導(dǎo)的自主化LED產(chǎn)品，并加速推動(dòng)使其技術(shù)實(shí)際商品化，目前國(guó)內(nèi)已有多家廠商積極投入相關(guān)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(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成資源浪費(fèi)，提高樣品庫(kù)存量。

HV LED在實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品上，沒有共通之驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，不同的應(yīng)用需求或操作規(guī)格，須要各自開發(fā)相對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)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(tái)灣已具備HV LED產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)，但目前整個(gè)環(huán)境缺乏模組標(biāo)準(zhǔn)化之建立，無法提供一個(gè)可為國(guó)內(nèi)廠商共通使用之標(biāo)準(zhǔn)化光源，造成資源的浪費(fèi)及技術(shù)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(shì)及產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，但產(chǎn)品比重尚無法大幅提升，仍需要一段時(shí)間來整合及推動(dòng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。

供應(yīng)鏈漸具雛形　臺(tái)灣HV LED廠具高競(jìng)爭(zhēng)力

臺(tái)灣是全球最大的LED生產(chǎn)國(guó)，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(shì)與機(jī)會(huì)。特別在HV LED技術(shù)上已具備自主性，并已于國(guó)際上取得專利布局先機(jī)，有機(jī)會(huì)透過HV LED技術(shù)，于國(guó)際市場(chǎng)上創(chuàng)造一波潮流。

同時(shí)，在HV LED技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)之前提下，訂定并開發(fā)臺(tái)灣HV LED技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(tái)灣于HV LED相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速大幅領(lǐng)先國(guó)外廠商，進(jìn)一步奠定HV LED光源的市占，并提升技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。