LED光源進化到成熟期時的多元化光源介紹
LED光源進化到成熟期時的多元化光源介紹
當LED光源進入成熟期的時候，光源的發光效率得到了進一步的提升。如圖1深藍色、淺藍色和草綠色分別為為白熾燈、熒光燈和LED的發光效率的走勢。可以看出LED的光效的走勢從2010年至2020年處于快速的增長時期，因此和之前預測的2014年左右LED處于成長期是相吻合的。2020年以后已經越來越接近LED光源的成熟期，將會更加的節約能源、光效將會進一步提高。顯色指數也會進一步提高。
圖1 白熾燈、熒光燈、LED燈發光效率走勢
當LED光源進入成熟期的時候，光源的技術性能得到了進一步的提升，并且也出現了針對不同的需求的很多不同類型的新的光源。光源也是朝著更容易改變形態、體積向更加小型化、多樣化的方向發展。例如，陸續出現了COB光源、全光譜光源、特殊色點的光源、高密度雙色溫光源、倒裝LED光源等。
一、COB光源
COB光源的全稱是chip－on－board，即板上芯片封裝，是一種區別于SMD表貼封裝技術的新型封裝方式，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，此技術剔除了支架概念，無電鍍、無回流焊、無貼片工序，因此工序減少近三分之一，成本也節約了三分之一。COB光源可以簡單理解為高功率集成面光源，可以根據產品外形結構設計光源的出光面積和外形尺寸。這種封裝方式生產都在一個工廠內完成，整合和簡化了企業的生產流程，生產過程更易于組織和管控，產品的點間距可以更小、可靠性成倍增加、成本更接近平民化。
隨著LED應用市場的逐漸成熟，用戶對產品的穩定性、可靠性需求越來越高，特別是在同等條件下，要求產品可以實現更優的能效指標、更低的功耗，以及更具競爭力的產品價格。正是基于此，與傳統LEDSMD貼片式封裝和大功率封裝相比，板上芯片（COB）集成封裝技術將多顆LED芯片直接封裝在金屬基印刷電路板上，作為一個照明模塊通過基板直接散熱，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勢，因此成為照明企業主推的一種封裝方式。
COB封裝的應用在各方面都存在諸多優勢，所以得到了諸多照明企業的青睞有著傳統封裝技術不可比擬的優勢。
（1）超輕薄
可根據客戶的實際需求，采用厚度從0.4－1.2mm厚度的PCB板，使重量最少降低到原來傳統產品的1/3，可為客戶顯著降低結構、運輸和工程成本。
（2）防撞抗壓
COB產品是直接將LED芯片封裝在PCB板的凹形燈位內，然后用環氧樹脂膠封裝固化，燈點表面凸起成球面，光滑而堅硬，耐撞耐磨。
（3）大視角
COB封裝采用的是淺井球面發光，視角大于175度，接近180度，而且具有更優秀的光學漫散色渾光效果。便于產品的二次光學配套，提高照明質量。
（4）可彎曲
可彎曲能力是COB封裝所獨有的特性，PCB的彎曲不會對封裝好的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、夜總會個性化造型屏的理想基材。可做到無縫隙拼接，制作結構簡單，而且價格遠遠低于柔性線路板和傳統顯示屏模組制作的LED異形屏。
（5）散熱能力強
COB產品是把燈封裝在PCB板上，通過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格的工藝要求，加上沉金工藝，幾乎不會造成嚴重的光衰減。所以很少死燈，大大延長了的壽命。
（6）耐磨、易清潔
燈點表面凸起成球面，光滑而堅硬，耐撞耐磨；出現壞點，可以逐點維修；沒有面罩，有灰塵用水或布即可清潔。
（7）全天候優良特性
采用三重防護處理，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度的溫差環境仍可正常使用。
圖2 COB光源
COB光源除了散熱性能好、造價成本低之外，還能進行個性化設計。但在技術上，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，將是未來封裝發展的主導方向之一。
二、全光普光源
現在人們經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。當光線進入人的眼睛，使我們產生色感。這個過程是太陽的光線照在物體上，然后物體將光線反射，反射的光線進入人的眼睛，那么眼睛的視網膜接受了來自物體的光，然后就會將這個信息傳遞給大腦。視網膜中的三種錐狀細胞分別識別紅綠藍三種不同的顏色，然后人腦再根據眼睛所看到的信息識別顏色，然后最終做出判斷。例如說紅色的蘋果，那么人腦就根據眼睛所識別的顏色判斷。我看到了紅色，所以蘋果是紅色的。
發光二極管（LED）等光源的使用會對人體健康造成危害，這類危害一般稱為“藍光危害（BLH）”，泛指實際的眼損傷風險及對一般健康狀態的影響。“藍光危害”僅在考慮到眼視網膜組織的光化學風險（技術上稱為“光斑病變”）時使用，通常與凝視陽光或焊接電弧等明亮光源有關。因為光化學損傷的風險取決于波長，在光譜位于435 nm到440 nm的藍光波段達到峰值。國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）發布了“藍光危害函數”并規定了波長相關加權函數和指導性曝光極限。LED主要是白光燈具，通常會包含與藍光危害相關的光。看起來“偏冷光”的燈或高色溫的燈，相對于“偏暖光”或低色溫的燈而言，可能包含更多藍光成分。常規照明中白熾燈和LED燈中，相同色溫的燈具其藍光危害曝光極限是相同的。白色光源發出接近藍光危害曝光極限劑量的藍光時，發出的光會很亮，這樣就產生了令人不適的眩光。凝視這樣的光源會被認為是不正常的行為。另外，高色溫的照明對于大多數人而言都是令人不愉快和不舒服的，尤其是作為家用照明。對于行為正常的人來說，每天都會有大量時間暫時曝光在高劑量的光中。然而，在一天當中這些曝光量的積累并不會曝光超過曝光極限。已有大量研究和媒體報道聲稱，白光光源對人眼健康存在不利影響。這些研究大多數是基于非常規狀態，包括：長時間曝光、高色溫LED燈（藍光成分非常多）、顯著超出ICNIRP曝光極限的曝光、凝視光源、使用夜行動物模型或人體離體細胞。
如圖3 可以看到的是太陽光的光譜。它有紫外線、可見光和紅外線組成，人的肉眼可以看到的部分屬于可見光光譜，顯色指數80的LED光譜，其中的藍光相對來說分布是比較多的，因此也對人眼的危害是比較大的。現在人們也在用LED模擬太陽光光譜的可見光段，也就是全光譜。
圖3 太陽光光譜
全光譜分兩種，紫光激發的全光譜和藍光激發的全光譜。它有以下特點：首先，顯色指數比較高。一般由紫光激發的全光譜，它的顯色性會比藍光激發的全光譜相對會更高。另外，全光譜色域飽和度是比較好的，但是由紫光激發的全光譜，它的光效相對是比較低的。由藍光激發的全光譜，它的光效比較高，相對人員的安全性來說，全光譜的安全性要遠遠高于普通顯色指數90以上的LED光源的安全性，藍光危害更小。從成本上來說，藍光激發的全光譜和普通顯色指數90以上的LED光源的全光譜是比較接近的。然后，對于全光譜來說，它的寬光譜相對連續性比較好，顏色還原更加的逼真。
圖4 太陽光譜（紅色）、全光譜COB（綠色）、普通LED（藍色）
例如，將太陽光譜、全光譜COB、普通LED4000K的全光譜的指標的對比，LED全光譜已經很接近太陽光譜。因此全光譜是一種健康照明的產物，會更加的健康、舒適，相對來說顏色更逼真，飽和度更高，光譜更連續，發光面更小，便于小角度的光學設計。
三、特殊色點光源
顏色是商品在商業超市環境中最重要的視覺參數，超市內有紅色的鮮肉，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，針對每一個區域的特點，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，重點區域可以夸張表現。這樣更有助展現產品的賣相和特點，獲得消費者的信賴。那么對商品色彩的最好的表現手段就是燈具的使用，不同顯色指數、色溫、光色的燈具，對于商品色澤的展現也會呈現不同的效果。
隨著燈具設計越來越細分，以及消費升級，消費者對于不同場景、不同被照物都也提出了不同的要求。因此，市面上也出現了針對實木家具專用光色、時尚女士服裝及布藝光色、鮮肉類專用光色、面包類專用光色、水果類專用光色、水產類專用光色等等30種以上甚至更多的不同特殊色點的光源。如圖5，可以看到不同的材質在不同的顯色指數、色溫、色點的光源照射下，所呈現的材質是不一樣的。
圖5 不同材質不同色溫和色點光源
如圖6，我們可以看到在常規環境燈光和專色燈光的照射下五花肉呈現出不同的顏色的效果。左圖在常規燈光照射下的五花肉看起來是非常的不新鮮。然而右邊的專門照生肉的燈光下，五花肉顯得非常的新鮮，也激發了消費者想購買的欲望。
圖6 常規環境燈光與專色燈光對比
針對鮮肉的特殊光譜配方，沒有非常高的顯色指數，如圖7 我們看到的是針對鮮肉的特殊色點的光源的光譜曲線，在曲線中增強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，未受光環境影響。
圖7 鮮肉的光譜曲線
如圖8 可以看到的是紅木專色的光效果和常規COB光效果的對比。紅木專色的家具更能體現實木材質本身的質感。紅木的種類比較多，顏色和紋理也各有不同，紫檀木類為紅紫色，花梨木類為紅褐色，香枝木類為紅褐色，紅酸枝類為紅褐色。因此，在紅木顏色的表現中我們著重還原紅木的紅褐色的本色。如圖9我們看到的是針對紅木的特殊色點的光源的光譜曲線，在曲線中增強黃色和紅色域飽和度。
圖8 紅木專色與常規COB光效果對比
圖9 紅木專色的光譜曲線
如圖10 是針對面包和蛋糕作為烘培類的食品也是我們生活中不能或缺的食物。很多時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光底下看起來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，并且也要看起來非常的新鮮。如圖11 為烘培類產品的光源參數，通過光源的特殊色點設計，減少藍光，增加黃光、紅光，達到更加的效果。
圖10 烘培店燈光下的面包和蛋糕
圖11 烘培類食物光源參數
光源設計的廠家通過混光混色軟件系統設計出不同色點的光源。通過混光混色軟件系統，模擬光譜配方，能夠實現批量生產過程中獨特的光譜定制輸出。通過科學配方，針對不同被照物進行特殊色點、特殊飽和度、特殊光譜、特殊光效果的設計，滿足被照場景或被照物特殊、針對性飽和度、逼真度需求。
圖12 混光混色軟件系統
圖13 照明混光混色軟件系統（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。目前已經在市場上得到了廣泛的應用。但是近幾年來，封裝廠家關注的焦點不僅僅在亮度方面，另外關注的是COB的光品質、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、射燈的產品。由于高功率密度產品便于設計小角度射燈或變焦燈，各中大廠商紛紛推出相應產品去取代軌道射燈、甚至于陶瓷金鹵燈。高密度光源是在原有的COB光源的基礎上實現更小的發光面積，更大的功率。因此需要防止高溫對光源質量產生影響，防止光電效率不高的問題。
圖14 朗明納斯高密COB（左圖直徑3.5mm、右圖直徑4.5mm）
目前，COB光源多數只能顯示一種色溫，無法在同一個COB里面進行兩種色溫的轉換，無法滿足某些場景應用的需求，而且單色溫的COB光源也給COB光源燈具的應用帶來了一定的局限性。而市面上的一些可調色溫的COB光源，主要是對半填充、環形填充、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，發光面大，并不能均勻出光，有光暈，調節時光形會產生變化，光色品質差，且內部須用圍壩的形式將高低色溫區域分隔，工藝復雜，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，實現高低色溫在光學混色上均勻交叉式分布，混光均勻，光色品質好，同時高低色溫無須用圍壩的形式分隔，芯片可高密度集成，產品成本低，可靠性好，制造工藝簡單。但是有如下缺點：
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，由于發光面積大大減小，功率提升，對于燈具設計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，就是通過錫膏或共晶制程把一定數量的LED倒裝芯片集成焊接在具有一定發光面、一定反射率和導熱率的基板上，然后封裝成光集成的光源。與正裝COB最大的區別是封裝工藝。倒裝COB工藝采用倒裝芯片無金線封裝，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為“倒裝”是相對于傳統的金屬線鍵合連接方式（WireBonding）與植球后的工藝而言的。傳統的通過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，相當于將前者翻轉過來，故稱其為“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光源實物圖
采用倒裝芯片，電壓低、熱阻低、散熱性能好。無金線封裝，焊接穩固，長期可靠性高，客戶安裝方便快捷，不會出現按壓死燈問題。倒裝芯片結溫承受能力高(可達150℃，正裝芯片只有125℃左右），耐大電流能力強，長期使用光衰小，壽命長。
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光通量都是持續增長的，但是在電流達到600MA以后，正裝COB光通量率先出現飽和點或拐點，說明正裝COB的耐電流能力比倒裝差，倒裝產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，同樣說明正裝COB的耐電流能力比倒裝差。
根據分析我們可以得出以下結論：
（1）相似規格尺寸芯片，相似發光面、單顆電流150Ma條件下測試，正裝COB光通比倒裝有一定優勢，但光效方面優勢已經很小，兩者已經比較接近。
（2）倒裝COB電壓較低，瞬間耐電流特性比正裝強很多，不容易出現過瞬間脈沖電流沖死的現象。
（3）倒裝COB可靠性、溫升和長期耐電流特性等方面都比正裝有優勢。
因此，未來光源的發展趨勢，在流通型產品上，倒裝COB的性價比會越來越來高，市場占有率會快速超過正裝COB光源。正裝COB光源雖然發展比較成熟，光電參數提升的空間有限，同時利潤空間有限。另外，倒裝芯片發展比正裝芯片晚，光通光效還有很大提升空間，根據芯片廠家的推斷倒裝芯片亮度每年會有4-5%的提升，同時成本下降的空間比較大。倒裝Al基板發光區的反射率只有90%左右，跟正裝鏡面鋁（98%）還有些差異，通過優化焊盤和白油層 ，反射率還有一定的提升空間。
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