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Oct, Fri, 2023
LED光源进化到成熟期时的多元化光源介绍
当LED光源进入成熟期的时候，光源的发光效率得到了进一步的提升。如图1深蓝色、浅蓝色和草绿色分别为为白炽灯、荧光灯和LED的发光效率的走势。可以看出LED的光效的走势从2010年至2020年处于快速的增长时期，因此和之前预测的2014年左右LED处于成长期是相吻合的。2020年以后已经越来越接近LED光源的成熟期，将会更加的节约能源、光效将会进一步提高。显色指数也会进一步提高。
图1 白炽灯、荧光灯、LED灯发光效率走势
当LED光源进入成熟期的时候，光源的技术性能得到了进一步的提升，并且也出现了针对不同的需求的很多不同类型的新的光源。光源也是朝着更容易改变形态、体积向更加小型化、多样化的方向发展。例如，陆续出现了COB光源、全光谱光源、特殊色点的光源、高密度双色温光源、倒装LED光源等。
一、COB光源
COB光源的全称是chip－on－board，即板上芯片封装，是一种区别于SMD表贴封装技术的新型封装方式，具体是将LED芯片直接贴在高反光率的镜面金属基板上的高光效集成面光源技术，此技术剔除了支架概念，无电镀、无回流焊、无贴片工序，因此工序减少近三分之一，成本也节约了三分之一。COB光源可以简单理解为高功率集成面光源，可以根据产品外形结构设计光源的出光面积和外形尺寸。这种封装方式生产都在一个工厂内完成，整合和简化了企业的生产流程，生产过程更易于组织和管控，产品的点间距可以更小、可靠性成倍增加、成本更接近平民化。
随着LED应用市场的逐渐成熟，用户对产品的稳定性、可靠性需求越来越高，特别是在同等条件下，要求产品可以实现更优的能效指标、更低的功耗，以及更具竞争力的产品价格。正是基于此，与传统LEDSMD贴片式封装和大功率封装相比，板上芯片（COB）集成封装技术将多颗LED芯片直接封装在金属基印刷电路板上，作为一个照明模块通过基板直接散热，不仅能减少支架的制造工艺及其成本，而且还具有减少热阻的散热优势，因此成为照明企业主推的一种封装方式。
COB封装的应用在各方面都存在诸多优势，所以得到了诸多照明企业的青睐有着传统封装技术不可比拟的优势。
（1）超轻薄
可根据客户的实际需求，采用厚度从0.4－1.2mm厚度的PCB板，使重量最少降低到原来传统产品的1/3，可为客户显著降低结构、运输和工程成本。
（2）防撞抗压
COB产品是直接将LED芯片封装在PCB板的凹形灯位内，然后用环氧树脂胶封装固化，灯点表面凸起成球面，光滑而坚硬，耐撞耐磨。
（3）大视角
COB封装采用的是浅井球面发光，视角大于175度，接近180度，而且具有更优秀的光学漫散色浑光效果。便于产品的二次光学配套，提高照明质量。
（4）可弯曲
可弯曲能力是COB封装所独有的特性，PCB的弯曲不会对封装好的LED芯片造成破坏，因此使用COB模组可方便地制作LED弧形屏，圆形屏，波浪形屏。是酒吧、夜总会个性化造型屏的理想基材。可做到无缝隙拼接，制作结构简单，而且价格远远低于柔性线路板和传统显示屏模组制作的LED异形屏。
（5）散热能力强
COB产品是把灯封装在PCB板上，通过PCB板上的铜箔快速将灯芯的热量传出，而且PCB板的铜箔厚度都有严格的工艺要求，加上沉金工艺，几乎不会造成严重的光衰减。所以很少死灯，大大延长了的寿命。
（6）耐磨、易清洁
灯点表面凸起成球面，光滑而坚硬，耐撞耐磨；出现坏点，可以逐点维修；没有面罩，有灰尘用水或布即可清洁。
（7）全天候优良特性
采用三重防护处理，防水、潮、腐、尘、静电、氧化、紫外效果突出；满足全天候工作条件，零下30度到零上80度的温差环境仍可正常使用。
图2 COB光源
COB光源除了散热性能好、造价成本低之外，还能进行个性化设计。但在技术上，COB封装仍存在光衰、寿命短、可靠性差等不足之处，如能得到解决，将是未来封装发展的主导方向之一。
二、全光普光源
现在人们经常都在提倡健康照明，全光谱的光源也属于健康照明的光源。当光线进入人的眼睛，使我们产生色感。这个过程是太阳的光线照在物体上，然后物体将光线反射，反射的光线进入人的眼睛，那么眼睛的视网膜接受了来自物体的光，然后就会将这个信息传递给大脑。视网膜中的三种锥状细胞分别识别红绿蓝三种不同的颜色，然后人脑再根据眼睛所看到的信息识别颜色，然后最终做出判断。例如说红色的苹果，那么人脑就根据眼睛所识别的颜色判断。我看到了红色，所以苹果是红色的。
发光二极管（LED）等光源的使用会对人体健康造成危害，这类危害一般称为“蓝光危害（BLH）”，泛指实际的眼损伤风险及对一般健康状态的影响。“蓝光危害”仅在考虑到眼视网膜组织的光化学风险（技术上称为“光斑病变”）时使用，通常与凝视阳光或焊接电弧等明亮光源有关。因为光化学损伤的风险取决于波长，在光谱位于435 nm到440 nm的蓝光波段达到峰值。国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）发布了“蓝光危害函数”并规定了波长相关加权函数和指导性曝光极限。LED主要是白光灯具，通常会包含与蓝光危害相关的光。看起来“偏冷光”的灯或高色温的灯，相对于“偏暖光”或低色温的灯而言，可能包含更多蓝光成分。常规照明中白炽灯和LED灯中，相同色温的灯具其蓝光危害曝光极限是相同的。白色光源发出接近蓝光危害曝光极限剂量的蓝光时，发出的光会很亮，这样就产生了令人不适的眩光。凝视这样的光源会被认为是不正常的行为。另外，高色温的照明对于大多数人而言都是令人不愉快和不舒服的，尤其是作为家用照明。对于行为正常的人来说，每天都会有大量时间暂时曝光在高剂量的光中。然而，在一天当中这些曝光量的积累并不会曝光超过曝光极限。已有大量研究和媒体报道声称，白光光源对人眼健康存在不利影响。这些研究大多数是基于非常规状态，包括：长时间曝光、高色温LED灯（蓝光成分非常多）、显著超出ICNIRP曝光极限的曝光、凝视光源、使用夜行动物模型或人体离体细胞。
如图3 可以看到的是太阳光的光谱。它有紫外线、可见光和红外线组成，人的肉眼可以看到的部分属于可见光光谱，显色指数80的LED光谱，其中的蓝光相对来说分布是比较多的，因此也对人眼的危害是比较大的。现在人们也在用LED模拟太阳光光谱的可见光段，也就是全光谱。
图3 太阳光光谱
全光谱分两种，紫光激发的全光谱和蓝光激发的全光谱。它有以下特点：首先，显色指数比较高。一般由紫光激发的全光谱，它的显色性会比蓝光激发的全光谱相对会更高。另外，全光谱色域饱和度是比较好的，但是由紫光激发的全光谱，它的光效相对是比较低的。由蓝光激发的全光谱，它的光效比较高，相对人员的安全性来说，全光谱的安全性要远远高于普通显色指数90以上的LED光源的安全性，蓝光危害更小。从成本上来说，蓝光激发的全光谱和普通显色指数90以上的LED光源的全光谱是比较接近的。然后，对于全光谱来说，它的宽光谱相对连续性比较好，颜色还原更加的逼真。
图4 太阳光谱（红色）、全光谱COB（绿色）、普通LED（蓝色）
例如，将太阳光谱、全光谱COB、普通LED4000K的全光谱的指标的对比，LED全光谱已经很接近太阳光谱。因此全光谱是一种健康照明的产物，会更加的健康、舒适，相对来说颜色更逼真，饱和度更高，光谱更连续，发光面更小，便于小角度的光学设计。
三、特殊色点光源
颜色是商品在商业超市环境中最重要的视觉参数，超市内有红色的鲜肉，金黄的面包，翠绿的蔬菜，色泽鲜丽的水果，特色南北货、百货等，针对每一个区域的特点，灯光的显色性和色温的选择也要有所不同，力求能最大程度地凸显商品色泽特征，重点区域可以夸张表现。这样更有助展现产品的卖相和特点，获得消费者的信赖。那么对商品色彩的最好的表现手段就是灯具的使用，不同显色指数、色温、光色的灯具，对于商品色泽的展现也会呈现不同的效果。
随着灯具设计越来越细分，以及消费升级，消费者对于不同场景、不同被照物都也提出了不同的要求。因此，市面上也出现了针对实木家具专用光色、时尚女士服装及布艺光色、鲜肉类专用光色、面包类专用光色、水果类专用光色、水产类专用光色等等30种以上甚至更多的不同特殊色点的光源。如图5，可以看到不同的材质在不同的显色指数、色温、色点的光源照射下，所呈现的材质是不一样的。
图5 不同材质不同色温和色点光源
如图6，我们可以看到在常规环境灯光和专色灯光的照射下五花肉呈现出不同的颜色的效果。左图在常规灯光照射下的五花肉看起来是非常的不新鲜。然而右边的专门照生肉的灯光下，五花肉显得非常的新鲜，也激发了消费者想购买的欲望。
图6 常规环境灯光与专色灯光对比
针对鲜肉的特殊光谱配方，没有非常高的显色指数，如图7 我们看到的是针对鲜肉的特殊色点的光源的光谱曲线，在曲线中增强红色和白色域饱和度，凸显肉色鲜、红，皮花皙白，瘦肉嫩红。色感逼真，未受光环境影响。
图7 鲜肉的光谱曲线
如图8 可以看到的是红木专色的光效果和常规COB光效果的对比。红木专色的家具更能体现实木材质本身的质感。红木的种类比较多，颜色和纹理也各有不同，紫檀木类为红紫色，花梨木类为红褐色，香枝木类为红褐色，红酸枝类为红褐色。因此，在红木颜色的表现中我们着重还原红木的红褐色的本色。如图9我们看到的是针对红木的特殊色点的光源的光谱曲线，在曲线中增强黄色和红色域饱和度。
图8 红木专色与常规COB光效果对比
图9 红木专色的光谱曲线
如图10 是针对面包和蛋糕作为烘培类的食品也是我们生活中不能或缺的食物。很多时候作为烘培店的老板不仅仅是在意装修，灯光的氛围也非常重要。因此，烘培店的灯光的要求和普通灯光或者太阳光底下看起来肯定是有一定的差别。灯光要让人们看到蛋糕或者面包的那一刻就有充满食欲的感觉，并且也要看起来非常的新鲜。如图11 为烘培类产品的光源参数，通过光源的特殊色点设计，减少蓝光，增加黄光、红光，达到更加的效果。
图10 烘培店灯光下的面包和蛋糕
图11 烘培类食物光源参数
光源设计的厂家通过混光混色软件系统设计出不同色点的光源。通过混光混色软件系统，模拟光谱配方，能够实现批量生产过程中独特的光谱定制输出。通过科学配方，针对不同被照物进行特殊色点、特殊饱和度、特殊光谱、特殊光效果的设计，满足被照场景或被照物特殊、针对性饱和度、逼真度需求。
图12 混光混色软件系统
图13 照明混光混色软件系统（2）
四、高密度双色温光源
COB光源是将LED芯片直接贴在高反光率的镜面金属基板上的高光效集成面光源技术。目前已经在市场上得到了广泛的应用。但是近几年来，封装厂家关注的焦点不仅仅在亮度方面，另外关注的是COB的光品质、更亮丽的色彩、功率密度等方面。高功率密度为最近各厂家主打取代筒灯、射灯的产品。由于高功率密度产品便于设计小角度射灯或变焦灯，各中大厂商纷纷推出相应产品去取代轨道射灯、甚至于陶瓷金卤灯。高密度光源是在原有的COB光源的基础上实现更小的发光面积，更大的功率。因此需要防止高温对光源质量产生影响，防止光电效率不高的问题。
图14 朗明纳斯高密COB（左图直径3.5mm、右图直径4.5mm）
目前，COB光源多数只能显示一种色温，无法在同一个COB里面进行两种色温的转换，无法满足某些场景应用的需求，而且单色温的COB光源也给COB光源灯具的应用带来了一定的局限性。而市面上的一些可调色温的COB光源，主要是对半填充、环形填充、条状填充控制高低色温的荧光胶。但是这几种双色温光源形式填充面积大，发光面大，并不能均匀出光，有光晕，调节时光形会产生变化，光色品质差，且内部须用围坝的形式将高低色温区域分隔，工艺复杂，封装工艺多为正装COB，死灯率高。倒装的高密度双色温COB光源及制造方法，用倒装COB封装形式，实现高低色温在光学混色上均匀交叉式分布，混光均匀，光色品质好，同时高低色温无须用围坝的形式分隔，芯片可高密度集成，产品成本低，可靠性好，制造工艺简单。但是有如下缺点：
1、光效比普通COB低。
2、做变焦的光斑效果不好。
高密度双色温COB光源，由于发光面积大大减小，功率提升，对于灯具设计小型化有很大的帮助。如图为明装LED聚光灯，可以变焦变色温，体积更加小巧。
图15 倒装双色温COB光源
图16 明装式LED聚光灯
五、倒装LED光源
LED倒装COB，就是通过锡膏或共晶制程把一定数量的LED倒装芯片集成焊接在具有一定发光面、一定反射率和导热率的基板上，然后封装成光集成的光源。与正装COB最大的区别是封装工艺。倒装COB工艺采用倒装芯片无金线封装，正装COB工艺采用正装芯片有金线封装。
LED倒装芯片（Led Flip Chip)。倒装芯片之所以被称为“倒装”是相对于传统的金属线键合连接方式（WireBonding）与植球后的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的晶片电气面朝上，而倒装晶片的电气面朝下，相当于将前者翻转过来，故称其为“倒装芯片”。
图17 正装COB光源和倒装COB光源原理图
图18 正装COB光源和倒装COB光源实物图
采用倒装芯片，电压低、热阻低、散热性能好。无金线封装，焊接稳固，长期可靠性高，客户安装方便快捷，不会出现按压死灯问题。倒装芯片结温承受能力高(可达150℃，正装芯片只有125℃左右），耐大电流能力强，长期使用光衰小，寿命长。
图19 倒装芯片和正装芯片电流-光通量曲线图
图20 倒装芯片和正装芯片电流-电压曲线图
随着电流的增大，在600MA以前，正装COB光通量和倒装COB光通量都是持续增长的，但是在电流达到600MA以后，正装COB光通量率先出现饱和点或拐点，说明正装COB的耐电流能力比倒装差，倒装产品可以承受更大的电流。另外随着电流的增大，正装COB光效下降比倒装更快，同样说明正装COB的耐电流能力比倒装差。
根据分析我们可以得出以下结论：
（1）相似规格尺寸芯片，相似发光面、单颗电流150Ma条件下测试，正装COB光通比倒装有一定优势，但光效方面优势已经很小，两者已经比较接近。
（2）倒装COB电压较低，瞬间耐电流特性比正装强很多，不容易出现过瞬间脉冲电流冲死的现象。
（3）倒装COB可靠性、温升和长期耐电流特性等方面都比正装有优势。
因此，未来光源的发展趋势，在流通型产品上，倒装COB的性价比会越来越来高，市场占有率会快速超过正装COB光源。正装COB光源虽然发展比较成熟，光电参数提升的空间有限，同时利润空间有限。另外，倒装芯片发展比正装芯片晚，光通光效还有很大提升空间，根据芯片厂家的推断倒装芯片亮度每年会有4-5%的提升，同时成本下降的空间比较大。倒装Al基板发光区的反射率只有90%左右，跟正装镜面铝（98%）还有些差异，通过优化焊盘和白油层 ，反射率还有一定的提升空间。