LED行业现状及安全问题

T107283

2018/07/01
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文/陆荣树华测检测电子电器事业部

1 简述
LED光电产业是一个新兴的朝阳产业，具有节能、环保的特点，尤其是2009年12月哥本哈根全球气候会议的低碳减排效应，将使LED光电产业更加符合我们国家的能源、减碳战略，而获得更多的产业支持和市场需求，成为一道亮丽的产业发展风景。
LED产业链总体分为上、中、下游，分别是LED外延芯片、LED封装及LED应用。作为LED产业链中承上启下的LED封装产业，在整个产业链中起着无可比拟的重要作用。基于LED器件的各类应用产品大量使用LED器件，如大型LED显示屏、液晶显示器的LED背光源、LED照明光源和灯具、LED交通灯和LED汽车灯等，LED器件在应用产品总成本上占了40%至70%,且LED应用产品的各项性能往往70%以上由LED器件的性能决定。
中国是LED封装大国，据估计全世界80%数量的LED器件封装集中在中国，分布在各类美资、台资、港资、内资封装企业。
在过去的五年里，外资LED封装企业不断内迁大陆，内资封装企业不断成长发展，技术不断成熟和创新。在中低端LED器件封装领域，中国LED封装企业的市场占有率较高，在高端LED器件封装领域，部分中国企业有较大突破。随着工艺技术的不断成熟和品牌信誉的积累，中国LED封装企业必将在中国这个LED应用大国里扮演重要和主导的角色。
2 我国LED封装业的现状与未来
下面从八个方面来论述我国LED封装业的现状与未来：
2.1 LED封装产品
LED封装产品大致分为直插式（LAMP）、贴片式（SMD）、大功率（HI-POWER）三大类，三大类产品中有不同尺寸、不同形状、不同颜色等各类产品。
我国的LED封装产品经过十多年的发展，已形成门类齐全的各类封装型号，与国外的封装产品型号基本同步，在国内基本能找到各类进口产品的替代产品。在今后的几年里，我国的LED封装产品种类将更加齐全，与国外产品保持同步。
2.2 LED封装产能
中国已逐渐成为世界LED封装器件的制造中心，其中包括台资、港资、美资等企业在中国的制造基地。据估算，中国的封装产能（含外资在大陆的工厂）占全世界封装产能的60%,并且随着LED产业的聚集度在中国的增加，此比例还在上升。大陆LED封装企业的封装产能扩充较快，随着更多资本进入大陆封装产业，LED封装产能将会快速扩张。
2.3 LED封装生产及测试设备
LED封装主要生产设备有自动固晶机、自动焊线机、自动封胶机、自动分光分色机、自动点胶机、自动贴带机等；LED主要测试设备有光电综合测试仪、T_G点测试仪、积分光通测试仪、荧光粉测试仪、冷热冲击箱、高温高湿箱等。五年前，LED主要封装设备是欧洲、台湾厂商的天下，国产设备多为半自动设备，现在，除自动焊线机外，国产全自动设备已能批量供应，不过精度和速度有待进一步提高。LED的主要测试设备已基本实现国产化。就硬件水平来说，中国规模以上的LED封装企业是世界上最先进的。当然，一些更高层次的测试分析设备还有待进一步配备。中国在封装设备硬件上，由于购买了最新型和最先进的封装设备，拥有后发优势，具备先进封装技术和工艺发展的基础。
2.4 LED芯片
LED封装器件的性能在50%程度上取决于芯片，50%取决于封装工艺和辅助材料，目前中国大陆的LED芯片企业约有十家左右，起步较晚，规模不够大，最大的LED芯片企业年产值约3个亿人民币，每家平均产能在1至2个亿。国内中小尺寸芯片（指15mm以下）已能基本满足国内封装企业的需求，大尺寸（指功率型瓦级芯片）还需进口，主要来自美国、台湾企业。国产品牌的中小尺寸芯片性能与国外品牌差距较小，具有良好的性价比，能满足绝大部分LED应用企业的需求。国产大尺寸瓦级芯片还需努力，以满足未来照明市场的巨大需求。
随着资本市场对上游芯片企业的介入，预计未来三年我国LED芯片企业将有较大的发展，将有力地促进LED封装产业总体水平的提高。
2.5 LED封装辅助材料
LED封装辅助材料主要有支架、胶水、模条、金线、透镜等。目前中国大陆的封装辅助材料供应链已较完善，大部分材料已能在大陆生产供应。高性能的环氧树脂和硅胶以进口居多，这两类材料主要要求耐高温、耐紫外线、优异折射率及良好的膨胀系数等。随着全球一体化的进程，中国LED封装企业已能应用到世界上最新和最好的封装辅助材料。
2.6 LED封装设计
直插式LED的设计已相对成熟，目前主要在衰减寿命、光学匹配、失效率等方面可进一步上台阶。贴片式LED的设计尤其是顶部发光TOP型SMD处在不断发展之中，封装支架尺寸、封装结构设计、材料选择、光学设计、散热设计等不断创新，具有广阔的技术潜力。
功率型LED的设计则是一片新天地。由于功率型大尺寸芯片制造还处于发展之中，使得功率型LED的结构、光学、材料、参数设计也处于发展之中，不断有新型的设计出现。
中国的LED封装设计是建立在国外及台湾已有设计基础上的改进和创新。设计需依赖良好的电脑设计工具、良好的测试设备及良好的可靠性试验设备，更需依据先进的设计思路和产品领悟力。目前中国的LED封装设计水平还与国外行业巨头有一定差距，这也与中国LED行业缺乏规模龙头企业有关，缺乏有组织、有计划的规模性的研发设计投入。
2.7 LED封装工艺
LED封装工艺包括固晶参数工艺、焊线参数工艺、封胶参数工艺、烘烤参数工艺、分光分色工艺等。随着中国LED封装企业这几年的快速发展，LED封装工艺已经上升到一个较好的水平，尤其是一些高端需求如大型LED显示屏、广色域液晶背光源等，中国的LED优秀封装企业已能满足其需求，先进封装工艺生产出来的LED已接近国际同类产品水平。不过，大功率LED器件的封装工艺要求更高，我国大功率封装工艺水平还有待进一步完善
2.8 LED封装器件的性能
LED器件性能指标主要包括亮度/光通量、光衰、失效率、光效、一致性、光学分布等。
① 亮度或光通量；由于小芯片（15mil以下）已可在国内芯片企业大规模量产（尽管有部分外延片来自进口），小芯片亮度已与国外最高亮度产品接近，其亮度要求已能满足95%的LED应用需求，而封装器件的亮度90%程度上取决于芯片亮度。中大尺寸芯片（24mil以上）目前绝大部分依赖进口，每瓦流明值取决于所采购芯片的流明值，封装环节对流明值的影响只有10%.
② 光衰；一般研究认为，光衰与芯片关联度不大，与封装材料与工艺关联度最大。影响光衰的封装材料主要有固晶底胶、荧光胶、外封胶等，影响光衰的封装工艺主要有各工序的烘烤温度和时间及材料匹配等。目前，中国LED封装工艺经过多年的发展和积累，已有较好的基础，在光衰的控制上已与国外一些产品匹敌。
③ 失效率；失效率与芯片质量、封装辅助材料、生产工艺、设计水平和管理水平相关。LED失效主要表现为死灯、光衰过大、波长或色温漂移过大等。根据LED器件的不同用途要求，其失效率也有不同的要求。例如指示灯用途LED可以为1000PPM（3000小时）；照明用途LED为500PPM（3000小时）；彩色显示屏用途LED为50PPM（3000小时）。中国封装企业的LED失效率整体水平有待提高。可喜的是，少量中国优秀封装企业的失效率已达到世界水平。
④ 光效；LED光效90%取决于芯片的发光效率。中国LED封装企业对封装环节的光效提高技术也有大量研究。如果中国在大尺寸瓦级芯片的研发生产上取得突破及量产，将会极大促进功率型封装器件光效的提高。
⑤ 一致性；LED的一致性包括波长一致性、亮度一致性、色温一致性、衰减一致性等前三项一致性是可以通过投料工艺控制和分光分色机筛选达到的。前三项水平来说，中国LED封装技术与国外一角度一致性往往难以分选出来，需通过优化设计、物料机械精度控制、生产制程严格控制来达到。例如，LED全彩显示屏用途的红、绿、蓝三种椭圆形LED的角度一致性控制非常重要，决定性地影响LED全彩显示屏的色彩品质，成为LED器件的一项高端技术。衰减一致性也与物料控制和工艺控制有关，包括不同颜色LED的衰减一致性和同一颜色LED的衰减一致性。一致性的研究是LED封装技术的一个重要课题。中国部分LED封装企业在LED一致性方面的技术已与国际接轨。
⑥ 光学分布；LED是一个发光器件，对于很多LED应用用途来说，LED的光形分布是一个重要指标，决定了应用产品二次光学的设计基础，也直接影响了LED应用产品的视觉效果。例如，LED户外显示屏使用的LED椭圆形透镜设计能够使显示屏在角度变化时亮度变化平稳并有较大视角，符合人的视觉习惯。又如，LED路灯的光学要求，使得LED的一次光学设计和路灯的二次光学设计必须匹配，达到最佳路面光斑和最佳发光效率。通过计算机光学模拟软件来进行设计开发是常用的手段。中国LED封装企业在积极迎头赶上，与国外技术的差距在缩小。
3 关注LED光源的光辐射危害
和其它光源一样,LED的光辐射也有对人体造成的危害。光辐射是辐射的重要组成部分,它的紫外线辐射和蓝光辐射对人体的危害尤其显著。特别是氮化镓蓝光LED以及涂粉荧光粉的白光LED,蓝光辐射对人眼视网膜潜在的损伤已成为LED产品进入市场致命缺陷。主要是一些光亮度能够导致人眼眩光的LED光源。伤害主要发生在人眼和皮肤,如皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等,而两者之中更容易受到伤害的是眼睛。此外,LED也能引起眩光危害。眩光就是在视野中由于亮度的分布或范围不适宜,或在空间或时间上存在着极端的亮度对比,以至引起不舒适和降低物体可见度的视觉条件,眩光是评价照明质量的最重要因素之一。主要是一些光亮度能够导致人眼眩光的LED光源。我们称这种危害为眩光残留危害,具体是指耀眼的光亮使得人眼花缭乱或产生不利的视觉残留现象的危害,这是介于眩光危害和直接光化学危害的中间阶段危害。
　　曾经在夜间行驶的司机可能已经注意到LED的交通红绿灯的亮度看上去很不舒服,特别是夜间光线暗淡的地方,人眼的瞳孔是放大状态,这时,前方突然出现一辆打着远光窄光束LED灯的车辆,会由于眼球的瞳孔来不及缩小,大量强烈光线迅速进入眼睛,光亮感觉使人眼无法适应,引起厌恶、不舒服,甚至丧失明视度,这就是人们所理解的其中一种眩光表现。事实上LED手电筒也导致讨厌的眩光和视觉残留。
4 国内外LED光生物安全标准的研究现状
辐射危害已被世界卫生组织列为继“空气、水、噪声”外的人类所面临的第四大环境安全问题。光辐射是辐射的重要组成部分，它的紫外线辐射和蓝光辐射对人体的危害尤其显著。近几年来，随着LED技术的发展，LED芯片的辐射亮度大幅度提高，光束越来越窄，再加上LED紫外和蓝光波段芯片的广泛应用，使得LED光辐射危害成为一个不容忽视的问题。LED光辐射危害主要体现在眼睛的近紫外辐射损伤、视网膜蓝光的光化学损伤和辐射的热损伤等方面。
鉴于以上原因，国际标准化组织很早就开始考虑对LED光辐射的安全要求进行规范。最早，LED产品的光辐射安全要求被纳入到IEC 60825-1标准中，按照激光产品的要求进行评价，但是LED毕竟和激光不一样，所以最后又被纳入非激光类产品标准IEC 62471中进行考核（见表1）。目前，在许多地区，例如欧洲和日本，还可以参照IEC 60825-1来进行LED光辐射安全要求的考核，现在已全部采用IEC 62471替代IEC 60825-1。

表1： LED辐射安全标准发展历程

	1993年	IEC 60825-1:1993将LED列入该标准范围
1	1997年	IEC 60825-1:1993+A1:1997对LED做了明确的要求
2	2001年	IEC 60825-1:1993+A1:1997+A2:2001补充版本
3	2002年	国际照明委员会制定了非激光的光安全标准CIE S 009/E:2002，标准中包括LED产品
4	2006年	非激光的光辐射安全IEC 62471:2006的发布
5	2007年	激光产品的IEC 60825-1第二版发布，明确排除LED产品
6	2008年	IEC/TC 76会议上，决定将所有LED产品的光辐射安全纳入IEC 62471标准

IEC 62471为灯以及包括灯具在内的灯系统的光生物安全性提出了评估指南，其中的光源就包含了LED，但不包括激光。2009年，IEC正在着手对该标准进行修订，计划在近两年发布IEC 62471-1，将所有的电器产品纳入IEC 62471-1的范围。此外，IEC还于8月6日发布了IEC 62471-2:2009《灯及灯系统的光生物安全性-第2部分：非激光光学辐射安全性的制造要求指南》，明确了灯及灯系统制造商应采用IEC 62471的指南。
IEC 62471主要对曝辐限值、灯和灯系统的测量条件以及灯的分类进行规定。在曝辐限值方面，该标准分别对皮肤和眼睛的光化学紫外危害曝辐限值、眼睛的近紫外危害曝辐限值、视网膜蓝光危害曝辐限值、视网膜蓝光危害曝辐限值（小光源）、视网膜热危害曝辐限值、视网膜热危害曝辐限值（对微弱视觉刺激）、眼睛的红外辐射危害曝辐限值及皮肤热危害曝辐限值进行了详尽的规定。
IEC 62471还根据光辐射危害的程度将连续辐射灯分为无危险类、1类危险（低危险）、2类危险（中度危险）及3类危险（高危险）四大类。其中，无危险类灯必须同时符合以下条件：
在8 h（30000 s）曝辐中不造成光化学紫外危害（Es）；
在1000 s（约16 min）内部造成近紫外危害（EUVA）；
在10000 s（约2.8 h）内不造成对视网膜蓝光危害（LB）；
在10 s内不造成对视网膜热危害（LR）；
在1000 s内不造成对眼睛的红外辐射危害（EIR）。
此外，发射红外辐射但没有强视觉刺激（即小于10 cd/m2），并且1000 s内不造成近红外视网膜危害的灯也属于无危险类。
1类危险灯需同时符合下列要求：
在10000 s不造成光化学紫外危害；
在300 s内不造成近紫外危害；
在100 s内不造成视网膜蓝光危害；
在10 s内不造成对视网膜热危害；
在100 s内不造成对眼睛的红外辐射危害。
此外，发射红外辐射但没有强视觉刺激，并且100 s内不造成近红外视网膜危害的灯也属于1类危险。
2类危险灯需同时符合下列要求：
在1000 s内不产生光化学紫外危害；
在100 s内不造成近紫外危害；
在0.25 s内不造成视网膜蓝光危害；
在0.25 s内不造成对视网膜热危害；
在10 s内不造成对眼睛的红外辐射危害。
此外，发射红外辐射但没有强视觉刺激，并且10 s内不造成近红外视网膜危害的灯也属于2类危险。3类危险灯的分类基础是灯在更短瞬间造成危害，它的限制量超过了2类危险。除了连续辐射灯，该标准还对脉冲灯的分类等级进行了规定。
在我国，针对照明用LED产品，这一方面的产品标准是新兴的也是需要不断充实完善的部分。我国已经制订了GB 24906-2010《普通照明用50V以上自镇流LED灯安全要求》和GB/T 24908-2010《普通照明用自镇流LED灯性能要求》，这一产品因为其产品具有独立使用且与其它配套产品相关性较小的特点，所以其标准相对属于比较完善的。再配上适用的EMC方面的考核标准，已基本成为一个完善的考核体系。
对于照明LED及其LED模块，还制订了6个标准，GB/T 24826-2009《普通照明用LED和LED模块术语和定义》、GB/T 24909-2010《装饰照明用LED灯》、 GB/T 24824-2009《普通照明用LED模块测试方法（CIE 127 NEQ ）》、GB 24819-2009《普通照明用LED模块安全要求》、GB T 24823-2017《普通照明用LED模块性能要求》和行业标准QB/T 4057-2010《普通照明用发光二极管性能要求》。这6个标准已在很大程度上完善了对该类成品的考核要求。应该说，我国关于照明用LED及其最终产品的标准体系已基本形成。
我国考虑对LED光辐射的安全要求进行规范的有关标准：GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》，等同采用CIE S 009/E：2002，但是如此重要的LED安全要求我国标准制定的定位却是推荐性，很大程度上造成企业不够重视的原因。
5 开展LED光生物安全项目检测的情况
目前国内部分实验室就已具备了GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》标准项目的检测能力，行业重视程度很不够，少有业务开展检测。世界各国早已将此要求列为照明产品的强制安全要求，作为进口照明产品的必须满足条件。国内的反射型自镇流LED灯、普通照明用非定向自镇流LED灯和LED筒灯的节能认证也已增加了光生物安全要求的检测。