摘要:文章介绍了半导体照明产业涵盖的范畴,通过分析国内外半导体照明产业的发展现状及技术水平,提出半导体照明产业发展的特点和趋势,指出国内半导体照明产业存在的问题,对中国半导体照明产业的发展方向进行了初步研究和说明。
关键词:发光二极管;半导体照明;技术水平;发展方向
中图分类号:TN312+.8 文献标识码:B
Development and Perspective of Semiconductor Lighting Industry
HU Ai-hua
(Xiamen Hualian Electronics Co., Ltd., Xiamen Fujian 361006, China)
Abstract: Under the specification of scope of semiconductor lighting industry, this paper analyses the current status and technical level of semiconductor lighting industry at home and abroad, with the summary of the characters and trend of this industry. Followed by the indication of existing problems in this industry at home, the author has made certain research and explication on its further development.
Keywords: LED(light emitting diode); semiconductor lighting; technology level; development trend
引言
随着半导体照明光源在城市景观、商业大屏幕、交通信号灯、手机及PDA背光源等特殊照明领域的应用,以其饱满光色、节能、抗震、耐潮、长寿命等优势,半导体光源已成为全球最热门、最受瞩目的光源,特别是LED的发光效率正在大幅提高,半导体照明被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源和最具发展前景的高技术领域之一。中国拥有巨大的照明工业和照明市场,随着国家对LED发展的高度重视和我国LED产业的快速发展,半导体照明应用在我国城市夜景照明领域已开始普及,几乎全国所有大城市的夜景照明都广泛使用LED,特别是我国有关部门已明确提出将以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机,推动半导体在城市景观照明的应用。据统计,2008年北京奥运会使用LED产品总值接近人民币五亿元,包括景观照明、交通信息显示、室内外全彩显示屏、应急照明灯、开闭幕式表演等,LED非凡的艺术表现效果为本届奥运会开幕式的成功奠定了基础,使半导体照明首次大规模应用于奥运会这样的国际盛会。
新兴半导体照明产业发展迅速,绿色节能的照明光源革命已成为不争的事实,半导体照明应用范围不断扩大,也将进一步推动我国的城市照明领域更广泛地使用半导体LED照明。因此,国内许多省市将发展半导体照明产业作为当地的重点发展产业,目前国内7个半导体照明产业基地的发展,充分证明了中国半导体照明产业面临新的机遇和挑战。制定发展战略,抢抓重大机遇,迎接严峻挑战,快速推进我国半导体照明产业跨越式发展是十分紧迫的任务。
1半导体照明产业范畴
半导体照明产业指的是以半导体发光二极管为光源的照明产品生产制造业,主要包含通用照明、景观装饰照明、大屏幕显示、背光显示、交通信号显示、汽车灯、道路照明等照明产品。随着半导体照明技术的发展,其应用越来越广泛,产业具有巨大的应用市场和发展空间,将产生不可估量的社会和经济效益。
信号指示:电子仪器、设备、家用电器的光信号显示和指示。
大屏幕显示:主要用于金融、证券、交通、机场、邮电等领域的信息、广告、图示、记分牌等显示屏。近年全彩色LED户外显示屏已代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等成为主流,尤其是在全球各大型体育场馆几乎已成为标准配备,尺寸从几十英寸至几千英寸。
背光显示:LED作为背光源已普遍应用于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪表盘等,3.5in以下的背光源主要用于手机、相机、MP3、MP4等便携设备,5～7in背光源主要用于数码相框、电子纸、车载显示器,大尺寸LCD屏的背光主要是用于笔记本电脑和电视机等。
光色照明:主要有室外景观照明和室内装饰照明,包括建筑装饰、室内装饰、景点装饰等,主要用于建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明,以及集装饰与广告为一体的商业照明,如护栏灯、投射灯、LED灯带、数码灯管、地埋灯、草坪灯、水底灯及壁灯、吊灯、射灯、平面发光板、格栅灯、变幻灯等。
交通信号显示:主要用于城市交通、高速公路、铁路、机场、航海和江河航运用的信号灯。
汽车灯:主要用于车内的仪表盘、空调、音响等指示灯及车厢内部阅读灯,车外的转向灯、刹车灯、尾灯、侧灯等。
道路照明:已广泛用于路灯、庭院灯、隧道灯等。
功能性照明:主要有便携式照明(手电筒、头灯)、低照度照明(廊灯、门牌灯、应急灯、安全指示灯)、阅读照明(飞机、火车的阅读灯)、显微镜灯、照相机闪光灯、台灯、矿灯、医用手术灯等。
通用照明:半导体照明的顶级目标是进入通用照明领域,代替白炽灯、日光灯,甚至替代节能灯,这需要超高亮度LED超长寿命、极低功耗的显著优势,同时成本考量也是一个关键。
2国内外半导体照明产业发展现状
2.1国外半导体照明产业发展概况
从全球来看,半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。随着市场的快速发展,美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产,加快抢占市场份额。根据目前全球LED产业发展情况,预测LED照明将使全球照明用电减少一半,2007年起,澳大利亚、加拿大、美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯,发展LED照明成为全球产业的焦点。
2.1.1国外半导体照明产业概况
(1)主要LED企业
国外(境外)掌握核心技术及产业规模较大的主要企业,如表1所示。
这些企业掌握该行业的核心技术,其外延、芯片的产量占全世界的70%以上,其高性能芯片产量占全世界的90%以上。
(2)LED封装产值
全球LED封装器件2008年的产值约100亿美元,近几年的增长率在10～20%。目前,该产业规模只是很小份额,其所构成的应用产品一般增值3～5倍,与其它产业相比还是很少的,但该产业具有很大的发展潜力。
(3)主要技术水平
Nichia是世界上最早的半导体白光生产厂商,技术水平始终处于国际领先地位。在蓝光芯片的技术路线上,Nichia采用图形化蓝宝石衬底结合ITO透明导电层芯片工艺,产品性能表现优越。2009年1月底,宣布LED在20mA电流驱动下,光效达249 lm/W,功率LED封装白光在350mA电流驱动下,光效达145 lm/W。
Cree和Osram是目前世界上主要采用SiC衬底材料制造GaN基蓝、绿光LED用外延片和芯片的专业公司,两家的技术路径、产品规格和特点基本相同。据2008年的报道显示,Cree公司已经公布其白光LED的实验室水平已经达到161 lm/W的光通量,此光通量为业界研发成果汇报中的最高水平,其102 lm/W的产品也将很快批量生产;Osram宣布了最新的研发成果,大功率LED在350mA电流驱动下,光输出达到了155 lm,效率高达136 lm/W,色温是5,000k。这个记录远远超过目前市场上处于领先地位的Cree Q5 LED,Q5的光效是107 lm@350mA。
LumiLEDs公司的氮化镓LED芯片采用蓝宝石作为外延衬底材料,其最新的薄膜倒装芯片(thin-film flip-chip,TFFC)技术,结合利用了垂直薄膜结构和倒装芯片结构的优点,集成芯片和封装工艺,最大限度降低热阻,提高取光效率。2007年,LumiLEDs研发水平已经突破115 lm/W。2008年的报道:在驱动电流为350mA的情况下,发光效率为140 lm/W,比2007年1月份(115 lm/W)提高了22%。
SemiLEDs(旭明)是继Osram和Cree之后采用激光剥离蓝宝石衬底技术商品化生产薄膜GaN垂直结构LED的厂商。他们推出金属基板垂直电流激发式发光二极管(metal vertical photon light emitting diodes,MvpLED),其芯片封装成白光成品的发光效率目前可以达到100 lm/W。
2.1.2国外半导体照明产业发展特点及趋势
(1)制定发展规划
世界主要发达国家高度重视半导体照明产业的发展,本世纪初,几个主要发达国家和中国台湾均制定了国家级的半导体照明发展规划,如日本的“二十一世纪照明研究发展规划”,美国的“国家半导体照明研究计划”,欧共体的“彩虹计划”,韩国的“GaN半导体研究计划”,中国台湾的“次世纪照明光源开发计划”,英国、德国也相继制定了具体发展计划,主要内容是投入巨额资金联合国内主要力量开展半导体照明的研发,制定各阶段发展的技术指标,并推动产业化。美国近期制定了LED新指南,2015年内量子效率达90%,荧光粉激发效率达90%,并对热沉、光谱系统、可靠性进行研究;2025年LED光源达到仿太阳光谱,总发光效率达50%。
(2)垄断核心技术
国外有关LED及半导体照明的专利有一万多项,但其核心技术被日本日亚公司(Nichia)、美国Cree公司和LumiLEDs公司、德国Osram公司四家企业,以及表1中所提到的其他公司所掌握,这些公司几乎垄断了该产业的核心技术。
(3)技术发展迅速
近五年,LED的主要技术指标——发光效率平均每年以30%的速度发展,从2004年的20～30 lm/W发展到目前的100～120 lm/W。从技术层面,研究采用新衬底材料生长GaN外延、非极性或半极性外延,有新结构的芯片、衬底转移、光子晶体等新技术应用。
(4)重视标准制定
有关半导体照明标准除了国际电工委员会IEC和国际照明委员会CIE制定外,许多国家标准化组织和产业联盟也在积极制定之中,如美国国家标准组织、日本照明组织系统、韩国、中国台湾以及北美固态照明系统及科技联盟(ASSISI)等,这极大推动了半导体照明产业的发展。
(5)开拓应用产品
国际上LED产业目前主要应用产品是背光源、汽车用灯及各类信息显示,这三类LED应用占70%以上,照明应用只占5%左右。近期,在功能性照明如景观照明及道路照明有一定发展。
(6)照明集团投入
据全球照明市场研究数据,世界照明市场2008年为1,077亿美元,其中LED照明光源占2%,为18亿美元;2010年为1,204亿美元,其中LED照明光源占16%,为100亿美元。现阶段,世界三大照明集团均投入巨资发展半导体照明技术和产业,并分别具有世界一流的LED企业,即Philips照明公司、LumiLEDs Lighting公司,Osram公司旗下的Osram光电公司、GE公司旗下的Geleore光电公司,这将加速推进LED产业进入普通照明领域的进程。
(7)新三角产业基地
由于中国大陆、中国台湾和韩国在半导体照明产业上近几年发展非常迅速,目前这些地区虽然在技术上还达不到美国、日本和德国的水平,但在产业化方面已达到相当高的水平。据有关统计,这三个国家和地区的GaN基蓝、绿光芯片产量达到世界总量的50～60%,四元系InGaAlP红、橙、黄光芯片产量已超过世界总量的80%以上,在器件封装和LED应用产品方面的总量更大。在全球LED产业中,该地区的影响很大。
2.2国内半导体照明产业发展概况
中国LED产业起步于20世纪70年代,经过30多年的发展,中国LED产业已初步形成了包括LED外延片生产、LED芯片制备、LED器件封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下,形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地,长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。目前,中国半导体照明产业发展看好,外延芯片企业的发展尤其迅速,封装企业规模继续保持较快增长,照明应用取得较大进展。中国在LED应用产品方面已成为世界最大的生产和出口国,新兴的半导体照明产业正在形成。
2.2.1我国LED产业发展简况
(1)LED产业链基本情况
根据有关统计,2008年我国从事LED产业的企事业单位已有3,000多家,其中从事外延芯片的单位约40多家,后工序封装企业有600家,其它均为LED应用和产业配套的企业。2008年生产LED器件520亿只,增长13%,高亮度芯片360亿只,增长71.4%,其中GaN蓝、绿芯片120亿只,增长85%,整个LED产值(含芯片、器件及应用产品)约700多亿元。在原材料、外延生长、芯片制造、器件封装、应用产品及配套、设备仪器等方面,已形成较完善的产业链。
(2)外延生长、芯片制造
国内从事LED外延芯片的研究开发单位主要有北京大学、清华大学、南昌大学、中科院半导体所、物理所、中电13所、55所、北京工业大学、山东大学、南京大学、华南师范大学、厦门大学、深圳大学、中南理工大学、西安电子科技大学以及新成立的中科院半导体照明研发中心。从事生产的企业主要有厦门三安、大连路美、上海蓝光、上海蓝宝、山东华光、杭州士兰明芯、江西晶能光电、河北同辉、厦门乾照、武汉迪源、廊坊清芯、甘肃新天电、西安中为、扬州华夏集成、广州普光、沈阳方大、江西联创、南昌欣磊、上海大晨、武汉华灿、上海宇体、深圳世纪晶源、深圳奥伦德、东莞福地等,还有外资企业厦门晶宇、宁波灿园、晋江晶兰及厦门明达等,另有在北京、大连、郴州等地筹建的3～5个单位,共计约30个单位。这些企业2008年共生产高亮度芯片360亿只,其中GaN蓝、绿芯片120亿只,分别比上年度增长71.4%和85%,另外,还取得了很多研究成果,并封装成白光,发光效率的产业化水平达70～80 lm/W,预计发光效率2009年产业化将达90～100 lm/W。
(3)器件封装
全面LED封装企业约600家,具有一定规模的封装企业约100家,主要封装企业有厦门华联、佛山国星、江苏稳润、广州鸿利、宁波升谱、江西联创、天津天星、廊坊鑫谷、深圳雷曼、深圳量子、深圳瑞丰、珠海力丰等,还有不少外商投资的封装企业,如亿光、光宝等。从事功率LED封装研发的单位有中电13所和华中理工大学等。2008年封装器件达520亿只,增长13%,封装能力超过600亿只/年,能封装市场上需求的所有外型种类。功率LED封装的发光效率产业化水平为80～90 lm/W,热阻可控制在10℃/W以内,能满足全国LED应用产品的要求。
(4)应用产品
全国LED应用产品企业约2,000家,有原来生产LED及照明灯具的企业加入到应用产品的开发和生产,但更多的是新创办的中小企业,规模偏小。目前应用产品主要用于信息显示、交通信号灯、景观照明及部分背光源,2009年LED重点开展功能性照明的应用产品,如道路照明、隧道照明、地铁、地下停车场等照明,以及部分商业上用的室内照明灯具,如筒灯、射灯等。据有关部门统计,2008年应用产品的产值达540亿元。
2.2.2国内半导体照明产业发展的特点
国内近几年半导体照明产业的发展呈现以下五个特点:
(1)国家及地方政府支持
国家相关主管部门积极主持半导体照明产业的发展,制定“十一五”发展规划时,已明确提出具体目标。今年工信部七号及九号文件将考虑更多的优惠政策,还以863项目、电子发展基金、产业项目等各种形式支持半导体照明产业的发展,有超过20个省、市地方政府以LED工程及各种方式给予很大支持,这将加快发展LED产业的进程。
(2)增资扩产,筹建新企业
很多企业近几年均增加投资扩大生产规模,购置新设备,如近年来购置MOCVD设备50～60台及芯片制造设备几百台套,计划购置新的MOCVD设备100多台,购置后工序自动封装设备几千台套等。另外,近几年新开办的前工序外延、芯片企业有十多家,封装企业有几百家,很多私营资本大量投入,促进了产业化水平。
(3)发展速度快
我国近几年来LED产业发展速度比国际的发展速度快很多,尤其是高亮度LED芯片。2006～2008年增长率分别为100%、75%、71.4%,封装器件增长率,除2008年受国际金融危机影响只有13%外,其它年度均超过20%的增长速度,应用产品的开拓广度和应用范围也是少有的。
(4)抓紧标准制定
国内LED产业从2006年开始,各相关部门抓紧制定LED的相关标准,工信部标准工作组为主制定20多项标准,中国照明电器标委会制定10多项与LED应用有关的标准,以及其它相关部委制定的产品标准,至2008年共有超过50项标准已制定完成,部分标准在报批阶段。另外,我国与国际CIE及IEC组织和其它标准机构积极交流并参于相关标准的制定,国内还制定了很多地方标准,这将对LED的推广应用起到推动作用。
(5)国内市场需求大
由于LED产品具有节能、环保、寿命长等很多优点,符合国家节能减排和低碳经济的发展政策,应用面非常广,据有关研究预测,LED在信息显示、背光源、汽车用灯、交通信号灯等市场的份额将达到千亿只,加上照明领域的LED市场共有几千亿元的市场潜力。
2.2.3LED产业发展中存在的主要问题
我国LED产业发展较快,但技术水平与国际上的差距还比较大,有人估计相差3～5年。国内在半导体照明领域已经形成一定特色,其中户外景观照明发展最快,已有上百家LED路灯企业,并建设了几十条示范道路,但国内在大尺寸LCD背光和汽车前照灯方面仍显落后。产业发展中存在两个主要问题是:
(1)缺乏有自主知识产权的核心技术
核心技术主要是外延生长、芯片结构、功率LED封装,由国际上几个主要企业所垄断,以致我国LED产品缺乏核心技术,在国际上很难有竞争力,还可能引起专利纠纷。当前中国半导体照明产业大而不强,核心竞争力仍有待进一步提升。
(2)企业规模偏小
不管是前工序外延、芯片企业或是下游的器件封装、应用企业,产业规模均偏小,其产品以中、低档为主,缺乏竞争能力。
3半导体照明技术水平和发展方向
3.1外延和芯片
3.1.1技术水平
目前,LED材料制作方式主要是通过MOCVD方式制作(极少数材料通过LPE方式制作,OLED正处于研究之中),从LED芯片制作方式来分,LED分为正装结构和倒装结构(反电极使用)两种。正装结构,即常规的LED,芯片尺寸为6～12mil之间,市场上产品有6mil、7mil、8mil、9mil和12mil,用于不同的应用领域,最高亮度可达200mcd,即30 lm/W。倒装结构LED采用金属全反射垂直结构,最大可能地将LED有源层发出的光提取出来,通常倒装结构芯片用于制作超高亮度LED及功率LED。目前,正装黄红光LED从20～200mcd大批量生产已较为成熟,倒装结构小芯片(14mil)LED亮度可达400～600mcd,光效为60～80 lm/W,功率芯片光效为80 lm/W。GaN基蓝光芯片光效为90 lm/W,GaN基绿光芯片光效为50 lm/W,功率型GaN基蓝光芯片功率效率为250mW/W。
3.1.2LED外延、芯片关键技术发展方向
(1)研究在位横向外延、量子能级调控、激光剥离等技术,开展LED寿命加速试验和失效机理分析,实现位错密度降低一个数量级以上,外延工艺得到优化。
(2)LED新衬底与新材料的研发应用:藉由新衬底、非极性衬底、新型材料、高光效材料的开发,可获得LED内量子效率的大幅度提高。
(3)研究应变量子阱结构、P型接触层激光掺杂等技术,实现有源层的能带弯曲程度降低,并减少量子阱中电子和空穴的空间分离。
(4)大尺寸LED外延片的开发:藉由外延层结构设计与外延成长即时监控,可大幅度改善外延应力产生的曲翘问题,从而实现大面积的外延片生长,并可间接大幅降低芯片成本。
(5)研究可控非平面化、光子晶体和等离子体增强等新技术,进一步提高芯片的发光效率,实现高端照明应用产业化。
(6)薄膜氮化镓芯片:基于激光剥离蓝宝石衬底工艺的薄膜氮化镓芯片工艺已经由学术研究渐渐转向产业化,目前,已有不少国际大厂及行业新星推出薄膜氮化镓芯片,而且业内最高性能表现者,也是以基于薄膜氮化镓芯片工艺技术的产品居多,例如Cree、LumiLEDs、Osram、Nichia、SemiLEDs等。
(7)制备出主波长为250～380nm的紫外LED,利用其高于蓝光的能量特性,可扩大LED应用于医疗、消毒、杀菌等环保领域,进一步更可激发高效白光荧光粉,制备出白光LED,提高光效,节约能源。
(8)产业化指标:2010年,功率型GaN基蓝光芯片功率效率>300mW/W,封装白光成品光效>100 lm/W;2012年,功率型GaN基蓝光芯片功率效率>400mW/W,封装白光成品光效>130 lm/W;2015年,功率型GaN基蓝光芯片功率效率>500mW/W,封装白光成品光效>160 lm/W。
3.2器件封装
3.2.1LED封装关键技术
(1)散热技术
传统的直插式LED封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂包封而成,其热阻高达250～300℃/W。新的大功率芯片若采用传统式的LED封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此,对于大工作电流的大功率LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是技术关键。采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片,在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热,甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻。在器件内部,填充透明度高的柔性硅橡胶,在硅橡胶承受的温度范围内,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。
(2)大功率LED白光技术
半导体PN结的电致发光机理决定了LED不可能产生具有连续光谱的白光,同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光,只能在封装时采用一些工艺方法合成白光。常见的实现白光的工艺方法有以下三种:① 蓝色芯片上涂敷YAG荧光粉,芯片的蓝色光激发荧光粉发出黄绿光,黄绿光与蓝色光合成白光。该方法制备相对简单,效率高,温度稳定性较好,具有实用性。缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好、色温偏高,显色性不够理想。② RGB三基色芯片发光混色成白光,或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。只要散热得法,该方法产生的白光较前一种方法稳定,显色性较好,但驱动较复杂,成本较高,另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。③ 在紫外光芯片上涂敷RGB荧光粉,利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低,环氧树脂在紫外光照射下易分解老化。
同时功率LED产品要实现产业化还必须解决以下技术问题:① 荧光粉涂布量控制:LED芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上,在操作过程中,由于载体胶的粘度是动态参数,荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀,以及分配器精度等因素的影响,此工艺的荧光粉涂布量均匀性控制有难度,导致了白光颜色的不均匀。② 芯片光电参数配合:半导体工艺的特点决定了同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学(如波长、光强)参数和电学(如正向电压)参数的差异,RGB三基色芯片更是这样,对于白光色度参数影响很大。③ 根据应用要求产生的光色度参数控制:不同用途的产品对白光LED的色坐标、色温、显色性、光功率(或光强)和光的空间分布等要求不同,上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。在产业化生产中,对上述因素进行控制,得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。④ LED芯片荧光粉直接涂覆技术开发:藉由荧光粉选择,厚度均匀涂覆可进行色温控制,提高封裝产品一致性。
(3)测试技术与标准
随着大功率芯片制造技术和白光LED工艺技术的发展,LED产品正逐步进入照明市场,显示或指示用的传统LED产品的参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。国内外的半导体设备仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器,不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异,增加了测试应用、产品性能比较工作的难度和复杂性。同时由于LED用于照明工程仅是近几年的时间,因此国内外还均未形成完善的半导体照明标准体系。随着半导体照明的广泛应用,产品规范与标准问题愈显突出,建立系统、完善的半导体照明标准体系是产业规范化的重要手段,也将促进国家半导体照明产业发展和技术创新,促进LED产品市场的有序发展和壮大。
(4)筛选技术与可靠性保证
由于灯具外观的限制,照明用LED的装配空间密封且受到局限,密封且有限的空间不利于LED散热,这意味着照明LED的使用环境要劣于传统显示、指示用LED产品。另外,照明LED处于大电流驱动下工作,这就对其提出了更高的可靠性要求。在产业化生产中,针对不同的产品用途,制定适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选试验,剔除早期失效品,保证产品的可靠性很有必要。
(5)静电防护技术
蓝宝石衬底蓝色芯片的正负电极均位于芯片上面,间距很小,对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结,InGaN活化薄层仅几十纳米,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。因此,在产业化生产中,静电的防范是否得当,直接影响到产品的成品率和经济效益。静电的防范技术通常有:① 从人体、工作台、地面、空间及产品传输、堆放等实施防范,手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子风扇、检测仪器等;② 芯片上设计静电保护线路;③ LED上装配保护器件。
3.2.2封装工艺的发展方向
随着未来LED芯片技术的发展,芯片效率将大大提高,单一芯片的光输出也会大大提高,现有的LED封装技术及装备将会发生很大的改变,未来LED封装工艺将会变得更简单,自动化程度也会变得更高,综合成本会大幅度下降。LED封装企业将成为本次改变的推动者,向上推动LED芯片企业改变后段制造工艺,横向互动LED封装装备制造企业适应开发新的LED封装设备,向下推动灯具制造企业紧跟LED技术发展的趋势,在高光效、低发热的新器件应用上改变现有的笨重LED灯具,服务于节能社会。灯具制造商兼并收购LED封装企业将成为新的趋势,高功率LED器件的国家和行业标准将会出台,各类LED应用将会得到发展。封装工艺技术发展方向为:
(1)单颗LED的效率提升使得发热大幅减少,单颗高功率LED芯片的面积也会大幅度减小。
(2)发热变少与应用上对单一LED光源的高光通量需求使集成化封装成为主流,集成化封装LED器件的热聚集效应使LED器件的整体导热效率变得极为重要,能够大幅降低热阻的共晶焊接技术将成为LED芯片封装技术的主流。
(3)降低成本的需要使非金丝焊接技术将大规模应用,铝丝焊接、铜丝焊接、直接复合等技术将大量应用。
(4)硅胶成型技术、非球面二次光学透镜技术等出光技术都将成为LED封装技术的基础。
(5)定向定量点胶工艺、图形化涂胶工艺、二次静电喷荧光粉工艺、膜层压法三基色荧光粉涂布工艺、芯片沉积加压法等白光工艺都将应用在LED封装工艺中。
3.3LED应用产品
3.3.1产品主要分类
(1)背光显示:主要用于手机、相机、PDA、MP4、电脑和电视机等产品的背光及显示。
(2)汽车灯:可分为汽车外部使用及内部使用两种。内部包括仪表板、空调、音响等指示灯及内部阅读灯;外部使用则包括刹车灯、尾灯、方向灯、侧灯、车前灯等。
(3)道路照明:包含LED路灯、庭院灯、隧道灯。
(4)室内照明:包含筒灯、射灯、台灯、办公场所及商场照明灯。
3.3.2产品主要技术特点
(1)背光显示:节能、环保、高显色性、响应快、颜色饱和度高。
(2)汽车灯:抗震性好、响应时间短、高效率、低能耗、体积小、重量轻、防眩光性能好。
(3)LED路灯:光效高、寿命长、响应快、高显色性、无污染、无谐波辐射。
(4)室内照明:亮度和色彩可控制、外形小、寿命长、方向性强、节能。
3.3.3未来发展方向
背光显示将朝着大尺寸(22in以上)方向发展,解决高光效、高均匀性、超薄、低成本问题。
未来LED汽车灯具的重点研究方向是开发白光LED前照大灯,以及LED车灯与AFS(自适应性车灯控制系统)结合使用。目前LED车前大灯的热管理是最大难点,要在恶劣、狭小的空间里将大量的热量散发出去,是需要认真研究探讨的问题。
LED路灯要大量代替现行高压纳灯,重点要提高光效、降低热阻、降低成本、增加使用寿命。
室内照明将重点解决成本问题,开发高显色指数和宽光谱的LED光源,满足室内照明对光源质量的高要求。
3.4半导体照明产业发展方向
(1)蓝、绿光芯片的大规模产业化技术。主要是使外延芯片生产工艺技术成熟,产品质量稳定可靠,进一步提高芯片成品率,形成大规模产业化技术。
(2)功率型高亮度蓝、绿光外延片及芯片产业化技术。主要研究内容为调整MOCVD生长条件,调整掺杂溶度和有源层结构,提高内量子效率和外量子效率,解决大尺寸芯片加工产业化技术。
(3)高亮度红黄光外延片及芯片产业化技术。主要研究现有的红黄光外延片及芯片产业化技术,进行技术提升与突破,实现功率型高亮度外延片及芯片的大规模产业化。
(4)LED封装新工艺及新材料开发。围绕应用产品进行LED封装新工艺及新材料开发,主要研究内容是组合模块封装结构、多芯片集成化、白光LED单元、功率型LED封装,以及开发新型封装材料(如玻璃、陶瓷、金属等)来代替易老化的环氧树脂。
(5)三基色芯片大功率LED阵列封装技术。主要研究内容为三基色芯片白光混色技术,三基色芯片优选及长期工作光衰问题,白光大功率(1～5W)三基色阵列取光、散热优化设计,产业化生产工艺技术。
(6)LED照明产品应用开发。主要是LED照明应用开发,即研究白光LED灯具结构、色温、光学系统设计、电路、散热、密封、防水、防震、防电压冲击等,解决白光LED应用于照明市场的问题。
(7)LED应用产品开发及配套系统。主要包括高亮度LED照明系统开发,各种特种照明和通用照明灯具的研究与开发。
4结论
半导体照明为我们展示了美好前景,我们相信半导体照明会在不久的将来绽放更加绚丽的光芒。
参考文献
[1] 彭万华. 我国高亮度LED产业发展概况[C]. 第十一届全国LED产业与技术研讨会交流论文,2008年9月,1-6.
作者简介:胡爱华(1958-),女,江西南昌人,1982年毕业于西北工业大学电气工程专业,工学学士,高级工程师,现任厦门华联电子有限公司技术与设备管理办公室主任,兼任中国光电器件协会副秘书长,多年从事半导体光电器件设计及工艺研究,研究方向为LED器件封装技术。E-mail:huaihua@xmhl.com.cn。