半导体

彭万华:厘清LED应用技术发展十大热点

作者:赵晨来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2014-08-26 05:30我要评论

访工信部半导体照明技术标准工作组副组长彭万华:

在产业链各环节技术水平快速进步的推动下,国内LED产业全面向好,市场呈现一片繁荣景象。但是在新技术层出不穷的背景下,企业如何才能少走弯路,把有限的技术研发力量投入到合适的技术路线上?为此,《中国电子报》记者近日采访了LED业界知名专家、工信部半导体照明技术标准工作组副组长彭万华,为业界梳理当前LED产业技术发展脉络。

国内LED产值增长快

技术发展水平一般

记者:目前,国内外LED产业技术发展有哪些新变化和新特点?

彭万华:就2013年全球LED产值来看,日本、韩国、我国台湾、我国大陆各占20%%左右。应该说,国内LED产值增长很快。但相对来说,在国内产值迅速增长的同时,LED技术发展水平却比较一般。反之,国外LED产值增长一般,技术发展却很快。

LED的主要技术指标是发光效率。据报道,世界上几个主要企业的LED封装实验室水平均已超过200lm/w,其中美国Cree公司的实验室水平达到303lm/w。我们知道,美国SSL计划的产业化目标是把LED的发光效率提高到250lm/w,并把价格降低至0.5美元/klm。而其目前产业化水平为120lm/w~150lm/w,价格约为3美元/klm。

就LED照明整灯水平来看,Cree、飞利浦等企业的产品已经超过200lm/w,欧司朗直管灯产品据报道已达215lm/w。但是,目前国内的产业化水平还只有100lm/w~130lm/w,当然,价格水平也相对较低。

产业链上游不断突破

LED封装日趋多元

记者:上游是LED产业链的核心技术所在,目前核心技术有哪些新的进展?

彭万华:的确,产业链上游是LED的核心技术所在,一般来说,包括衬底、外延、芯片3个环节。首先来看衬底,目前研发的关键问题是晶格匹配和热匹配问题。在衬底上外延生长GaN,目前主要以蓝宝石(α-Al2O3)、SiC、Si这3种为主,有2英寸、4英寸、6英寸的圆片和8英寸Si圆片。有专家预测,2015年将是蓝宝石、Si、GaN同质外延衬底三分天下的时期,而2016年将以6英寸圆片为主。

同时,为了生长更高质量的GaN晶体,减少缺陷、位错,并进一步降低成本,业界正致力于新衬底的研究开发,比如8英寸Si衬底、低温生长GaN同质衬底、半极性和非极性衬底、介质复合衬底、稀土氧化物REO复合衬底、β-Ga2O3氧化镓衬底等。

其次是外延,在衬底上外延生长GaN、InGaAlP等很多层外延,形成P-N结的多量子阱结构,主要目标是提高内量子效率。目前内量子效率已经达到60%%左右,最终目标是要达到90%%以上。

为了提高内量子效率及减少Droop效应,一批新的外延技术也诞生了,如GaN同质外延、8英寸Si基上外延、半极性非极性衬底上外延、偏移外延生长、单芯片多色光(R、G、B)外延、复合衬底上外延等。

最后是芯片,目前的主要目标是提高外量子效率,即芯片的取光效率。不让光子在晶体内多次反射被吸收,要在底部反射面及出光面采用各种表面处理技术。

如果按出光面和尺寸大小来区分,LED芯片可分为多种不同的产品形式,最主要的有3种,包括正装、倒装、垂直结构(含薄膜结构)。按功率来区分的话,小功率芯片一般小于100mw,中功率芯片一般为几百mw,大功率芯片一般在1w以上。

当然,随着技术的发展,也出现了其他的结构形式,比如6面出光的芯片结构,Cree公司专有的DA芯片结构(在SiC衬底上生长GaN,并刻有V形槽,目前世界上的最高水平就是这种结构形式),单芯片多色光(R、G、B)组合成白光、高压芯片等。

记者:如何看待LED封装形式日趋多元化这一现象?

彭万华:据我所知,LED封装的结构形式目前已达100多种,但不管是Lamp、SMT、COB、PLCC,还是大功率封装(CSP)、模块化封装等,其技术发展的原则都是要紧跟LED应用产品的发展需求。万变不离其宗,LED封装技术的基本内容就是提高出光效率,提高光色质量,提高可靠性和产品性价比(降低成本)。

如果对这些封装新结构、新技术进行总结,那么COB集成封装、LED晶圆级封装、COF集成封装、LED模块化集成封装、覆晶封装技术、免封装芯片技术等都属于LED光集成封装技术。其他封装结构形式也各具特色,比如EMC封装结构(嵌入式)、EMC封装技术(塑料支架式)、COG封装(玻璃基板)、QFN封装技术(小间距像素单元)、3D封装技术、功率框架封装技术等。

应用集中于三大领域

技术聚焦十大热点

记者:产业链各环节的技术创新终究还是为应用服务,当前LED应用技术发展聚焦于哪些热点?

彭万华:目前看来,LED的应用还是集中在三大方面:首当其冲就是照明,包括室内照明、室外照明、功能性照明、景观照明、舞台照明等,但当下仍然以替代白炽灯和节能灯为主;其次是显示,包括LED显示屏、小间距显示屏、背光源(IGZO采用小功率LED)等;最后是非视觉照明,如生态农业、医疗保健等。这些都具有很好的发展前景。

结合以上应用,我认为LED应用技术发展可以归纳为十大热点问题。

一是LED光源及灯具的总能效。总能效=内量子效率×芯片取光效率×封装出光效率×荧光粉激发效率×电源效率×灯具效率。目前这个值连30%%还不到,而我们的目标是要使其大于50%%。

二是光源的舒适度。具体包括色温、亮度、显色性、色容差(色温一致性及色漂移)、眩光、无闪烁等,但这尚未有统一的标准。

三是LED光源及灯具的可靠性。主要是寿命及稳定性问题,要从各个环节确保产品的可靠性,才能达到2万~3万个小时的使用寿命。

四是LED光源的模块化。LED光源系统集成封装的模块化是半导体照明光源的发展方向,要重点解决的是光组件接口及驱动电源问题。

五是LED光源的安全性。要解决光生物安全、超亮、光闪烁等问题,特别是频闪问题。

六是现代LED照明。LED照明光源及灯具要简洁、美观、实用,采用数字化、智能化技术,让LED照明环境更舒适,更符合个性化需求。

七是智能照明。结合通信、传感、云计算、物联网等手段,对LED照明进行有效控制,实现照明多功能化和节能化,提高照明环境的舒适度。这也是LED应用的主要发展方向。

八是非视觉照明应用。在这一LED应用新领域,有人预测,其市场规模有望超过千亿元。其中,生态农业包括植物育苗、生长、畜禽养殖、防治害虫等;医疗保健包括治疗某些疾病、改善睡眠环境、保健功能、杀菌功能、消毒、净化水等。

九是小间距显示屏。目前其像素单元为1mm左右,并在发展P0.8mm~0.6mm产品,可广泛应用于高清及3D显示屏,如投影仪、指挥、调度、监控、大屏幕电视等。

十是降低成本,提高性价比。前面提到,LED产品的目标价格是0.5美元/klm,因此要在LED产业链的各个环节,包括衬底、外延、芯片、封装、应用设计等方面,都采用新技术、新工艺、新材料,使成本不断下降,提高性价比。这样才能最终为人们提供节能、环保、健康、舒适的LED照明环境。


责任编辑:郭远峰
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