国内外LED产业技术发展 新变化和新特点

国内外LED产业技术发展 新变化和新特点

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。