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LED“两高一低”技术问题需综合解决方案

编辑:成都永灿自动门有限公司   字号:
摘要:LED“两高一低”技术问题需综合解决方案
当前半导体照明产业的技术发展目标是彻底解决“两高一低”的技术问题,即高能效、高质量(含光色质量和可靠性)、低成本的技术。只有很好地解决这些技术问题,才能为人们提供节能、环保、健康、舒适的照明环境。解决“两高一低”的技术问题,应从产业链的主要部分,即衬底、外延、芯片、封装和应用等方面提出解决方案。

衬底、外延、芯片技术不断突破

全球外延、芯片企业有142家,我国投产36家,筹建25家。全球现有MOCVD约2800台,我国有700多台,投产400台左右。2011年全球芯片产量820亿只,2012年预计将达950亿只,芯片产能过剩35%。目前,白光的实验室光效可达254 lm/W,产业化为140~150 lm/W,最近Cree推出了160lm/W的产品。同时,蓝光光效达到300lm/W,红光光效达240 lm/W,绿光光效达160lm/W。

图形化衬底(定向、纳米)和半极性、非极性衬底方面,通过改进工艺、简化流程、节省原料、降低成本等取得了很好的成果;同质外延方面,可采用多种方法生产GaN衬底,并在GaN衬底上生长GaN的LED,极大减少了MO源和高纯气体用量,有人预测可降低成本50%。

在8英寸的Si衬底上生长GaN,全球有多家公司已投入研发,由于可用现有多余的生产设备、简化工艺流程,将大幅度降低成本。同时,Aixtron推出以Si为衬底的外延炉,可严格控制弯曲度,均匀一致生产。这无疑将推动在8英寸的Si衬底上生长外延的进程,并可大幅度降低成本。

日本碍子公司的新外延技术由于大量减少位错密度,极大提高了LED性能指标,取得了突破性进展。

在芯片结构方面,已出现多种新结构,较典型的是六面体发光芯片,并采用多面表面粗化技术,减少界面反射,提高光萃取率,从而提高外量子效率。三星公司采用纳米级的六角棱锥结构技术做出的LED,可实现半极性、非极性生长GaN,散热好、晶体质量好,实现了多色光的白光LED,取得突破性进展。

据有关报道,综合来看,许多外延、芯片的重大技术创新,大部分是针对提高性能和降低成本的关键技术问题,所以有机构专家分析预测,未来10年外延成本将以每年25%的速率降低。

综上,由于GaN外延、芯片技术的不断突破,采用不同衬底、新结构和纳米级技术等,可生长低位错的GaN,并做出高光效LED。在没有波长转换时,其光效可超过300lm/W(理论值可达400lm/W);采用荧光粉波长转换时,光效可超过200lm/W(理论值可达263lm/W),还可开拓单芯片发多色的新技术路线。同时,采用新技术和大圆片技术生长外延,可大幅度降低外延、芯片的制作成本。

模块化标准封装成发展方向

我国LED封装技术近几年取得很大进展,总体封装水平与国外相差很小,甚至相当,但关键封装材料还要进口。2011年,全球封装器件产值为125亿美元,增长率为9.8%,另有报道产值为112亿美元和137.8亿美元,但是由于这些机构对中国封装产业估算不足(小于10亿美元),所以全球封装产值实际应该是160亿美元左右。世界排名前十的封装企业为日亚、三星、欧司朗、LG、首尔半导体、科锐、飞利浦、夏普、丰田合成、亿光等,占全球市场68%。我国封装器件产值约250亿元,产值在1亿元以上的企业超过40家,器件光效为120~130lm/W,采用进口芯片,可达140~150lm/W。

为提高出光效率、封装可靠性及降低成本,业界采用SMC复合材料、DMS高导材料、各种陶瓷材料、荧光粉涂覆工艺以及新的封装结构等,均取得很大进展。

新型荧光粉、石墨烯散热、量子点等新技术不断涌现。我国自主创新的多种COB新结构具有很多优点,并可降低10%~30%的成本。目前,COB光效已可达130~150lm/W。

同时,将芯片、驱动、控制部分、散热、零件等封装在一起形成模块,进行标准化生产的模块化标准封装LED产品成为半导体照明光源的发展方向。Zhaga联盟已为此制定十多项标准草案,主要是光引擎界面接口标准,包含物理尺寸、光学、电气和热特性等。

有专家预测,由于采用直接共晶焊接和模块化标准封装技术,再过5~10年,将不再需要LED封装企业专门封装LED照明器件,而是由照明企业一起封装及组装。

据有关报道,由于外延、芯片大幅度降低成本,封装采用新技术,也会进一步降低成本。所以有机构预测,近几年LED器件价格将以平均20%的速率降低。

综上,封装技术采用新结构、新工艺和纳米级技术等,取得了突破性进展,将来有可能采用替代荧光粉的封装技术,在照明领域采用模块化封装,不需要对LED单独封装,不同应用场合可能采用不同封装技术的产品。因此器件成本将大幅度下降,企业要有承受能力。

照明应用市场前景看好

随着LED性能的不断提高,LED照明应用的范围不断拓展,促进了半导体照明产业的快速发展。2012年全球照明总产值为1400亿美元,其中LED照明占11%,为154亿美元。2011年我国LED照明灯具产量为1.8亿只,其中球泡灯占47.4%、射灯占22.8%、直管灯12.1%、筒灯7.3%。2012年前三季度LED灯具出口增长40%,市场前景看好。

能效方面,虽然目前理论值可达56%,但实际总能效只有20%~30%。要实现总能效达50%以上,需解决的技术问题还很多,难度也很大。寿命方面,LED芯片寿命可达几十万小时,器件可达5万~10万小时。能源之星灯具V1.0技术规范规定,集成LED灯具寿命要求为1.5万~2.5万小时。舒适性和安全性方面,相关标准也均在制定中。

在LED照明时代,企业应充分发挥LED照明优势,对传统照明灯具进行全面改造和创新。加大力度设计新灯具,如嵌入式照明、平面照明、条形灯、柔性光源、 艺术灯等等,让照明环境更柔和、舒适、个性化。

在智能数字化控制方面,室内智能照明系统适用于商业照明、家居照明;室外智能照明系统适用于景观照明、公共建筑和道路系统照明;专业智能照明系统适用于特定场所艺术照明。全球互联照明联盟于2012年9月由6家照明巨头(飞利浦、欧司朗、松下、东芝、GE、Lutron)发起成立,旨在推动照明无线网络控制系统实施。通过智能数字化控制,将实现照明的个性化、舒适性、调光、调色、二次节能等,是照明系统发展的方向。

在发展生态农业方面,LED光源可应用于植物生长、畜禽养殖、害虫防治等。发达国家和主要LED企业均已介入该领域的应用。

综上,LED照明产品的最终能效目标将达50%以上,光源质量要达到舒适性、安全性的标准要求,LED照明灯具要全面创新,适应现代LED照明需求,开展智能控制系统应用将是照明的方向。另外,要重视LED灯具在非照明领域的应用。
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