LED“兩高一低”需綜合解決方案

 　　當(dāng)前半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)是徹底解決“兩高一低”的技術(shù)問(wèn)題，即高能效、高質(zhì)量(含光色質(zhì)量和可靠性)、低成本的技術(shù)。只有很好地解決這些技術(shù)問(wèn)題，才能為人們提供節(jié)能、環(huán)保、健康、舒適的照明環(huán)境。解決"兩高一低"的技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)從產(chǎn)業(yè)鏈的主要部分，即襯底、外延、芯片、封裝和應(yīng)用等方面提出解決方案。

　　襯底、外延、芯片技術(shù)不斷突破

　　全球外延、芯片企業(yè)有142家，我國(guó)投產(chǎn)36家，籌建25家。全球現(xiàn)有MOCVD約2800臺(tái)，我國(guó)有700多臺(tái)，投產(chǎn)400臺(tái)左右。2011年全球芯片產(chǎn)量820億只，2012年預(yù)計(jì)將達(dá)950億只，芯片產(chǎn)能過(guò)剩35%。目前，白光的實(shí)驗(yàn)室光效可達(dá)254 lm/W，產(chǎn)業(yè)化為140～150 lm/W，最近Cree推出了160lm/W的產(chǎn)品。同時(shí)，藍(lán)光光效達(dá)到300lm/W，紅光光效達(dá)240 lm/W，綠光光效達(dá)160lm/W。

　　圖形化襯底(定向、納米)和半極性、非極性襯底方面，通過(guò)改進(jìn)工藝、簡(jiǎn)化流程、節(jié)省原料、降低成本等取得了很好的成果;同質(zhì)外延方面，可采用多種方法生產(chǎn)GaN襯底，并在GaN襯底上生長(zhǎng)GaN的LED，極大減少了MO源和高純氣體用量，有人預(yù)測(cè)可降低成本50%。

　　在8英寸的Si襯底上生長(zhǎng)GaN，全球有多家公司已投入研發(fā)，由于可用現(xiàn)有多余的生產(chǎn)設(shè)備、簡(jiǎn)化工藝流程，將大幅度降低成本。同時(shí)，Aixtron推出以Si為襯底的外延爐，可嚴(yán)格控制彎曲度，均勻一致生產(chǎn)。這無(wú)疑將推動(dòng)在8英寸的Si襯底上生長(zhǎng)外延的進(jìn)程，并可大幅度降低成本。

　　日本礙子公司的新外延技術(shù)由于大量減少位錯(cuò)密度，極大提高了LED性能指標(biāo)，取得了突破性進(jìn)展。

　　在芯片結(jié)構(gòu)方面，已出現(xiàn)多種新結(jié)構(gòu)，較典型的是六面體發(fā)光芯片，并采用多面表面粗化技術(shù)，減少界面反射，提高光萃取率，從而提高外量子效率。三星公司采用納米級(jí)的六角棱錐結(jié)構(gòu)技術(shù)做出的LED，可實(shí)現(xiàn)半極性、非極性生長(zhǎng)GaN，散熱好、晶體質(zhì)量好，實(shí)現(xiàn)了多色光的白光LED，取得突破性進(jìn)展。

　　據(jù)有關(guān)報(bào)道，綜合來(lái)看，許多外延、芯片的重大技術(shù)創(chuàng)新，大部分是針對(duì)提高性能和降低成本的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，所以有機(jī)構(gòu)專家分析預(yù)測(cè)，未來(lái)10年外延成本將以每年25%的速率降低。

　　綜上，由于GaN外延、芯片技術(shù)的不斷突破，采用不同襯底、新結(jié)構(gòu)和納米級(jí)技術(shù)等，可生長(zhǎng)低位錯(cuò)的GaN，并做出高光效LED。在沒(méi)有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)，其光效可超過(guò)300lm/W(理論值可達(dá)400lm/W);采用熒光粉波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)，光效可超過(guò)200lm/W(理論值可達(dá)263lm/W)，還可開(kāi)拓單芯片發(fā)多色的新技術(shù)路線。同時(shí)，采用新技術(shù)和大圓片技術(shù)生長(zhǎng)外延，可大幅度降低外延、芯片的制作成本。

　　模塊化標(biāo)準(zhǔn)封裝成發(fā)展方向

　　我國(guó)LED封裝技術(shù)近幾年取得很大進(jìn)展，總體封裝水平與國(guó)外相差很小，甚至相當(dāng)，但關(guān)鍵封裝材料還要進(jìn)口。2011年，全球封裝器件產(chǎn)值為125億美元，增長(zhǎng)率為9.8%，另有報(bào)道產(chǎn)值為112億美元和137.8億美元，但是由于這些機(jī)構(gòu)對(duì)中國(guó)封裝產(chǎn)業(yè)估算不足(小于10億美元)，所以全球封裝產(chǎn)值實(shí)際應(yīng)該是160億美元左右。世界排名前十的封裝企業(yè)為日亞、三星、歐司朗、LG、首爾半導(dǎo)體、科銳、飛利浦、夏普、豐田合成、億光等，占全球市場(chǎng)68%。我國(guó)封裝器件產(chǎn)值約250億元，產(chǎn)值在1億元以上的企業(yè)超過(guò)40家，器件光效為120～130lm/W，采用進(jìn)口芯片，可達(dá)140～150lm/W。

　　為提高出光效率、封裝可靠性及降低成本，業(yè)界采用SMC復(fù)合材料、DMS高導(dǎo)材料、各種陶瓷材料、熒光粉涂覆工藝以及新的封裝結(jié)構(gòu)等，均取得很大進(jìn)展。

　　新型熒光粉、石墨烯散熱、量子點(diǎn)等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。我國(guó)自主創(chuàng)新的多種COB新結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，并可降低10%～30%的成本。目前，COB光效已可達(dá)130～150lm/W。

　　同時(shí)，將芯片、驅(qū)動(dòng)、控制部分、散熱、零件等封裝在一起形成模塊，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的模塊化標(biāo)準(zhǔn)封裝LED產(chǎn)品成為半導(dǎo)體照明光源的發(fā)展方向。Zhaga聯(lián)盟已為此制定十多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)草案，主要是光引擎界面接口標(biāo)準(zhǔn)，包含物理尺寸、光學(xué)、電氣和熱特性等。

　　有專家預(yù)測(cè)，由于采用直接共晶焊接和模塊化標(biāo)準(zhǔn)封裝技術(shù)，再過(guò)5～10年，將不再需要LED封裝企業(yè)專門封裝LED照明器件，而是由照明企業(yè)一起封裝及組裝。

　　據(jù)有關(guān)報(bào)道，由于外延、芯片大幅度降低成本，封裝采用新技術(shù)，也會(huì)進(jìn)一步降低成本。所以有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，近幾年LED器件價(jià)格將以平均20%的速率降低。

　　綜上，封裝技術(shù)采用新結(jié)構(gòu)、新工藝和納米級(jí)技術(shù)等，取得了突破性進(jìn)展，將來(lái)有可能采用替代熒光粉的封裝技術(shù)，在照明領(lǐng)域采用模塊化封裝，不需要對(duì)LED單獨(dú)封裝，不同應(yīng)用場(chǎng)合可能采用不同封裝技術(shù)的產(chǎn)品。因此器件成本將大幅度下降，企業(yè)要有承受能力。

　　照明應(yīng)用市場(chǎng)前景看好

　　隨著LED性能的不斷提高，LED照明應(yīng)用的范圍不斷拓展，促進(jìn)了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。2012年全球照明總產(chǎn)值為1400億美元，其中LED照明占11%，為154億美元。2011年我國(guó)LED照明燈具產(chǎn)量為1.8億只，其中球泡燈占47.4%、射燈占22.8%、直管燈12.1%、筒燈7.3%。2012年前三季度LED燈具出口增長(zhǎng)40%，市場(chǎng)前景看好。

　　能效方面，雖然目前理論值可達(dá)56%，但實(shí)際總能效只有20%～30%。要實(shí)現(xiàn)總能效達(dá)50%以上，需解決的技術(shù)問(wèn)題還很多，難度也很大。壽命方面，LED芯片壽命可達(dá)幾十萬(wàn)小時(shí)，器件可達(dá)5萬(wàn)～10萬(wàn)小時(shí)。能源之星燈具V1.0技術(shù)規(guī)范規(guī)定，集成LED燈具壽命要求為1.5萬(wàn)～2.5萬(wàn)小時(shí)。舒適性和安全性方面，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也均在制定中。

　　在LED照明時(shí)代，企業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮LED照明優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)照明燈具進(jìn)行全面改造和創(chuàng)新。加大力度設(shè)計(jì)新燈具，如嵌入式照明、平面照明、條形燈、柔性光源、藝術(shù)燈等等，讓照明環(huán)境更柔和、舒適、個(gè)性化。

　　在智能數(shù)字化控制方面，室內(nèi)智能照明系統(tǒng)適用于商業(yè)照明、家居照明;室外智能照明系統(tǒng)適用于景觀照明、公共建筑和道路系統(tǒng)照明;專業(yè)智能照明系統(tǒng)適用于特定場(chǎng)所藝術(shù)照明。全球互聯(lián)照明聯(lián)盟于2012年9月由6家照明巨頭(飛利浦、歐司朗、松下、東芝、GE、Lutron)發(fā)起成立，旨在推動(dòng)照明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)施。通過(guò)智能數(shù)字化控制，將實(shí)現(xiàn)照明的個(gè)性化、舒適性、調(diào)光、調(diào)色、二次節(jié)能等，是照明系統(tǒng)發(fā)展的方向。

　　在發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)方面，LED光源可應(yīng)用于植物生長(zhǎng)、畜禽養(yǎng)殖、害蟲防治等。發(fā)達(dá)國(guó)家和主要LED企業(yè)均已介入該領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　綜上，LED照明產(chǎn)品的最終能效目標(biāo)將達(dá)50%以上，光源質(zhì)量要達(dá)到舒適性、安全性的標(biāo)準(zhǔn)要求，LED照明燈具要全面創(chuàng)新，適應(yīng)現(xiàn)代LED照明需求，開(kāi)展智能控制系統(tǒng)應(yīng)用將是照明的方向。另外，要重視LED燈具在非照明領(lǐng)域的應(yīng)用。