在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)技術(shù)水平快速進步的推動下，國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)全面向好，市場呈現(xiàn)一片繁榮景象。但是在新技術(shù)層出不窮的背景下，企業(yè)如何才能少走彎路，把有限的技術(shù)研發(fā)力量投入到合適的技術(shù)路線上?為此筆者近日采訪了LED業(yè)界知名專家、工信部半導(dǎo)體照明技術(shù)標準工作組副組長彭萬華，為業(yè)界梳理當前LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。
技術(shù)發(fā)展水平一般
筆者：目前，國內(nèi)外LED產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展有哪些新變化和新特點？
彭萬華：就2013年全球LED產(chǎn)值來看，日本、韓國、我國臺灣、我國大陸各占20%左右。應(yīng)該說，國內(nèi)LED產(chǎn)值增長很快。但相對來說，在國內(nèi)產(chǎn)值迅速增長的同時，LED技術(shù)發(fā)展水平卻比較一般。反之，國外LED產(chǎn)值增長一般，技術(shù)發(fā)展卻很快。
LED的主要技術(shù)指標是發(fā)光效率。據(jù)報道，世界上幾個主要企業(yè)的LED封裝實驗室水平均已超過200lm/w，其中美國Cree公司的實驗室水平達到303lm/w。我們知道，美國SSL計劃的產(chǎn)業(yè)化目標是把LED的發(fā)光效率提高到250lm/w，并把價格降低至0.5美元/klm。而其目前產(chǎn)業(yè)化水平為120lm/w～150lm/w，價格約為3美元/klm。
就LED照明整燈水平來看，Cree、飛利浦等企業(yè)的產(chǎn)品已經(jīng)超過200lm/w，歐司朗直管燈產(chǎn)品據(jù)報道已達215lm/w。但是，目前國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化水平還只有100lm/w～130lm/w，當然，價格水平也相對較低。
筆者：上游是LED產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)所在，目前核心技術(shù)有哪些新的進展？
彭萬華：的確，產(chǎn)業(yè)鏈上游是LED的核心技術(shù)所在，一般來說，包括襯底、外延、芯片3個環(huán)節(jié)。首先來看襯底，目前研發(fā)的關(guān)鍵問題是晶格匹配和熱匹配問題。在襯底上外延生長GaN，目前主要以藍寶石(α-Al2O3)、SiC、Si這3種為主，有2英寸、4英寸、6英寸的圓片和8英寸Si圓片。有專家預(yù)測，2015年將是藍寶石、Si、GaN同質(zhì)外延襯底三分天下的時期，而2016年將以6英寸圓片為主。
同時，為了生長更高質(zhì)量的GaN晶體，減少缺陷、位錯，并進一步降低成本，業(yè)界正致力于新襯底的研究開發(fā)，比如8英寸Si襯底、低溫生長GaN同質(zhì)襯底、半極性和非極性襯底、介質(zhì)復(fù)合襯底、稀土氧化物REO復(fù)合襯底、β-Ga2O3氧化鎵襯底等。
其次是外延，在襯底上外延生長GaN、InGaAlP等很多層外延，形成P-N結(jié)的多量子阱結(jié)構(gòu)，主要目標是提高內(nèi)量子效率。目前內(nèi)量子效率已經(jīng)達到60%左右，最終目標是要達到90%以上。
為了提高內(nèi)量子效率及減少Droop效應(yīng)，一批新的外延技術(shù)也誕生了，如GaN同質(zhì)外延、8英寸Si基上外延、半極性非極性襯底上外延、偏移外延生長、單芯片多色光(R、G、B)外延、復(fù)合襯底上外延等。
最后是芯片，目前的主要目標是提高外量子效率，即芯片的取光效率。不讓光子在晶體內(nèi)多次反射被吸收，要在底部反射面及出光面采用各種表面處理技術(shù)。
如果按出光面和尺寸大小來區(qū)分，LED芯片可分為多種不同的產(chǎn)品形式，最主要的有3種，包括正裝、倒裝、垂直結(jié)構(gòu)(含薄膜結(jié)構(gòu))。按功率來區(qū)分的話，小功率芯片一般小于100mw，中功率芯片一般為幾百mw，大功率芯片一般在1w以上。
當然，隨著技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了其他的結(jié)構(gòu)形式，比如6面出光的芯片結(jié)構(gòu)，Cree公司專有的DA芯片結(jié)構(gòu)(在SiC襯底上生長GaN，并刻有V形槽，目前世界上的最高水平就是這種結(jié)構(gòu)形式)，單芯片多色光(R、G、B)組合成白光、高壓芯片等。
筆者：如何看待LED封裝形式日趨多元化這一現(xiàn)象？
彭萬華：據(jù)我所知，LED封裝的結(jié)構(gòu)形式目前已達100多種，但不管是Lamp、SMT、COB、PLCC，還是大功率封裝(CSP)、模塊化封裝等，其技術(shù)發(fā)展的原則都是要緊跟LED應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)展需求。萬變不離其宗，LED封裝技術(shù)的基本內(nèi)容就是提高出光效率，提高光色質(zhì)量，提高可靠性和產(chǎn)品性價比(降低成本)。
如果對這些封裝新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)進行總結(jié)，那么COB集成封裝、LED晶圓級封裝、COF集成封裝、LED模塊化集成封裝、覆晶封裝技術(shù)、免封裝芯片技術(shù)等都屬于LED光集成封裝技術(shù)。其他封裝結(jié)構(gòu)形式也各具特色，比如EMC封裝結(jié)構(gòu)(嵌入式)、EMC封裝技術(shù)(塑料支架式)、COG封裝(玻璃基板)、QFN封裝技術(shù)(小間距像素單元)、3D封裝技術(shù)、功率框架封裝技術(shù)等。
技術(shù)聚焦十大熱點
筆者：產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新終究還是為應(yīng)用服務(wù)，當前LED應(yīng)用技術(shù)發(fā)展聚焦于哪些熱點？
彭萬華：目前看來，LED的應(yīng)用還是集中在三大方面：首當其沖就是照明，包括室內(nèi)照明、室外照明、功能性照明、景觀照明、舞臺照明等，但當下仍然以替代白熾燈和節(jié)能燈為主;其次是顯示，包括LED顯示屏、小間距顯示屏、背光源(IGZO采用小功率LED)等;最后是非視覺照明，如生態(tài)農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等。這些都具有很好的發(fā)展前景。
結(jié)合以上應(yīng)用，我認為LED應(yīng)用技術(shù)發(fā)展可以歸納為十大熱點問題。
一是LED光源及燈具的總能效。總能效=內(nèi)量子效率×芯片取光效率×封裝出光效率×熒光粉激發(fā)效率×電源效率×燈具效率。目前這個值連30%還不到，而我們的目標是要使其大于50%。
二是光源的舒適度。具體包括色溫、亮度、顯色性、色容差(色溫一致性及色漂移)、眩光、無閃爍等，但這尚未有統(tǒng)一的標準。
三是LED光源及燈具的可靠性。主要是壽命及穩(wěn)定性問題，要從各個環(huán)節(jié)確保產(chǎn)品的可靠性，才能達到2萬～3萬個小時的使用壽命。
四是LED光源的模塊化。LED光源系統(tǒng)集成封裝的模塊化是半導(dǎo)體照明光源的發(fā)展方向，要重點解決的是光組件接口及驅(qū)動電源問題。
五是LED光源的安全性。要解決光生物安全、超亮、光閃爍等問題，特別是頻閃問題。
六是現(xiàn)代LED照明。LED照明光源及燈具要簡潔、美觀、實用，采用數(shù)字化、智能化技術(shù)，讓LED照明環(huán)境更舒適，更符合個性化需求。
七是智能照明。結(jié)合通信、傳感、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等手段，對LED照明進行有效控制，實現(xiàn)照明多功能化和節(jié)能化，提高照明環(huán)境的舒適度。這也是LED應(yīng)用的主要發(fā)展方向。
八是非視覺照明應(yīng)用。在這一LED應(yīng)用新領(lǐng)域，有人預(yù)測，其市場規(guī)模有望超過千億元。其中，生態(tài)農(nóng)業(yè)包括植物育苗、生長、畜禽養(yǎng)殖、防治害蟲等;醫(yī)療保健包括治療某些疾病、改善睡眠環(huán)境、保健功能、殺菌功能、消毒、凈化水等。
九是小間距顯示屏。目前其像素單元為1mm左右，并在發(fā)展P0.8mm～0.6mm產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于高清及3D顯示屏，如投影儀、指揮、調(diào)度、監(jiān)控、大屏幕電視等。
十是降低成本，提高性價比。前面提到，LED產(chǎn)品的目標價格是0.5美元/klm，因此要在LED產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)，包括襯底、外延、芯片、封裝、應(yīng)用設(shè)計等方面，都采用新技術(shù)、新工藝、新材料，使成本不斷下降，提高性價比。這樣才能最終為人們提供節(jié)能、環(huán)保、健康、舒適的LED照明環(huán)境。
