LED“兩高一低”需綜合解決方案

 　　當前半導體照明產(chǎn)業(yè)的技術發(fā)展目標是徹底解決“兩高一低”的技術問題，即高能效、高質量(含光色質量和可靠性)、低成本的技術。只有很好地解決這些技術問題，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"的技術問題，應從產(chǎn)業(yè)鏈的主要部分，即襯底、外延、芯片、封裝和應用等方面提出解決方案。

　　襯底、外延、芯片技術不斷突破

　　全球外延、芯片企業(yè)有142家，我國投產(chǎn)36家，籌建25家。全球現(xiàn)有MOCVD約2800臺，我國有700多臺，投產(chǎn)400臺左右。2011年全球芯片產(chǎn)量820億只，2012年預計將達950億只，芯片產(chǎn)能過剩35%。目前，白光的實驗室光效可達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，藍光光效達到300lm/W，紅光光效達240 lm/W，綠光光效達160lm/W。

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

　　在8英寸的Si襯底上生長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)設備、簡化工藝流程，將大幅度降低成本。同時，Aixtron推出以Si為襯底的外延爐，可嚴格控制彎曲度，均勻一致生產(chǎn)。這無疑將推動在8英寸的Si襯底上生長外延的進程，并可大幅度降低成本。

　　日本礙子公司的新外延技術由于大量減少位錯密度，極大提高了LED性能指標，取得了突破性進展。

　　在芯片結構方面，已出現(xiàn)多種新結構，較典型的是六面體發(fā)光芯片，并采用多面表面粗化技術，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的六角棱錐結構技術做出的LED，可實現(xiàn)半極性、非極性生長GaN，散熱好、晶體質量好，實現(xiàn)了多色光的白光LED，取得突破性進展。

　　據(jù)有關報道，綜合來看，許多外延、芯片的重大技術創(chuàng)新，大部分是針對提高性能和降低成本的關鍵技術問題，所以有機構專家分析預測，未來10年外延成本將以每年25%的速率降低。

　　綜上，由于GaN外延、芯片技術的不斷突破，采用不同襯底、新結構和納米級技術等，可生長低位錯的GaN，并做出高光效LED。在沒有波長轉換時，其光效可超過300lm/W(理論值可達400lm/W);采用熒光粉波長轉換時，光效可超過200lm/W(理論值可達263lm/W)，還可開拓單芯片發(fā)多色的新技術路線。同時，采用新技術和大圓片技術生長外延，可大幅度降低外延、芯片的制作成本。

　　模塊化標準封裝成發(fā)展方向

　　我國LED封裝技術近幾年取得很大進展，總體封裝水平與國外相差很小，甚至相當，但關鍵封裝材料還要進口。2011年，全球封裝器件產(chǎn)值為125億美元，增長率為9.8%，另有報道產(chǎn)值為112億美元和137.8億美元，但是由于這些機構對中國封裝產(chǎn)業(yè)估算不足(小于10億美元)，所以全球封裝產(chǎn)值實際應該是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、首爾半導體、科銳、飛利浦、夏普、豐田合成、億光等，占全球市場68%。我國封裝器件產(chǎn)值約250億元，產(chǎn)值在1億元以上的企業(yè)超過40家，器件光效為120～130lm/W，采用進口芯片，可達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復合材料、DMS高導材料、各種陶瓷材料、熒光粉涂覆工藝以及新的封裝結構等，均取得很大進展。

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

　　同時，將芯片、驅動、控制部分、散熱、零件等封裝在一起形成模塊，進行標準化生產(chǎn)的模塊化標準封裝LED產(chǎn)品成為半導體照明光源的發(fā)展方向。Zhaga聯(lián)盟已為此制定十多項標準草案，主要是光引擎界面接口標準，包含物理尺寸、光學、電氣和熱特性等。

　　有專家預測，由于采用直接共晶焊接和模塊化標準封裝技術，再過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)有關報道，由于外延、芯片大幅度降低成本，封裝采用新技術，也會進一步降低成本。所以有機構預測，近幾年LED器件價格將以平均20%的速率降低。

　　綜上，封裝技術采用新結構、新工藝和納米級技術等，取得了突破性進展，將來有可能采用替代熒光粉的封裝技術，在照明領域采用模塊化封裝，不需要對LED單獨封裝，不同應用場合可能采用不同封裝技術的產(chǎn)品。因此器件成本將大幅度下降，企業(yè)要有承受能力。

　　照明應用市場前景看好

　　隨著LED性能的不斷提高，LED照明應用的范圍不斷拓展，促進了半導體照明產(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40%，市場前景看好。

　　能效方面，雖然目前理論值可達56%，但實際總能效只有20%～30%。要實現(xiàn)總能效達50%以上，需解決的技術問題還很多，難度也很大。壽命方面，LED芯片壽命可達幾十萬小時，器件可達5萬～10萬小時。能源之星燈具V1.0技術規(guī)范規(guī)定，集成LED燈具壽命要求為1.5萬～2.5萬小時。舒適性和安全性方面，相關標準也均在制定中。

　　在LED照明時代，企業(yè)應充分發(fā)揮LED照明優(yōu)勢，對傳統(tǒng)照明燈具進行全面改造和創(chuàng)新。加大力度設計新燈具，如嵌入式照明、平面照明、條形燈、柔性光源、藝術燈等等，讓照明環(huán)境更柔和、舒適、個性化。

　　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)適用于特定場所藝術照明。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，旨在推動照明無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實施。通過智能數(shù)字化控制，將實現(xiàn)照明的個性化、舒適性、調光、調色、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光源可應用于植物生長、畜禽養(yǎng)殖、害蟲防治等。發(fā)達國家和主要LED企業(yè)均已介入該領域的應用。

　　綜上，LED照明產(chǎn)品的最終能效目標將達50%以上，光源質量要達到舒適性、安全性的標準要求，LED照明燈具要全面創(chuàng)新，適應現(xiàn)代LED照明需求，開展智能控制系統(tǒng)應用將是照明的方向。另外，要重視LED燈具在非照明領域的應用。