我司提供优质LED照明产品:LED工矿灯、一体化太阳能路灯、LED球场灯、LED防爆灯和LED码头照明灯具。欢迎来电咨询TEL:0512-86865958;MOB:13584858883

苏州威斯华光电 LED工业照明设计、制造、应用服务商

一盏灯·一份信赖·一份责任
135 8485 8883

首页 >> 新闻中心 >> 行业新闻

国外白光LED技术与产业现状及发展趋势

摘   要:近年来,LED技术与产业发展迅速,成为半导体制造行业的最大亮点。从技术和产业两个大的方面介绍了国外LED的发展现状、特点和趋势。介绍了产业化的两种衬底外延技术——蓝宝石衬底和SiC衬底,然后介绍了近年来出现的几种芯片技术、几大公司的芯片技术特点、常用的封装技术及其发展趋势目标等,最后介绍了LED器件的实验室水平和商业化生产的水平以及低成本LED的发展,总结了LED的技术发展趋势。产业方面,主要介绍了LED生产线的分布、欧、美、日、韩等国的产业概况、公司封装产值排名及分析,最后总结了产业发展的特点与趋势。

关键词:白光LED;LED产业;衬底技术;芯片技术;封装技术

引言

LED产业自90年代以来在全球范围内迅速崛起并高速发展。美国、日本、欧盟、韩国、中国等国家和地区,纷纷把LED作为照亮未来的技术!,陆续启动固态照明计划,欲占领这一战略技术制高点。

对全球LED业者而言,眼前最大的商机是各国节能政策下,禁用白炽灯的替换潮。从2009年起,欧盟国家已开始禁用白炽灯。其它国家和地区也陆续在2010年~2012年开始禁用白炽灯。随着人们应对全球气候变暖的意识不断提升以及LED电灯价格的大幅下滑,LED电灯已经成为一个照明新宠,备受瞩目。如果将白炽灯替换成LED电灯,可以实现CO2减排90%,这是最简单且有效的节能减排技术。

1    技术发展现状及趋势

LED光电转换效率包括内量子效率和外量子效率两部分。内量子效率主要取决于外延材料的质量及外延层的结构。外量子效率则取决于芯片及封装技术。外量子效率=内量子效率×出光效率,目前,LED的内量子效率已接近极限100%,所以提高出光效率对提高外量子效率非常重要。

1.1   衬底及其外延生长技术

GaN基LED外延片和芯片技术,是白光LED的核心技术。用于GaN研究的衬底材料比较多,但是能用于生产的目前只有两种,即蓝宝石(Al2O3)和SiC衬底。其他衬底还处于研发阶段,离产业化还有一段距离。表1对5种用于GaN生长的衬底材料性能的优劣进行了定性比较。


QQ图片20180907135921.png


蓝宝石是现今最常用的衬底材料,其优点是稳定性很好,不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟,另外蓝宝石的机械强度高,易于处理和清洗。蓝宝石作为衬底的不足方面也很多,但基本上都被克服了。如与GaN之间的晶格不匹配数高达14%,为了获得晶体质量较好的GaN外延层,商业化生产采用的是两步生长工艺法。首先低温生长一层很薄的GaN和AIN作为缓冲层,再将温度调整到较高值生长GaN外延层。为了满足日益增长的市场需求,昭和集团(SDK)把MOCVD工艺和等离子辅助物理沉积(PPD)工艺相结合形成一种新工艺——“混合PPD工艺”。和传统的MOCVD工艺相比,生产效率更高,且形成的单晶GaN层的结晶品质有明显改善。利用这种新工艺,可以生产出优质4英寸(100mm)外延片。

当前大部分LED是在2英寸(50mm)蓝宝石衬底上制造的。但大部分欧美与韩国厂商已使用4英寸(100mm)MOCVD设备。市场预期一旦4英寸(100mm)外延片材料成本大幅崩落,2英寸(50mm)的MOCVD设备将逐渐被4英寸(100mm)所取代。6英寸(150mm)的MOCVD设备最近也开始进入LED芯片的制造用途。Aixtron与SemiLEDs在2009年合作开发出6英寸(150mm)蓝光LED芯片,产出增加约30%。不过现在的问题仍是6英寸(150mm)的晶圆价格偏高,必须降到每片约300美元时才有吸引力。 SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。

SiC衬底具有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等特点。目前国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国Cree公司。Cree表示在2009年已经开始生产4英寸(100mm)的晶圆。但是不足方面也很突出,制造成本较高,晶体质量不如蓝宝石和Si,机械加工性能比较差。

其他如Si,GaN,AlN,ZnO,LiAlO2等衬底材料虽然各有其特点,但因受工艺技术水平的限制,目前还未能进入产业化生产。但是实验室的研究却如火如荼,比如英国的RFMD公司已经在6英寸(150mm)Si片上生产出GaN外延,随着市场对LED需求的日益增长、工艺水平的提高,将会进一步推动这些衬底材料市场发展。

1.2   芯片制备技术

大功率LED芯片制备技术主要目的是提高出光效率,进而提高外量子效率。近年来一些新的技术手段已被用来提高外量子光效益,下面简单介绍几种。

(1)表面粗化技术:通过化学腐蚀等方法使外延表面形成某种光学微结构,来减少全内反射的光,从而提高出光效率,出光效率可提高65%,同时解决了漏电参数不稳定,重复性差的问题,实现了批量生产。

(2)倒装芯片技术:将蓝宝石一面作为出光面,较好地解决了电极挡光和蓝宝石不良散热问题,提高了散热效率,根据Lumileds公司的结果,出光效率约增加1.6倍。早期倒装在Si衬底上,2007年开始已倒装在陶瓷衬底上,进一步提高了出光效率。目前倒装技术成为大功率LED芯片技术的主流之一。

(3)氧化铟锡(ITO)透明电极:传统的NiAu合金电极对可见光的透过率仅为60%~70%,而ITO的透过率可达90%以上,因此利用ITO透明电极的高可见光透过率和低电阻是提高LED出光效率的有效途径之一。

(4)分布布拉格反射层(DBR)结构:布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构,它在有源层和衬底之间,能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面,极大地减小了光从衬底出射,从而增加光的外量子效率。此结构可以直接利用MOCVD设备进行生长,有很好的成本优势,目前已经应用于商业生产。 


(5)光子晶体:通过晶格构造的设计来人为控制光的传播,人工控制材料的折射率及其透射和反射特性,提高LED的出光效率。在光子晶体的加工工艺上,激光全息光刻和纳米压印技术适用于大面积制作,且生产效率高、成本低、工艺过程简单。电子束光刻和干法刻蚀相对较成熟,但有刻蚀速率、制作效率等方面的局限,适于实验室研究。Lumileds制作的光子晶体LED,出光效率高达73%,最高亮度是一般LED的2倍 。

(6)图形化衬底PSS技术:通过在蓝宝石衬底表面制作细微结构图形,能有效降低体内的位错密度,从而提高器件的内量子效率;而且图形化衬底能使原本在临界角范围外的光线通过图形的反射重新进入到临界角内出射,从而提高了出光效率。PSS衬底技术工艺简单、成本低廉、显著改善器件性能,成为现阶段大功率LED器件的首选衬底技术。

(7)薄膜技术:薄膜技术可以将金属层集成在LED内。这种“镜子”能将芯片内产生的光反射到LED顶部,并使光线从顶部射出,避免了光线或能量的损失,因而可大大提高LED的出光效率。薄膜结构芯片在发光效率、散热性和可集成性等方面有着传统芯片所不能比拟的优越性。从功率LED芯片技术的发展来看,薄膜结构芯片将会是未来照明级LED芯片技术发展的必然趋势。

此外还有衬底激光剥离技术(LLO)、三维垂直结构芯片、交流芯片等新结构和新技术,它们都给芯片带来了技术创新,这里就不再一一赘述了。 


QQ图片20180907135946.png


国际上主流的照明级LED芯片及器件制造商有着各自独特的外延和芯片技术路线。表2简要地介绍了几家主流公司的工艺技术路线。

1.3   封装技术

封装技术对LED性能起着至关重要的作用。LED的封装形式主要有支架式LED、SMD贴片式LED及功率型LED三大类。

支架式LED的设计已相对成熟,一般封装小功率LED器件。目前主要在衰减寿命、光学匹配、失效率等方面可进一步提高。

SMD贴片式LED具有体积小、发射角大、发光均匀性好、可靠性高等特点。常用于小功率和中功率LED器件。尤其是顶部发光TOP型SMD最受关注。SMD-TOP型主要用于背光源和部分照明,市场需求量增长很快。

功率型LED分为单颗1W和大功率LED组件。大功率白光LED封装一直是近年来的研究热点。目前功率LED封装结构的主要发展趋势是:尺寸小型化、器件热阻最小化、平面贴片化、耐受结温最高化、单灯光通量最大化。目标是提高光通量、光效、减少光衰、失效率、提高一致性和可靠性。功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求:一是封装结构要有高的取光效率;二是热阻要尽可能低。

目前的高亮度LED,光能转换效率还不到25%,因此封装的热管理技术拥有最大的改善空间,是最能够降低成本的地方。人们开发了许多改善热特性的低热阻封装结构和技术,如采用大面积芯片倒装结构,选用导热性能好的银胶和锡片焊,选用合适的基板材料及采用共晶焊接技术等方法,另外还有用于LED组件的散热技术如热管技术、采用均热板、将芯片封装在金属夹芯的PCB板上的结构等。

为提高取光效率,需要设计外加的反光杯与多重光学透镜等方式进行二次光学设计。

由于大功率LED随着功率的增加,组件的温度也会升高,传统的环氧树脂因无法承受这一高温而产生黄化。硅胶和硅树脂材料由于抗热和抗紫外线能力更强,不会产生感光层变黄和分层问题,并且具有良好的机械特性,透光率高,在大功率LED封装中得到广泛应用。目前的产品折射率已达到1.57。

1.4   LED的当前水平及发展趋势

(1)发光效率不断提高

从LED技术发展来看,欧美及日系厂商仍是重要竞争者。就技术水平而论,目前以美国Cree公司最为领先。2010年Cree公司的白光LED的实验室光效已提高到208lm/W,这是目前的最高水平。Cree公司于2009年第三季度开始量产目前业界最高水平(光通量达139lm、发光效率为132lm/W)的产品。预期一年内将开始量产161lm/W的高效能LED。2010年初Cree推出突破性照明级LED,亮度高达1500lm,光效75lm/W,采用了突破性的紧凑型12mm×13mm封装设计,是业内最小封装。大小只有与其相当的LED器件的28%。这是已经商业量产的产品  。Cree称2010 年将继续聚焦于照明和显示屏两大领域,每周将供应数百万颗100lm/W以上的LED器件。

欧司朗、Lumileds、日亚公司的白光LED光效都已经突破140lm/W,商业量产产品也都在100lm/W以上。LED的光效已是白炽灯的5倍以上。

首尔半导体的主打产品Acriche是世界上唯一可以在交流电源下无需直流交流转换器就能驱动的半导体光源,比直流LED更加节能和更具成本效益。2010年2月份实现了发光效率达100lm/W、使用寿命超过35000h的AcricheLED,4月已开始投入量产,同时发光效率超过150lm/W的LED也已研制成功。将在今年年底之前投入量产。

(2)成本不断下降

成本高是LED推广应用的障碍。产生1000lm的光通量,白炽灯的成本小于1美元,荧光灯的成本小于2美元。而LED光源产生1000lm的光能量,使用十颗大功率LED的成本超过了20美元。LED的成本问题是与LED技术层面瓶颈的解决紧密相连的。


QQ图片20180907140018.png


图1为DOE对白光LED成本的预测。预计到2015年白光LED的成本将可与荧光灯相当。

2009年7月前,LED电灯的市场价格每个不到1万日元(约748元)。但是随着夏普推出了售价4000日元(约300元)的LED电灯后,东芝照明、欧司朗等大型照明厂商都随之推出了4000日元价位的LED电灯。这一现象被称为夏普冲击。 2009年12月日本OrionElectric与Doshisha共同开发并上市的 “Luminous”系列,功耗为6.6W、总光通量为420lm、相当于60W白炽灯的产品售价2480日元;功耗为4.7W、总光通量为310lm、相当于40W白炽灯的产品售价仅1980日元,大幅实现了低价格化,其技术关键是配备了大量的小型LED封装。

综上所述技术发展的趋势为:(1)高功效技术的研发水平加快,LED器件水平已远远超过了 2008年美国能源局与日本JLEDS的预测。(2)成本急剧下降。技术创新步伐明显加快,推动LED照明实用化进程。

2    LED产业发展现状与趋势

2.1   产业概况

最近两年LED市场呈现出井喷式增长的势头。2009年底LED市场新增7条LED生产线,2010年和2011年光/LED生产线新增数量分别为5条和6条以上。这些新增计划主要集中在中国大陆和台湾地区,还有一些在日本、印度和俄罗斯。

SEMI对全球范围内的91条LED生产线和89条与光电器件相关的生产线进行了调查。结果显示,日本拥有的光电/LED生产线最多。拥有LED生产线的地区集中在中国台湾(占40%)、日本(占23%)和中国(占22%)。

根据LEDinside统计,2009年全球LED封装厂的产值总合达到80.5亿美元,相较2008年增长5%。日本的产值仍以33%居冠,中国台湾厂商以17%排名第二。而韩国则由2008年的9%窜升到2009年的15%,位居全球第三 。

日本LED产业结构,除具有完整产业链外,在关键材料的供给上,如外延、荧光粉、封装材料等也都握有重要技术并为其他国家所望其项背。日本LED产业多聚集在高附加值产品上,例如笔记本电脑的LED背光源使用的侧发光LED晶片,对亮度、均匀性、稳定性等都有较高要求,再加上本身专利保护,能使产品维持在较高的单价。

韩国LED产业在上游衬底及荧光粉两项关键材料方面基础较弱,擅长于外延和封装制造。韩国在大尺寸背光领域发展较快,拥有全球最大的面板产能与品牌出海口。主要企业有三星、LG和首尔半导体等。前两者之产能多仅供集团内使用,较具外销规模者仅首尔半导体。

相较于亚洲厂商多注重在量产规模,欧美系LED厂商则在多方面布局,例如技术发展、产品开发或垂直整合等方面。欧美系LED厂商的量产规模不比日本、中国台湾,却掌握部分LED的关键技术,在众多LED专利上都有完整的布局。尤其是几大国际厂商-Osram,Philips以及Cree等不但拥有完整的产业供应链,在LED照明产业,更是全球前五之内。


QQ图片20180907140044.png


表3是2009年全球高亮度LED封装厂产值排名,资料来源于LEDinside。

全球LED最大生产商日本的日亚公司近几年一直是LED封装产值冠军,如表4所示,2009年仍居全球第1名。它有完整的LED产业链。产量的70%为白光LED。同时,它还是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化厂商。它的荧光粉生产在全球占36%的市场份额。日亚公司新增的LED生产线2012年初将投入使用,届时日亚的LED产量将增加3倍。

引人注目的是三星LED,从2008年的10名以外升到2009年的第4名,成为全球成长最迅速的 LED厂商。这主要得益于大尺寸背光源市场。基于国内市场对LED背光模块强劲需求,公司计划增加50台MOCVD设备,预计至2010年底公司的MOCVD设备总量会达到150台。

2.2   产业发展的特点与趋势

(1)全球产业格局呈垄断局面,企业集中度高,高端产品市场被少数国际公司占据,LED产业已形成以美国、亚洲和欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。

(2)国际知名厂商间合作步伐加快,以占据有利市场地位。 随着LED产业分工与竞争的加剧,国际大厂间的参股投资、代加工、代理销售、专利交互授权、策略联盟等合作步伐正日益加快。如日本住友电工成为美国Cree在日本的销售总代理、Cree和Osram签署长期供货协议,Nichia引进中国台湾OptpTech的投资等,国际厂商的合作步伐正在加快,形成互惠互利的联盟,共同占据有利市场地位。

(3)新兴市场不断形成,持续推动产业规模增长。 随着LED发光效率与性能的提升与改善,LED已从指示灯、手机背光、交通信号灯等成熟应用领域,逐步向中大尺寸LCD背光、汽车、照明等新兴应用市场渗透应用。

(4)传统照明巨头继续加大产业投资,垂直整合加速形成LED照明体系。

LED国际知名公司的布局仍然朝着一个目标前进,就是从LED晶片、封装,乃至于到应用端做整合,加强LED元件与终端应用产品的整体竞争优势。传统照明巨头Philips,Osram,GE等纷纷看好LED照明发展前景,均已通过外部收购或内部培植组建LED照明业务公司,并已形成LED与照明技术的垂直整合的优势体系。

3    结语

近年来白光LED技术和市场都呈加速发展之势,随着LED光效的提高、成本的降低,在不远的将来,LED必将取代传统的白炽灯、荧光灯和卤素灯成为照明的新型光源,并且随着其应用领域的扩大,LED市场的竞争也必将更加激烈。合可串联多个二极管,或者使用并联结构。

成品的外形尺寸为64mm×37.5mm,目前已得到公司的规模生产。

4    结论

从以上分析及对实物的测试可见,采用对均匀传输线加载电纳的补偿方法可以得到平坦的相移。使用最新的对PIN二极管的研究结果建立其非线性模型,使用金丝的实际测量得到的S参数,充分利用现代EDA软件,在设计阶段经过仔细的优化可以得到与实际非常接近的仿真结果,这样极大地减少了后期调试工作。在高低温环境下的测试表明该移相器有着很好的一致性。


该方法同样适用于其它产品的设计,同时也为射频微波混合集成电路的设计提供了一种思路。






联系我们
  • 电话:  +86 (512) 8686 5958
  • 传真: +86 (512) 8686 5978
  • 邮箱: eric@szwellsun.com
  • QQ邮箱:
  • 服务电话: 135 8485 8883
  • 地址: 苏州工业园区仁爱路150号

Copyright @ 苏州威斯华光电有限公司保留所有权利