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芯片外延技术LED的新趋势与新挑战(一):更低的成本

半导体照明具有耗电量少、寿命长、无污染、色彩丰富、耐震动、可控性强等特点,是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命,至今已经走过数十年的发展历程。不过2010年随着其应用市场逐渐从指示灯、手机背光、显示屏、电视背光、景观照明扩展至功能性照明——潜力最大、前景最为广阔的市场空间,半导体照明的技术方向、产业结构、市场形态必然发生一系列变化,增速加快,整合加剧,未来十年有可能成为行业发展最为关键的时期。

半导体照明具有耗电量少、寿命长、无污染、色彩丰富、耐震动、可控性强等特点,是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命,至今已经走过数十年的发展历程。不过2010年随着其应用市场逐渐从指示灯、手机背光、显示屏、电视背光、景观照明扩展至功能性照明——潜力最大、前景最为广阔的市场空间,半导体照明的技术方向、产业结构、市场形态必然发生一系列变化,增速加快,整合加剧,未来十年有可能成为行业发展最为关键的时期。

更低的成本

“2010年是LED进军功能性照明市场的元年。”这句话可算是“第七届中国国际半导体照明展览会暨论坛(CHINASSL2010)”中各方嘉宾、代表谈论最多的一个话题。但是,毕竟只是市场元年,LED无论在市场的渗透率、消费者的认知度,产品的质量和丰富程度上都存在大量不成熟的地方,其中最为关键也是代表最为关心的就是价格和成本问题。半导体照明产业要想走向成熟,成为功能性照明市场的主流技术,走向家庭、走向办公场所、走向每一个人,必须克服成本问题。正如首尔半导体照明事业部技术总监WonkukSon所指出的:“如果要想加大LED照明的市场渗透率,最重要的一点就是设法降低生产成本,降低产品价格。因为消费者只能接受适当价格的产品,而现在LED灯的价格还是太高。”

对于成本下降,设法寻求重大技术突破无疑是一种有效的方式,这也是数十年来LED行业一贯的做法。然而随着LED技术逐渐发展到一个相对成熟的阶段,技术、工艺已经走向实用化的阶段,再想取得重大技术突破,可能性存在,但并不容易。因此像集成电路产业那样,通过生产工艺的改进,自动化的控制,生产规模的扩大,走一条渐进式的发展道路已成为本次论坛各方业者主要探讨的议题。从产业链的各个环节都可看到业者致力于成本降低的努力。

台湾晶元光电股份有限公司总经理特助王希维就在会议中重点强调了“流明每美元”的概念,并指出“流明每美元”也像“流明每瓦”一样,是一个非常重要的标准——用于衡量成本。而“500流明每美元”则是一个关键性的指标,达到这个门槛有望使LED照明在市场上的渗透度迅速提升。鉴于亚洲公司强大的生产能力,王希维预测2012年就有可能达到500流明每美元的目标。

对于如何进一步提高LED芯片的光效,国家半导体照明工程研发及产业联盟国际专家小组成员、美国加州大学圣芭芭拉分校UCSBSSLEC实验室首席科学家、蓝光LED之父中村修二表示,固态照明的光效目标是在2015年达到250lm/W,而粗化、半透明的基层等技术是改善光效的主要方法。韩国大学材料科学与工程学院Se-YeonSeong博士也指出采用高反射率和高热稳定性的银镍合金(镍组分为55%)代替银制作高性能GaN基倒装结构LED可以有效地提高光萃取效率,20mA电流下的发光功率可以提高5%。

美国科锐公司执行副总裁暨首席运营官SteveKelley表示,降低LED成本,提高光的萃取效率,提高芯片光效固然是重要的方式,加大外延片尺寸,扩大产能也是业界目前主要采取的方式之一。SteveKelley预测现在实用化的LED外延片尺寸已经达到4英寸,2011年部分公司将会推出6英寸的产品。

对于外延尺寸扩大的趋势,德国爱思强公司研发副总裁MichaelHeuken从设备角度给予了更好诠释:“我们可以看到市场需求在不断推动企业扩大外延尺寸,现在的主流外延片尺寸是2英寸,也有4英寸的产品投入生产,一些公司开始考虑应用6英寸的产品,在大会上我们甚至听到一些公司在讨论着手设计8英寸的产品。”而应对外延片扩大化的趋势,爱思强公司的解决方案是开发一系列的自动化技术,比如涂布技术、温度管理技术等。以涂布技术为例,如果能开发出适用的喷头,将可有效应对4英寸、6英寸、8英寸等大尺寸化的生产需求。温度的管理技术也非常重要,它有助于增加外延片的一致性,对大尺寸外延片的生长做到更好的控制。

晶科电子董事总经理肖国伟在回答记者提问时,从器件层面阐述了降低成本的思路:“在LED芯片发光效率持续提升的情况下,我们认为当它超过150lm/W以后,系统性地降低LED照明器件整体成本的重要性已经远远大于把芯片的光效从150lm/W提升到160lm/W。借鉴超大规模集成电路的生产方式,通过提供封装好的芯片,包括晶科在市场上系统化推动的集成芯片、模组芯片,可以有效降低整个LED光源和系统的成本。在高端照明应用中,目前还是以一种分立器件的单芯片模式和单芯片封装的模式在进行,但是随着LED性能的逐步提升,单一芯片封装模式的成本已经越来越接近极限,模组化芯片成为主流发展方向。”

ACLED和HVLED的开发也是本届大会中企业降低成本的重要方向,首尔半导体、晶电、晶科等多家公司都重点谈到了这一产品的开发与前景。ACLED技术是不使用额外(芯片以外)的交直流转换及整流电路,改为搭配限流电阻的方式直接以交流电驱动LED,避免了使用恒定直流电源造成的效率损失、较大尺寸、复杂结构以及寿命限制。由于它舍弃了传统上的恒压恒流电源,去除了多余的电子零件,从而降低了成本,在LED灯具小型化、可靠性及延长工作寿命领域取得了较大的成功。

王希维指出,从晶元已经量产的45milx45mil蓝光LED芯片看,HVLED芯片的光效比ACLED芯片的效率高20%。想要生产1000流明LED模块,需要6.6W@150lm/W,要想达到这个指标有两种实现方式:大电流低电压的驱动方式(2A@3.3V)和小电流高电压的驱动方式(30mA@220V)。对于LED和电源转换器的效率而言,低电流比高电流要容易很多,且高压驱动下电流减小,散热问题将得到好的解决。

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