制造LED 芯片所用的衬底材料通常是高质量的蓝宝石或碳化硅、GaAs(砷化镓),是外延生长出各种复合半导体的晶种。当前,在GaAs 衬底上生长AlInGaP 是一项相对成熟的技术,预计未来GaAs衬底仍会是衬底材料可靠的选择。而蓝宝石衬底由于在大尺寸衬底上良好的性能,随着厂商不断努力向大尺寸衬底工艺发展,将逐步占据更大比重。
外延片生长是LED 制造的关键技术,目前普遍采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法实现。目前全球MOCVD的主要制造厂家为德国的AIXTRON公司和美国的VEECO公司,前者约占60%-70%的国际市场份额,后者占据30%-40%,日本Nippon Sanso生产的设备基本限于日本国内销售。
外延生长完成后,中游芯片设计和加工厂商根据LED性能需求进行器件结构和工艺设计,通过外延片扩散、金属镀膜,再进行光刻、热处理,形成金属电极;再将基板磨薄抛光后,切割为细小的LED芯片。
芯片封装即将芯片粘贴并焊接导线架,经由测试、封胶后,封装成各种不同的产品。白光LED 芯片还需要在密封胶内注入磷才能产生白光。原则上芯片越小、封装的技术难度越高。
封装后产品经过测试、分选,装配进分系统供照明器材使用。照明器材(如信号灯、屏幕、商用或民用照明设备)除LED芯片外,还包括其他光学器件、LED 驱动电路等。产品经过经销商销售,照明设计工程师、建筑师设计后,最终提供给终端用户使用。
LED 产业在全球已形成一套完整的产业链,中国台湾、日本、韩国的企业数量众多,主要集中在衬底、外延、芯片及封装领域。具备实力从事LED产业链上全业务的公司较少,主要是美国、日本及韩国的龙头企业。
在国内LED产业链中,中上游的外延片和芯片环节发展是相对滞后的“软肋”。LED外延片和芯片对技术要求较高,国内在这两方面同国际先进水平还有一定差距。目前国内外延片和芯片的产量有限,从事LED外延片生产的企业仅10家左右,LED芯片生产的厂商也不多。国产LED外延材料、芯片以中低档为主,80%以上功率型LED芯片、器件依赖进口,外延片产量仅能满足封装企业需求量的20%。
我国LED企业超过3000家,其中70%集中于下游产业,LED封装产品已达世界第一,技术水平和产品质量参差不齐。造成中国LED产业“中上游萎缩,下游膨胀”的主要原因是,目前LED的主流技术专利多为发达国家所控制,国内缺乏自主知识产权和核心技术,企业发展面临的专利风险日益加大,生产设备落后且科研成果产业化不顺畅。
LED产业发展的三大瓶颈
目前已投资数家LED企业的浙江华睿投资管理有限公司董事长宗佩民认为,中国LED产业还有几个障碍需要克服:
首先,要提高LED发光效率。LED灯具想要真正进入一般消费者家庭,需要将暖白光色系的LED发光效率提升到100lm/W(流明/瓦)以上,灯具成本可以下降25%,电费成本也将比传统灯泡更具成本优势。
其次,要解决散热问题。大功率LED对散热技术要求较高,环境温度达到一定高度时LED很快会产生光衰,导致LED寿命下降。只有解决大功率LED的散热问题,才能大面积推广大功率LED的应用。
此外,要降低LED价格。价格是直接影响LED照明普及速度的关键因素,虽然LED灯具的总成本(包括购置成本+能源成本+维护成本+废弃物处理成本)比白炽灯和荧光灯低,但消费者仍以购置成本为选择标准,并不太在意高品质或多功能特性。
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