硅衬底LED技术现状、应用情况及趋势展望
发布日期:2018-12-29        



 

1.背景:

 

目前LED光源器件的总体发展概况:硅衬底LED近年发展及对LED光源器件产业的影响。

 

LED产业在过去近10年的发展突飞猛进,LED光源器件的性能呈台阶式上升且成本在不断下降,大部分光源领域基本上都被LED所取代。LED作为第四代光源,已经广泛应用在户内外照明、汽车照明、液晶背光、景观照明、移动照明等领域。随着人们消费理念的升级,在一些特殊照明领域,高品质光源逐渐显现出竞争力。高品质光源的特点是:发光角度小、光斑均匀且照度高。硅衬底LED因单面出光、方向性好、光品质好等特点在高品质光源市场受到不少关注。

 

那么,目前硅衬底LED技术、市场现状以及未来发展趋势究竟如何呢?

 

2.概述目前硅衬底LED的整体技术现状

 

在硅衬底上生长GaN材料面临着两大技术挑战。第一,硅衬底和GaN之间高达~17%的晶格失配使得GaN材料内部位错密度偏高,影响发光效率;第二,硅衬底和GaN之间高达~54%的热失配,使得GaN薄膜在高温生长完降至室温后容易龟裂,影响生产良率。因此,硅衬底和GaN薄膜之间的缓冲层生长极其重要,缓冲层起到降低GaN内部的位错密度、缓解GaN龟裂的作用。很大程度上,缓冲层的技术水平决定了LED的内量子效率和生产良率,是硅衬底LED的重点和难点。截至目前,经过产业界、学术界各方巨资研发投入,这个技术难关已经基本被攻克。

 

硅衬底会强烈吸收可见光,因此GaN薄膜必须转移至另一个衬底上,转移之前在GaN薄膜和另一个衬底之间插入一层高反射率的反射镜,使得GaN发出的光不被衬底吸收。经衬底转移后的LED结构在业界称为薄膜(Thin-Flim)芯片。薄膜芯片电流扩散、热传导和光斑均匀性等方面相比传统正装结构芯片有优势。

 

3.硅衬底LED优势

 

技术上主要表现在:衬底材料成本低;器件散热性好、寿命长;封装工艺简单,易于实现自动化生产;可用于大尺寸外延,提高生产效率,降低综合成本。

 

晶能光电生产的硅衬底LED技术芯片具有如下四大优势:

 

(一)具有原创技术产权:产品可销往国际市场,不受国际专利限制;

 

(二)具有优良的性能:器件散热性好、产品抗静电性能好,寿命长,可承受的电流密度高;

 

(三)器件封装工艺简单:芯片为上下电极,单引线垂直结构,简单化了封装工艺,节约了封装成本;

 

(四)在方向光和光品质等方面具有明显的特点和优势。

 

基于Si衬底芯片特性的封装技术特点:

 

1:结合Si衬底芯片背镀金锡工艺,封装中采用金锡共晶工艺,解决了从芯片到基板的散热瓶颈;

 

2:采用氧化铝、氮化铝陶瓷底板,将芯片推向更高的功率;

 

3:利用Si衬底芯片具有的单面发光,方向性光强,成功开发了在wafer片上涂覆荧光粉技术,实现了白光芯片。将此白光芯片封装成灯珠,此灯珠具有颜色一致性好,光斑均匀,非常适合移动照明市场;

 

4:因Si衬底具有吸光特性,为了解决此问题,将在芯片周围围上特殊的白胶,提升亮度;

 

5:根据不同的芯片尺寸,设计不同的lens,使产品亮度性能最大化;

 

6:开发了新一代的荧光膜片技术,优化了产品光斑、色区命中率及降低成本。

 

 

 

4.概述目前硅衬底LED的整体应用现状和市场概况

 

硅衬底LED是垂直结构,电流分布均匀且扩散快,适合大功率应用。由于是单面出光,方向性好,光品质好,所以特别适合汽车照明、探照灯、矿灯等移动照明、手机闪光灯以及光品质要求比较高的高端照明领域。

 

晶能光电硅衬底LED技术和工艺已然成熟,在硅衬底蓝光LED芯片领域继续保持领先优势的基础上,产品不断延伸至性能更高、附加值更高的白光LED芯片、LED手机闪光灯、LED汽车大灯、LED路灯、LED背光等需要方向光、高品质出光的照明领域,逐步确立了硅衬底LED芯片在细分行业的优势地位。

 

移动照明

 

移动照明市场所用的产品主要是利用Si衬底直涂白光芯片和陶瓷底板等物料,再利用精密的模具在底板上压膜一个设计好的lens,扩大出光率。根据不同的产品功率,可选择不同白光芯片尺寸和底板材质、尺寸来配合,通常有芯片有36mil、45mil、55mil、70mil等,底板有氧化铝、氮化铝之分。此类产品主要是要求照度、光斑均匀。在矿灯,手电等移动照明用灯领域,灯珠的销量居全球前列。

 

手机闪光灯

 

手机闪光灯市场所用的产品主要是利用Si衬底蓝光芯片和陶瓷底板尺寸为2.0x1.6,并利用静电喷涂工艺、特制的白胶、压膜胶等重要工艺做成的。此类产品非常适合用在手机闪光灯上,主要是除了在同等流明值下,中心照度比传统产品(蓝宝石衬底)高5%左右,且发光角度小外,另将在压膜层里添置扩散粉,使发光颜色更加均匀(如下图)。

 

目前,已大量应用在华为、中兴、联想、小米、魅族、360等品牌手机应用厂家,平均每个月有1000万台智能手机在使用晶能光电的LED手机闪光灯,出货量居国内前列。

 

 

 

后装车灯市场

 

后装车灯市场主要是追求亮度高,耐高温、通大电流等,所以用的产品主要是利用大尺寸Si衬底蓝光芯片与氮化铝陶瓷底板(尺寸为5.0x5.0)金锡共晶,并利用贴荧光膜或喷涂技术等重要工艺做成的。如公司产品XM2采用Si衬底80mil蓝光芯片,与5.0x5.0氮化铝陶瓷底板金锡共晶之后,在芯片上贴一层厚度为50um荧光膜,再压一个lens,最后进行测试、分选、贴带、入库。此产品最大可通3A电流,亮度>1000lm@3A下。再如公司产品HP-50,采用4颗Si衬底56mil蓝光芯片,与5.0x5.0氮化铝陶瓷底板金锡共晶之后,在底板上喷一层荧光粉,并芯片在周围围上白胶,最后压一个特别的lens来提供亮度。此产品可以兼顾电压6V或12V,最大可通3A电流,亮度可达2000lm。

 

 

 

在工业固化领域,传统的UV光源中的汞元素会严重污染环境,用UVLED取代汞灯的趋势已经不可逆转,硅衬底LED也在相应的扩大该领域的市场应用。

 

5.目前硅衬底LED尚存在的技术壁垒及攻克方法

 

如前文所述,尽管在硅衬底上生长GaN之前先生长缓冲层,然而由于硅衬底和GaN材料之间的晶格失配实在太大,导致GaN内部的位错密度仍然偏高。这些位错是电子和空穴的非辐射复合中心,影响LED的内量子效率。尤其是在高温下,非辐射复合几率显著增大。为了攻克这个技术壁垒,需要从设备制造、衬底制备和生长工艺等方面多管齐下,找到一套解决硅衬底LED的最有效方案。

 

6.硅衬底LED的发展趋势预测

 

提高光效,降低成本或者说性价比是LED行业永恒不变的主题。硅衬底薄膜芯片必须封装之后才能应用,封装的成本占据了LED应用成本较大一部分。跳过传统封装,直接在晶圆上做好封装器件,也就是说在晶圆上做芯片级封装(chipscalePackage,CSP)可以跳过封装端,直接从芯片端进入应用端,可以进一步降低LED的应用成本。CSP是硅上GaN基LED的前景之一。国际大公司如东芝和三星都报导过用硅衬底LED做CSP,相信不久的将来就可以在市场上看到相关产品。

 

近几年,LED行业的另一个热点是MicroLED即微米级LED。MicroLED的尺寸在几微米到几十微米,几乎和外延生长的GaN薄膜厚度在一个级别。在微米级的尺寸,GaN材料可以不需要支撑,直接做成垂直结构的体GaNLED。也就是说在制备MicroLED的过程中,生长GaN的衬底是必须去除的。硅衬底LED的一个天然优势是硅衬底仅通过化学湿法腐蚀就可以去除,去除衬底的过程中不会对GaN材料有任何冲击,可以确保良率和可靠性。从这个角度来看,硅衬底LED技术在MicroLED领域势必会有一席之地。

 

7.典型企业简介:晶能光电

 

 

晶能光电自成立以来,一直从事硅衬底LED外延材料、芯片及器件、下游应用产品的研发、生产、销售等服务,于全球率先实现硅衬底LED芯片的量产,具有材料成本低、性能好、可大尺寸规模化制造等优势。其自主创新的硅衬底LED技术荣获2015年国家技术发明奖一等奖,打破了日本蓝宝石衬底技术和美国碳化硅衬底技术垄断半导体照明技术的局面,已成为全球第三条蓝光LED技术路线。这项技术的创新从源头上避开了国外的专利壁垒,现在已经申请或拥有340多项专利,包含国际专利47项,分布在美国、欧洲和日本韩国等主要工业国家,有效抵御了国外专利诉讼,建立了具有自主知识产权的产品品牌,打开了LED产品出海口的通路,为全球消费者提供全方位的高端LED照明产品和解决方案。


来源:阿拉丁照明网
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