LED“高能效、高质量、低成本”亟需综合解决方案

    当前半导体照明产业的技术发展目标是彻底解决“两高一低”的技术问题，即高能效、高质量(含光色质量和可靠性)、低成本的技术。只有很好地解决这些技术问题，才能为人们提供节能、环保、健康、舒适的照明环境。解决"两高一低"的技术问题，应从产业链的主要部分，即衬底、外延、芯片、封装和应用等方面提出解决方案。

    衬底、外延、芯片技术不断突破

    全球外延、芯片企业有142家，我国投产36家，筹建25家。全球现有MOCVD约2800台，我国有700多台，投产400台左右。2011年全球芯片产量820亿只，2012年预计将达950亿只，芯片产能过剩35%。目前，白光的实验室光效可达254 lm/W，产业化为140～150 lm/W，最近Cree推出了160lm/W的产品。同时，蓝光光效达到300lm/W，红光光效达240 lm/W，绿光光效达160lm/W。

    图形化衬底(定向、纳米)和半极性、非极性衬底方面，通过改进工艺、简化流程、节省原料、降低成本等取得了很好的成果;同质外延方面，可采用多种方法生产GaN衬底，并在GaN衬底上生长GaN的LED，极大减少了MO源和高纯气体用量，有人预测可降低成本50%。

    在8英寸的Si衬底上生长GaN，全球有多家公司已投入研发，由于可用现有多余的生产设备、简化工艺流程，将大幅度降低成本。同时，Aixtron推出以Si为衬底的外延炉，可严格控制弯曲度，均匀一致生产。这无疑将推动在8英寸的Si衬底上生长外延的进程，并可大幅度降低成本。

    在芯片结构方面，已出现多种新结构，较典型的是六面体发光芯片，并采用多面表面粗化技术，减少界面反射，提高光萃取率，从而提高外量子效率。三星公司采用纳米级的六角棱锥结构技术做出的LED，可实现半极性、非极性生长GaN，散热好、晶体质量好，实现了多色光的白光LED，取得突破性进展。

    据有关报道，综合来看，许多外延、芯片的重大技术创新，大部分是针对提高性能和降低成本的关键技术问题，所以有机构专家分析预测，未来10年外延成本将以每年25%的速率降低。

    综上，由于GaN外延、芯片技术的不断突破，采用不同衬底、新结构和纳米级技术等，可生长低位错的GaN，并做出高光效LED。在没有波长转换时，其光效可超过300lm/W(理论值可达400lm/W);采用荧光粉波长转换时，光效可超过200lm/W(理论值可达263lm/W)，还可开拓单芯片发多色的新技术路线。同时，采用新技术和大圆片技术生长外延，可大幅度降低外延、芯片的制作成本。

    模块化标准封装成发展方向

    我国LED封装技术近几年取得很大进展，总体封装水平与国外相差很小，甚至相当，但关键封装材料还要进口。2011年，全球封装器件产值为125亿美元，增长率为9.8%，另有报道产值为112亿美元和137.8亿美元，但是由于这些机构对中国封装产业估算不足(小于10亿美元)，所以全球封装产值实际应该是160亿美元左右。世界排名前十的封装企业为日亚、三星、欧司朗、LG、首尔半导体、科锐、飞利浦、夏普、丰田合成、亿光等，占全球市场68%。我国封装器件产值约250亿元，产值在1亿元以上的企业超过40家，器件光效为120～130lm/W，采用进口芯片，可达140～150lm/W。

    为提高出光效率、封装可靠性及降低成本，业界采用SMC复合材料、DMS高导材料、各种陶瓷材料、荧光粉涂覆工艺以及新的封装结构等，均取得很大进展。

    新型荧光粉、石墨烯散热、量子点等新技术不断涌现。我国自主创新的多种COB新结构具有很多优点，并可降低10%～30%的成本。目前，COB光效已可达130～150lm/W。

    同时，将芯片、驱动、控制部分、散热、零件等封装在一起形成模块，进行标准化生产的模块化标准封装LED产品成为半导体照明光源的发展方向。Zhaga联盟已为此制定十多项标准草案，主要是光引擎界面接口标准，包含物理尺寸、光学、电气和热特性等。

    有专家预测，由于采用直接共晶焊接和模块化标准封装技术，再过5～10年，将不再需要LED封装企业专门封装LED照明器件，而是由照明企业一起封装及组装。

    据有关报道，由于外延、芯片大幅度降低成本，封装采用新技术，也会进一步降低成本。所以有机构预测，近几年LED器件价格将以平均20%的速率降低。

    综上，封装技术采用新结构、新工艺和纳米级技术等，取得了突破性进展，将来有可能采用替代荧光粉的封装技术，在照明领域采用模块化封装，不需要对LED单独封装，不同应用场合可能采用不同封装技术的产品。因此器件成本将大幅度下降，企业要有承受能力。

    照明应用市场前景看好

    随着LED性能的不断提高，LED照明应用的范围不断拓展，促进了半导体照明产业的快速发展。2012年全球照明总产值为1400亿美元，其中LED照明占11%，为154亿美元。2011年我国LED照明灯具产量为1.8亿只，其中球泡灯占47.4%、射灯占22.8%、直管灯12.1%、筒灯7.3%。2012年前三季度LED灯具出口增长40%，市场前景看好。

    能效方面，虽然目前理论值可达56%，但实际总能效只有20%～30%。要实现总能效达50%以上，需解决的技术问题还很多，难度也很大。寿命方面，LED芯片寿命可达几十万小时，器件可达5万～10万小时。能源之星灯具V1.0技术规范规定，集成LED灯具寿命要求为1.5万～2.5万小时。舒适性和安全性方面，相关标准也均在制定中。

    在LED照明时代，企业应充分发挥LED照明优势，对传统照明灯具进行全面改造和创新。加大力度设计新灯具，如嵌入式照明、平面照明、条形灯、柔性光源、艺术灯等等，让照明环境更柔和、舒适、个性化。

    在智能数字化控制方面，室内智能照明系统适用于商业照明、家居照明;室外智能照明系统适用于景观照明、公共建筑和道路系统照明;专业智能照明系统适用于特定场所艺术照明。全球互联照明联盟于2012年9月由6家照明巨头(飞利浦、欧司朗、松下、东芝、GE、Lutron)发起成立，旨在推动照明无线网络控制系统实施。通过智能数字化控制，将实现照明的个性化、舒适性、调光、调色、二次节能等，是照明系统发展的方向。

    在发展生态农业方面，LED光源可应用于植物生长、畜禽养殖、害虫防治等。发达国家和主要LED企业均已介入该领域的应用。

    综上，LED照明产品的最终能效目标将达50%以上，光源质量要达到舒适性、安全性的标准要求，LED照明灯具要全面创新，适应现代LED照明需求，开展智能控制系统应用将是照明的方向。另外，要重视LED灯具在非照明领域的应用。<