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半導(dǎo)體光器件與照明工程技術(shù)研究中心建設(shè)項目可行性研究報告-在線瀏覽

2025-04-30 21:50本頁面
  

【正文】 成能力方面的先天缺陷影響了產(chǎn)品的創(chuàng)新性開發(fā)。目前由于絕大多數(shù)企業(yè)害怕承擔(dān)投資風(fēng)險以及確實存在經(jīng)濟實力等原因,直接影響了科研成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn),各級政府應(yīng)從政策和資金 上加大這方面的投入。 該領(lǐng)域當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 RGB 三基色技術(shù)和大功率白光技術(shù)是當(dāng)前半導(dǎo)體光器件與照明應(yīng)用研究的熱點,也是最主要的難點所在。因為 三色組合作為在技術(shù)上最單純的白光實現(xiàn)方法卻遲遲無法商業(yè)化,最 主要的原因就在于 三色 LED 的半導(dǎo)體材質(zhì)彼此差異極大,具體表現(xiàn)為驅(qū)動電壓相差大、三色發(fā)光波長半幅值狹窄、及個別單色 LED 的劣化將導(dǎo)致發(fā)光色不純或不均勻。因為大功率 LED都必須在極小的封裝中處理極高的熱量,若 散熱不理想 ,除了各種封裝材料會因為彼此間膨脹系數(shù)的不同而有產(chǎn)品可靠度的問題外, 芯片的發(fā)光效能也會隨著溫度的上升而明顯下降,并造成壽命縮短 ,同時更高的溫度負(fù)載還會帶來色移問題 。 目前 ,獲取白光的途徑大約有三種,即光轉(zhuǎn)換型、多量子阱型和多色組合型。其次是日 本住友電工開發(fā)的以 ZnSe 為材料的白光 LED,不過發(fā)光效率稍差。多量子阱型是在芯片發(fā)光層的生長過程中摻雜不同的雜質(zhì)以控制結(jié)構(gòu)不同的量子阱 ,通過不同量子阱發(fā)出的多種光子復(fù)合直接發(fā)出白光。該方法的優(yōu)點是可以提高發(fā)光效率、降低成本、降低封裝及控制電路的難度,但工藝控制過程的技術(shù) 難度相對較大。而每一顆白光 LED 的顏色更不盡相同。而利用藍(lán)光芯片配上黃光熒光粉的白光 LED 技術(shù),更有白光色溫偏高、演色性偏低等問題。 UV LED 配上三色( R、 G、 B)熒光粉提供了另一個 研究 方向。這樣的方法因為 UV LED不實際參與白光的配色,因此 UV LED波長與強度的波動對于配出的白光而言不會特別的敏感。而在專利方面,利用 UV LED+ RGB熒光粉相關(guān)的研發(fā)仍有相當(dāng)?shù)陌l(fā)揮空間。 項目組建后對我省相關(guān)行業(yè)的重要意義 結(jié)合國內(nèi) 半導(dǎo)體光器件與照明 產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的實際,再借鑒臺灣的發(fā)展模式,本項目 重點在于對應(yīng)用于半導(dǎo)體照明的核心 LED 器件 封裝 13 研究并著力于產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化 ,對于提升 我省乃至 我國 半導(dǎo)體照明 產(chǎn)業(yè)地位,進(jìn)而向上下游延伸和發(fā)展具有重大作用和意義。我國發(fā)展 半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè) , LED封裝是突破點。在這個問題上,我公司作為目前國內(nèi)企業(yè)中最大的 LED 晶片采購和使用廠家有著很多實際的體會,這種論斷忽視了或者說故意回避了除實驗室技術(shù)外兩個最重要的 問題,一是產(chǎn)業(yè)化水平的問題,二是國外機構(gòu)和企業(yè)對未產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)做技術(shù)儲備和保密的問題,這兩點其實在 LED 發(fā)展的每一階段都在印證,從黃、紅、綠晶片到藍(lán)晶片到白光技術(shù)到 SMD 技術(shù)再到功率管技術(shù)等等,技術(shù)上落后美國日本、產(chǎn)業(yè)化水平落后臺灣都有六、七年甚至十年以上的差距。 從 LED 封裝突破進(jìn)而全面發(fā)展 LED,在國際上有成功范例,同時也是我國發(fā)展 LED 的必由之路。 對于我國 LED 業(yè)發(fā)展而言,因為上游 LED 芯片業(yè)需要高度專業(yè)化和團隊化的人才積淀、以及很高 的市場風(fēng)險承受能力;同時下游的應(yīng)用由于絕大部分技術(shù)含量較低或技術(shù)側(cè)重點不同,在封裝業(yè)發(fā)展良好的基礎(chǔ)上,會有很自然的發(fā)展,這其中行業(yè)規(guī)范倒是一個重點,另外部分關(guān)鍵技術(shù) , 如面向普通照明的燈具開發(fā)和設(shè)計 , 形成一定的自主知識產(chǎn)權(quán)也很重要;所以,以發(fā)展較成熟的封裝產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)進(jìn)而向上游延伸就是最可行的發(fā)展思路。 ( 2) 項目實施有利于我國 半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè) 發(fā)展首先在 LED 封裝方面做大 做 強 國內(nèi)的封裝同類企業(yè)已有約 400 家,產(chǎn)業(yè)布局上非常分散。這個業(yè)績約占國內(nèi)本土封裝企業(yè)(不含國內(nèi)臺商獨資企業(yè))總業(yè)績的 8%左右 ,居國內(nèi)同業(yè)首位。同時,在封裝技術(shù)上定位于消化吸收國際最新的產(chǎn)業(yè)化技術(shù),如目前實施的白光 LED、功率管、 SMD功率管、一體化太陽能半導(dǎo)體照明燈 生產(chǎn)線等,建設(shè)國內(nèi)規(guī)模最大、裝備最先進(jìn)、自動化程度最高、器件序列化程度最好的研發(fā)和生產(chǎn)基地,積極參與國際競 15 爭,這是做強。在上游芯片方面,公司的策略是分階段切入,計劃在 2021年完成第一條芯片切割線的 建設(shè)(月產(chǎn) 50KK),視項目進(jìn)展再決定是否擴大規(guī)模及在何時機進(jìn)入 LED 外延生長領(lǐng)域。同時,本項目的實施,將為下游應(yīng)用行業(yè)提供產(chǎn)品,有利于應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展。 綜合而言,本項目的實施對提高 半導(dǎo)體照明 民族產(chǎn)業(yè)在國際上的地位及以一定高度和規(guī)模參與全球競爭具有重要意義,并將對 我省、我 國 LED 業(yè)整個上中下游產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前紅、普綠、黃、橙黃等發(fā)光二極管的技術(shù)已經(jīng)成熟而且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,構(gòu)成全彩色的三原色光分別為 RGB( Red、 Green、Blue),即純紅光、純綠光、純藍(lán)光,而純綠、純藍(lán)發(fā)光二極管是長期困擾本行業(yè)的難題。而從上游產(chǎn)品 氮化鎵( GaN)基材料到中游產(chǎn)品 藍(lán)、綠發(fā)光二極管 LED和激光二極管 LD(又稱激光器)之間存在著很高的技術(shù)壁壘。目前只有日本日亞公司 Nichia、豐田合成 Toyota Gosei、美國克雷 Cree、惠普 HP、德國西門子 Siemens 等幾家公司生產(chǎn)和銷售藍(lán)、綠光 LED。臺灣許多大的光電公司,如國聯(lián)、光磊、億光、李洲、漢光、光寶、光鼎、天如、旭嘉、松下產(chǎn)業(yè)等,在原有的成熟下游封裝工藝基礎(chǔ)上,積極向藍(lán)、綠光 LED中游產(chǎn)品領(lǐng)域進(jìn)軍。我國已在實驗室生產(chǎn)出氮化鎵( GaN)基藍(lán)色發(fā)光材料,目前正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè) 化生產(chǎn)方面的研究。目前在外延晶片生長方面,我國只能生長很少一部分高亮度的紅光和黃光,盡管有幾家公司在藍(lán) 17 光 LED 生產(chǎn)上經(jīng)過的不少的努力,但還沒有形成批量生產(chǎn)。 在封裝領(lǐng)域, 鑒于 LED產(chǎn)品難以取代的優(yōu)異特性及伴隨著近 10 年以來的技術(shù)進(jìn)步,產(chǎn)業(yè)界對 LED 行業(yè)的發(fā)展在兩個方面寄予厚望,一是特殊照明應(yīng)用和取代普通照明的半導(dǎo)體照 明技術(shù)發(fā)展,二是進(jìn)一步的微型化以適合更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用 (實際上也包含了拓展半導(dǎo)體照明應(yīng)用的另一重要實現(xiàn)途徑) 。按實現(xiàn)的技術(shù)路線分,則可以分成四大類別: ★ 大功率 、 高亮度 LED(白光為主,包括其它色別) ★ SMD 微型化封裝 技術(shù) (其中功率芯片的 SMD 封裝是重點) ★太陽能半導(dǎo)體照明一體化技術(shù) ★特殊照明燈產(chǎn)品直接封裝技術(shù)( 以 信號指示燈 為代表) ( 1) 大功率、 高亮度 LED工藝路線與技術(shù)特點 實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的光源中,最重要、最常用的是 白光 LED 光源,恰恰也是實現(xiàn)難度最大的,白光 LED封裝又 分為普通型和功率型封裝。這兩項技術(shù)是 LED 器件在特定領(lǐng)域率先實現(xiàn)照明技術(shù)應(yīng)用的代表、也是今后取代普通照明的最重要路線,白光 LED 則是實現(xiàn)半導(dǎo)體照明 的核心技術(shù)和核心器件。在白光技術(shù)的實現(xiàn)上,我公司是消化吸收了日本日亞公司的技術(shù),即將 InGaN或 GaN藍(lán)光 LED芯片和釔鋁石榴石 (YAG)熒光粉封裝在一起做成。 普通型白光 LED分別在 GaN和 InGaN 兩種藍(lán)色芯片上與光致發(fā)光熒光粉結(jié)合得到,熒光粉的配比與調(diào)節(jié)涂敷方式、以及在此基礎(chǔ)上通過添 加紅色硫化物調(diào)節(jié)白光色溫是創(chuàng)新之處。 傳統(tǒng)的指示燈型 LED 封裝結(jié)構(gòu), 通常 用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上,由金絲完成 器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成,其熱阻高達(dá) 250℃ /W~ 300℃ /W。因此對于大功率高亮度 LED 芯片,低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是大功率 LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵。大功率高亮度 LED 封裝技術(shù)主要應(yīng)滿足以下兩點要求:一是封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率,二是熱量要 盡可能低,這樣才能保證功率 LED 的光電性能和可靠性。 大功率高亮度 LED 以封裝散熱結(jié)構(gòu)為核心, 要 解決封裝材料選擇技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用問題,并特別針對白光產(chǎn)品繼續(xù)提高熒光粉配比技術(shù)與涂敷工藝水平,實現(xiàn)完整的共晶焊封裝工藝流程。這二個環(huán)節(jié)構(gòu)成 LED 照明光源熱傳導(dǎo)的通道,熱傳導(dǎo)通道上任何薄弱環(huán)節(jié)都會使熱導(dǎo)設(shè)計毀于一旦。通過提高熱導(dǎo)系數(shù)、采用覆晶式晶片、降低熱膨脹系數(shù)不匹配度增強了 LED的熱處理性能,與傳統(tǒng)的散熱通道相比,散熱環(huán)節(jié)減少,由于芯片直接焊裝在復(fù)合金屬基板上,散熱效率更高,芯片到封裝基板之間的熱阻系數(shù)僅僅相當(dāng)于傳統(tǒng)方式的 1/6。 在即將實施的規(guī)?;a(chǎn)線組裝中,我們將從芯片的分選和原材料的質(zhì)量控制入手,建立規(guī)范的質(zhì)量保證控制體系,在關(guān)鍵工藝上如填充料快速填充工藝、熒光粉配膠和涂膠工藝等采用高度自動化的設(shè)備和工藝流程,確保工藝過程的一致性。故業(yè)界認(rèn)為,在一些對亮度要求不十分敏感的照明應(yīng)用場合,如家庭中的裝飾性照明,以 LED 封裝器件微型化為基礎(chǔ)通過多器件組合使用提高亮度(同時也需解決散熱問題)是可行的。 貼片技術(shù)分為壓膠式貼片技術(shù)(以下簡稱 “SMD微型 LED”)和灌膠式框架貼片技術(shù)(以下簡稱 “TOP 微型 LED”),這兩類技術(shù)又均可以嫁接 “白光技術(shù) ”中的熒光粉激發(fā)技術(shù)或改良(主要指改上面的熒光粉涂敷為直接添加到封裝用的環(huán)氧樹脂中)此技術(shù)衍生出兩種白光貼片;而且這兩種技術(shù)還有一個重要應(yīng)用是均可以通過三基色全彩封裝實現(xiàn)白光顯示,基于其體積更微小的優(yōu)勢,這在微型、高分辨率的顯示屏領(lǐng)域是一項極為 重要的應(yīng)用。灌膠技術(shù)則 可以 適用于 功率 LED 芯片,一般使用 帶邊框的支架結(jié)構(gòu),只是封裝框架尺寸比常規(guī)要小許多,其成品有引腳,發(fā)光視角較小,大多用于側(cè)部發(fā)光,有單芯及多芯類型。 而 在 功率型 微型 LED 的技術(shù)實現(xiàn)上,除與 SMD 微型 LED 同樣的芯片選用要求外,在封裝工藝上采用精確點膠技術(shù),保證成品的封裝無缺陷(如氣泡等)和成型外觀良好(不能造成缺膠或溢膠);成品的平板式引腳采用封裝后成型的方式,以提高工效及降低材料采購成本。 ( 3) 特殊照明燈產(chǎn)品直接封裝的 工藝路線與技術(shù)特 點 在目前的晶片技術(shù)離取代照明產(chǎn)品還有 一定 距離的情況下,研究和解決 LED 在一些特殊場合的應(yīng)用有非常重要的意義,一是以現(xiàn)有的發(fā)光晶片制備技術(shù)結(jié)合合理的封裝設(shè)計,已經(jīng)能足以在一些特殊場合解決掉傳統(tǒng)產(chǎn)品存在的弊端,如在礦下照明解決節(jié)能、長效尤其是防爆的問題,機械設(shè)備輔助照明設(shè)施解決便于移動、安全的問題,設(shè)計使用時間特別長的工程和產(chǎn)品解決照明或顯示配件頻繁更換的問題等等;二是這種應(yīng)用將為今后晶片技術(shù)成熟后用 LED 產(chǎn)品替代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ),更好的拓寬應(yīng)用思路。 LED信號指示燈主要應(yīng)用于電力控制系統(tǒng)設(shè)備的 照明和信號 指示,在 LED 產(chǎn)品之前,這種信號指示一般是使用氖泡加濾光片的設(shè)計,以達(dá)到其信號明確、光線柔和的應(yīng)用要求。 指示燈應(yīng)用技術(shù)在 LED 業(yè)內(nèi)所處的領(lǐng)域比較特殊,是介于 LED 封裝和 LED 應(yīng)用之間的一種技術(shù),它與 LED 封裝的區(qū)別在于其封裝中包含了 LED 芯片以外的電路組件組合設(shè)計(如電阻、電容等)、而與 LED應(yīng)用的區(qū)別在于其主要構(gòu)成材料不是 LED 封裝器件而是 LED芯片。與此同時,由于此兩項技術(shù)都還處在發(fā)展階段,離成熟的市場化應(yīng)用都還有不小的距離,特別是高成本是兩者都面臨的共同問題。 我公司實施該項目研究的創(chuàng)新之處在于: ★首先是在結(jié)合應(yīng)用中回避兩者在常規(guī)應(yīng)用中都存在的能源轉(zhuǎn)化問題,以提高能源的利用率 —— 太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為直流電能,所以在一般作為電源的要求中還要將其再轉(zhuǎn)化為交流電才能使用,這其中就存在電源轉(zhuǎn)換的損耗;而 LED 則恰恰是使用直流電源工作,常 23 規(guī)使用中反而存在要將市供的交流電再轉(zhuǎn)換成直流電的損耗。 ★ LED 本身的節(jié)能優(yōu)勢在避免了能源轉(zhuǎn)換損耗后使得優(yōu)勢更優(yōu),再加上太陽能部分也避免了轉(zhuǎn)換損耗,使得根據(jù)能耗配套的、價格昂貴的太陽能電池和蓄電組件的配套成本得以大比例下降,同時也使得LED 部分的高成本不再成為應(yīng)用障礙,綜合性價比得以大幅度提高,使得項目產(chǎn)品的大面積推廣成為可能。 ★改革傳統(tǒng)的 LED 電阻限流驅(qū)動,改以 恒流源驅(qū)動,效率更高。 本項目前期研究中,我們所設(shè)定的 LED 燈具中的器件為應(yīng)用熒光粉激發(fā)原理的基于大功率( 1W和 3W) InGaN 藍(lán)光 LED芯片的白光功率管,暫未涉及三基色 LED 白光技術(shù)和其它白光技術(shù)。目前調(diào)節(jié) LED 亮度的方式有兩種: (1)調(diào)節(jié)工作電流方式 —— 除了紅光 LED 隨著電流的升高亮度會飽和外,一般其他 LED 的亮度都會隨著 其工作電流的增大而增大,因此可以通過調(diào)節(jié) LED 的工作電流的方法在較大范圍內(nèi)控制 LED 的亮度,這也是在 LED照明應(yīng)用中最常規(guī)的應(yīng)用方式。通過前期研究,我們 24 選擇 200~ 300Hz的開關(guān)頻率來進(jìn)行 PWM亮度調(diào)節(jié),這是因為人眼無法分辨超過 40Hz的 頻率變 化,而太高的頻率又會引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調(diào)節(jié)非線性。 我們在對太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的研究中,前期重點面向太陽能半導(dǎo)體路燈,并根據(jù)其特點設(shè)計了一種新型的太陽能半導(dǎo)體路燈控制器,由微處理器電路、 DCDC 升壓電路、實時時鐘電路、充放電保護電路、路燈開關(guān)電路等五部分組成,能夠?qū)崿F(xiàn)對蓄電池的充放電管理,防過充、放過放。微處理器通過其輸入輸出口實現(xiàn)與其他各功能電路的連接,其 APD輸入口實現(xiàn)對蓄電池、太陽能電池板電壓的采樣測量,實現(xiàn)蓄電池的過充、過放保護,以及路燈光控開關(guān);實時時鐘電路通過串行總線 SCL、 SDA 與微處理器的 P1 口連接實現(xiàn)讀寫功能;充電開關(guān)電路由一根控制線與微處理器的 PWM 端口相連接,當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值時,能夠輸出 20kHZ的 PWM 脈沖調(diào)制信號,實現(xiàn) PWM控
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