解读2013年LED照明十大关键技术

OLED称为有机发光二极管，是基于有机半导体材料的发光二极管。OLED由于具有全固态、主动发光、高对比、超薄、低功耗、无视角限制、响应速度快、工作温度范围宽、易于实现柔性和大面积、功耗低等诸多优点。目前OLED已在手机终端等小尺寸显示领域得到应用，在大尺寸电视和照明领域的发展潜力也得到业界的认可。OLED已经被视为21世纪最具前途的显示和照明产品之一。

　　而OLED，正是从2012年正式登上了照明的舞台，虽然目前只是一个小角色，但是对LED有不小的替代威胁。

　　在4月的法兰克福展上，Philips首次展示出最新OLED技术的Lumiblade OLED GL350面板，每片GL350OLED面板尺寸约155平方公分，亮度可达115LM。

　　而在2012年5月8日-11日的美国拉斯维加斯照明展上，Philips再次展出了一个OLED镜子的产品，它会自动感应人体的接近与否，自动把周围的OLED光源模组做调整，中间变暗变成具备镜子的效果。成功的将智慧灯具和OLED的概念整合在一起。

　　作为全球照明市场领导品牌的Philips，押宝OLED的意味非常明显。

　　但是，OLED应用于照明领域，光效却是一个不小的考验。在显示领域OLED亮度达到100～300cd/cm2就可以得到应用，然而在照明用途中，亮度至少要达到1000～3000cd/cm2。未来几年，OLED与LED在照明领域的此消彼长的速率，将取决于OLED光效追赶的进度。

　　关键字二：PSS

　　PSS（Patterned Sapphire Substrate），也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻制程将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向发展变为横向。一方面可以有效减少GaN外延材料的位元错密度，从而减小有源区的非辐射复合，提升内量子效率，减小反向漏电流，提高LED的寿命;另一方面有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底接口多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。

　　因此，PSS一时间成为外延厂商争相采用的提升亮度的主流技术，迅速的普及化，到2013年下半年PSS已经占到了全世界LED用蓝宝石基板的近八成。

　　而上半年的时候，蓝宝石衬底平片价格跌入低谷，衬底厂商普遍的陷入亏损。而PSS因为市场需求强劲，一时间市场价格超过平片2倍以上，吸引蓝宝石基板厂加码部署，期望以此突破营收亏损的困境。然而随着新增产能逐渐投入使用，PSS价格下降的速度也是惊人之快。

　　而一些大厂此时已经考虑采用更为先进的nPSS技术，nPSS的pitch不到1um，亮度能比PSS再提升3%到10%。而压印要比蚀刻的成本更低出1美金以上，稳定性及一致性表现也要好。期待靠PSS来拯救颓势的衬底厂恐怕又一次要失望，不过技术进步的路径谁又能猜得到？

　　关键字三：非蓝宝石衬底

　　除开CREE成功的商业化SiC衬底之外，人们已经习惯了衬底材料就是蓝宝石了。不过来到2013年，非蓝宝石衬底方案第一次对蓝宝石衬底的地位发起了有威胁的挑战。

　　最有威胁的挑战无疑来自硅衬底，2013年1月12日，欧司朗宣传在150mm的硅片上成功长出GaN的外延，切成1mm2在350mA下亮度可以达到140lm，该项目是德国联邦教育和研究部资助的“硅上氮化镓”专案的一部分。

　　而东芝的动作就更快一步，2013年12月中，原来并不涉足封装的东芝直接开卖LED，而芯片正是采用与美国普瑞（Bridgelux）合作的在8吋硅基板上生长的LED芯片。东芝共发布了四款现行产品的规格书，包括一款色温3000K，一款色温4000K及两款色温5000K的LED产品。其中在典型正向电压为2.9V时，350mA驱动色温5000K，显色指数为70的型号为TL1F1-NW0的LED，光效达到110lm/W。

　　中国厂商晶能光电经过多年在硅衬底领域的耕耘，在2013年推出的发光效率超过120lm/W硅基大功率LED芯片产品，这对渴望自主知识产权的国产芯片是一个极大的利好消息。

　　在中国工信部公布的2013年第十二届资讯产业重大技术发明评选结果中，晶能光电（江西）有限公司《硅衬底氮化镓基LED材料及大功率芯片技术》专案被评为资讯产业重大技术发明，并纳入《电子资讯产业发展基金专案指南》，享受国家电子资讯产业发展基金专案资金扶持。

　　而GaN基同质外延也并不示弱，在2013年7月3日，首尔半导体全球首次发布了“npola”，单颗亮度达到500lm，中村修二博士专程去首尔去为发布会站台。而中村博士参与创办的SORAA公司更是以前瞻性的GaN-on-GaNLED技术获得了美国DOE下属的能源转换机构ARPA-E（AdvancedResearchProjectsAgency-Energy）的资助。

　　而CREE在所谓SC3这种新一代技术平台下，连续推出多款刷新业界光效的量产LED产品，12月更推出XLamp系列MK-R在1W和25°C温度的条件下，可提供高达200lm/W的发光效率。再次提振SiC衬底LED在光效竞赛中综合实力排头地位。

　　非蓝宝石衬底方案，不仅仅是一次次为产业界所共同关注，各国政府也都将之作为重要的基础研究而纳入政策视野，入选十大理所当然。

　　关键字四：共晶技术

　　另一项在2013年炙手可热的封装技术就是共晶。

　　共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段，是一个液态同时生成两个固态的平衡反应。其熔化温度称共晶温度。

　　共晶焊接技术最关键是共晶材料的选择及焊接温度的控制。如采用共晶焊接，晶粒底部可以采用纯锡（Sn）或金锡（Au-Sn）等合金作接触面镀层，晶粒可焊接于镀有金或银的基板上。当基板被加热至适合的共晶温度时，金或银元素渗透到金锡合金层，合金层成份的改变提高溶点，令共晶层固化并将LED紧固的焊于热沉或基板上。共晶层和热沉或基板完全的键合为一体，打破从芯片到基板的散热系统中的热瓶颈，提升LED寿命。

　　虽然此前这项技术就被大厂所采用，不过通常的芯片结构因为是蓝宝石衬底而不能适用共晶技术。但是到2013年伴随非蓝宝石衬底的芯片方案增多，另外加上采用蓝宝石衬底的大功率芯片厂商推出了更多倒装结构的芯片，使得共晶技术成为中国封装厂商提升技术竞争力的选项。因而瑞丰，天电等不少厂商不惜重金购置昂贵的共晶固晶设备。

　　关键字五：HVLED

　　HVLED顾名思义就是高压LED，与传统DCLED相比，具有封装成本低、暖白光效高、驱动电源效率高，线路损耗低等优势。具体来说：

　　1、HVLED直接在芯片级就实现了微晶粒的串并联，使其在低电流高电压下工作，将简化芯片固晶、键合数量，封装成本降低。

　　2、HV芯片在单位面积内形成多颗微晶粒集成，避免了芯片间BIN内如波长、电压、亮度跨度带来的一致性问题;

　　3、HVLED芯片是在小电流下驱动的功率型芯片，可以与红光LED芯片集成+黄色萤光粉形成暖白光，比传统DCLED+红色萤光粉+黄色萤光粉形成的暖白光出光效率高，并缩短了LED暖白与冷白封装光效的差距，且更易实现光源的高显指;

　　4、HVLED由于自身工作电压高，容易实现封装成品工作电压接近市电，提高了驱动电源的转换效率;由于工作电流低，其在成品应用中的线路损耗也将明显低于传统DC功率LED芯片。

　　正是基于这样的优点，芯片光电，三安光电不仅在小白光芯片领域酣战淋漓，在HVLED领域也全面开始较劲。芯片技术领先，早早已经开始向亿光等厂商供货，三安则在2013年9月6日的发布会上展示了光效达到95lm/W的HV芯片，向芯片叫板。至于首尔在ACLED概念推广多年未见成效的情况下，欣然转战HVLED，并整合交流驱动IC，开发出发光效率达每瓦100流明的ACLED模组Acrich2。由此更引入下一个十大关键字，交流IC。

　　关键字六：交流驱动IC

　　首尔半导体的Acrich2系列推出，这个创造性设计搭载的IC即刻成为亮点，业内纷纷追踪这颗IC的型号和厂家。

　　虽然这颗IC的使用评价究竟如何还不得而知，不过正是在这种低价方案的支持下，木林森、长方照明纷纷推出了震动行业的低价方案。原来整个灯具中占有非常大比例的驱动电源被一颗IC取代。而这两家的LED向来都是行业最低价，而电源所占成本比例较普通厂商更大，因此在引进这款IC上的动力也最大。木林森提出1美元球泡灯的概念，而长方直接把1.2m灯管的价格从上百元拉到了39元的“后50”时代。

　　也因此笔者认为这款IC对LED行业的改变作用才刚刚开始发酵，如果更大范围内的使用，而在安全性及功率因素方面又不构成障碍的话，传统的LED电源行业将会面临失去存在的价值，而灯具的设计也会因此变得更加简单。当例如欧普这样的传统照明大厂都开始采用这种方案的时候，是抗拒还是顺应这股潮流或许关系到未来几年的存亡。

　　关键字七：国产MOCVD

　　而就在2013年最后一个月，天龙光电投资的中晟半导体，正泰集团旗下的理想能源纷纷下线国产MOCVD设备。此前受到低落市场环境冲击偃旗息鼓的国产MOCVD又掀起一股热潮。

　　而对市场信心不足，中晟光电更强调在发布之前已经调试300炉次以上。而每炉可以承载2吋外延片60~80片。一时间，匿声很久的国产MOCVD再次点燃市场的热情。

　　而据不完全统计，中国已经开发出和宣称在研发MOCVD的公司和研究所多达20多家，热闹程度不低于外延芯片厂。

　　对中国发展半导体照明产业的长期布局来说，拥有本土的MOCVD设备制造商或许是需要的，如果一个产业迅速发展，上游关键设备却完全依赖境外企业的话，免不了会落入大部分利润被拿走的不利境地。

　　在工信部发布的《高端装备制造业“十二五”发展规划》提出，到2015年，高端装备制造业销售收入超过6万亿元人民币，在装备制造业中的占比提高到15%;到2020年，高端装备制造产业销售收入在装备制造业中的占比提高到25%。科技部发布的《半导体照明产业“十二五”规划》中也提出，到2015年，大型MOCVD装备、关键原材料将实现国产化。

　　这意味着现在做MOCVD可能得到来自政府的大量补贴，所以也不难理解这么多企业以国产化为诉求进入这个行业。不过，前两年外延厂商的疯狂扩产，已经过度的透支了市场对MOCVD设备的需求，国产设备的前景究竟如何，还需要来自市场的检验。

　　关键字八：MLCOB

　　MLCOB（Multilen schipson board）是在COB的结构的基础上，直接为每一个单独的LED芯片封装一颗透镜，避免了光线的全反射造成的光损失，同时又拥有COB的优势和特点。

　　MLCOB并不是一项革命性的技术，以笔者所见顶多算是一个小小的技术改良。不过在中国LED封装产业逐渐做大但是却没有定义过一种封装类型的情况下，MLCOB不妨看做是一种争取定义权的一种努力。Lamp结构由日厂定义，SMD中日厂定义了3528，3020和sideview结构，台厂改进出了3014，而韩系则携背光电视的出海口优势定义了5630，大功率则由美商Lumileds和Cree定义，就连COB也是日厂西铁城开的先河。

　　而中国的封装厂，为技术上的劣势及生存和发展的压力所致。在可选项目不多的封装技术上创新上，MLCOB可以视作一种努力的方向和阶段性成果，连中国一二线的封装厂鸿利和晶台都推出了自家研发的MLCOB产品作为宣传的亮点。

　　从市场的角度来看也有不少的厂商开始试水用这种方案来做包括日光灯管在内的各种照明灯具。这相对来说节省了照明应用厂商的生产流程，拉低了灯具制造过程的系统成本。不过这项技术是否经得起市场的长期考验，变成一只不可忽视的技术路径还需要时间来观察。

　　关键字九：智能照明

　　智慧照明是指智慧照明控制系统通过无线网络进行通信，来实现对照明设备的智慧化控制。照明设备经过智慧化控制后，扩展了多种控制方法，如PC电脑、遥控器、PDA、远端电话等同时具有灯光亮度的强弱调节、灯光软启动、定时控制、场景设置等功能；并达到安全、节能、舒适、高效的特点。

　　传统的照明供电控制一般采用主电源经配电箱分成多路配电输出线，提供照明灯回路用电，由串接在照明灯回路中的开关面板直接通断供电线来实现对灯的控制，灯只有开、关，无逻辑时序及亮、暗调光控制，因而无法形成各种灯光亮度组合的场景及系统控制。

　　而智慧照明系统采用主电源经可程式设计控制模组后输出供照明灯用电，灯的开、关和调亮、调暗由可程式设计多功能按键面板控制，控制模组与按键面板之间通过一条低压控制总线相互连接起来。控制模组和按键面板内部有微处理器，存贮器和控制总线的接口电路，它们完全处在低压情况下工作，所有控制器和面板都可通过程式设计实现对各灯路的亮度控制，于是就可产生不同的灯光场景和系统控制的效果。

　　在中国还是传统的照明供电系统占据主流的位置，人们普遍对智慧照明的概念接受不高。但是2013年，不仅在各大小展会上智慧照明成为新秀，伴随全国范围内大面积的照明节能改造项目的推进，更多的案例开始采用智慧照明控制系统。而未来的照明市场中，基于智慧化照明的技术将占市场主导地位。

　　关键字十：模组化

　　曾经火爆一时的山寨机背后有一个强大的推手就是MTK公司推出的集成化模组，虽然这次逆袭最终以智慧机的滥觞而收官。不过这种商业模式上精髓仍有颇多值得借鉴的内容。因为模组化的整合，让产品设计和制造再次分工出来，产业链再次拉长，制造商不用承担设计失败的成本和风险，优秀的产品设计业者也不用承担终端产品商业化成败的风险。从而众多竞争也合作的小公司也拥有与系统化整合的大公司抗衡的力量。

　　一款LED照明灯具，从设计，选料，测试，认证到最后投放市场，耗费大，周期长。往往到一个专案走完流程市场上已经有更有竞争力的产品出现，很多代价不菲的新产品新设计还没有来得及收回成本就要退市了。在目前竞争更加激烈，生存更艰难的状况下，小型企业在面对竞争对手的新产品的时候往往有心无力再去追赶，只能选择固守旧产品或者抄袭。

　　而有远见的业者就想到了LED模组化，这其中最有影响力的应属于Zhaga联盟。该联盟是目前最受国际瞩目的LED光引擎互换性（Interchangeability）接口标准，目的在推动全球LED照明灯具系统接口的标准化，进而实现不同制造商产品间的相容与互换性，以保障消费者的选购利益。实际上，Zhaga虽然是由九大的领导厂家发起，但现在全球已经拥有190家会员，其所受业界欢迎程度可见一斑。

　　而对照明业者来说，对于灯具的设计变得简单。照明厂商只需要关注在最后的整灯或者灯具的制造上，只要让灯具与Zhaga的接口相容，灯具的设计就从一个复杂的光机热电的系统工程压缩到一个简单的组装流程。厂商可以花更多的精力和资源在生产管理和市场推广上。这样至少在核心组件的设计上，小型厂商有机会和大厂站在相同的平台上。

　　2013年，我们看到的就是GE，艾迪生，齐瀚光电，Bridgelux众多大小厂商纷纷投靠zhaga阵营，模组化，模组标准化的趋势已经不可逆转。