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我国LED封装业的现状与未来发展

2010-02-03 10:47
华静一
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                                   深圳雷曼光电科技股份有限公司总经理    李漫铁
  一、简述

  LED光电产业是一个新兴的朝阳产业,具有节能、环保的特点,尤其是2009年12月哥本哈根全球气候会议的低碳减排效应,将使LED光电产业更加符合我们国家的能源、减碳战略,而获得更多的产业支持和市场需求,成为一道亮丽的产业发展风景。

  LED产业链总体分为上、中、下游,分别是LED外延芯片LED封装及LED应用。作为LED产业链中承上启下的LED封装产业,在整个产业链中起着无可比拟的重要作用。基于LED器件的各类应用产品大量使用LED器件,如大型LED显示屏、液晶显示器的LED背光源、LED照明灯具、LED交通灯和LED汽车灯等,LED器件在应用产品总成本上占了40%至70%,且LED应用产品的各项性能往往70%以上由LED器件的性能决定。

  中国是LED封装大国,据估计全世界80%数量的LED器件封装集中在中国,分布在各类美资、台资、港资、内资封装企业。

  在过去的五年里,外资LED封装企业不断内迁大陆,内资封装企业不断成长发展,技术不断成熟和创新。在中低端LED器件封装领域,中国LED封装企业的市场占有率较高,在高端LED器件封装领域,部分中国企业有较大突破。随着工艺技术的不断成熟和品牌信誉的积累,中国LED封装企业必将在中国这个LED应用大国里扮演重要和主导的角色。

  二、我国LED封装业的现状与未来

  下面从十个方面来论述我国LED封装业的现状与未来:

  (一) LED封装产品

  LED封装产品大致分为直插式(LAMP)、贴片式(SMD)、大功率(HI-POWER)三大类,三大类产品中有不同尺寸、不同形状、不同颜色等各类产品。
我国的LED封装产品经过十多年的发展,已形成门类齐全的各类封装型号,与国外的封装产品型号基本同步,在国内基本能找到各类进口产品的替代产品。
在今后的几年里,我国的LED封装产品种类将更加齐全,与国外产品保持同步。

  (二) LED封装产能

  中国已逐渐成为世界LED封装器件的制造中心,其中包括台资、港资、美资等企业在中国的制造基地。

  据估算,中国的封装产能(含外资在大陆的工厂)占全世界封装产能的60%,并且随着LED产业的聚集度在中国的增加,此比例还在上升。大陆LED封装企业的封装产能扩充较快,随着更多资本进入大陆封装产业,LED封装产能将会快速扩张。

  (三) LED封装生产及测试设备

  LED封装主要生产设备有自动固晶机、自动焊线机、自动封胶机、自动分光分色机、自动点胶机、自动贴带机等;LED主要测试设备有IS标准仪、光电综合测试仪、TG点测试仪、积分球流明测试仪、荧光粉测试仪、冷热冲击箱、高温高湿箱等。

  五年前,LED主要封装设备是欧洲、台湾厂商的天下,国产设备多为半自动设备,现在,除自动焊线机外,国产全自动设备已能批量供应,不过精度和速度有待进一步提高。LED的主要测试设备,除IS标准仪外,其它设备已基本实现国产化。

  就硬件水平来说,中国规模以上的LED封装企业是世界上最先进的。当然,一些更高层次的测试分析设备还有待进一步配备。

  中国在封装设备硬件上,由于购买了最新型和最先进的封装设备,拥有后发优势,具备先进封装技术和工艺发展的基础。

  (四) LED芯片

  LED封装器件的性能在50%程度上取决于芯片,50%取决于封装工艺和辅助材料。目前中国大陆的LED芯片企业约有十家左右,起步较晚,规模不够大,最大的LED芯片企业年产值约3个亿人民币,每家平均产能在1至2个亿。

  国内中小尺寸芯片(指15mil以下)已能基本满足国内封装企业的需求,大尺寸(指功率型瓦级芯片)还需进口,主要来自美国、台湾企业。

  国产品牌的中小尺寸芯片性能与国外品牌差距较小,具有良好的性价比,能满足绝大部分LED应用企业的需求。

  国产大尺寸瓦级芯片还需努力,以满足未来照明市场的巨大需求。随着资本市场对上游芯片企业的介入,预计未来三年我国LED芯片企业将有较大的发展,将有力地促进LED封装产业总体水平的提高。

  (五) LED封装辅助材料

  LED封装辅助材料主要有支架、胶水、模条、金线、透镜等。目前中国大陆的封装辅助材料供应链已较完善,大部分材料已能在大陆生产供应。高性能的环氧树脂和硅胶以进口居多,这两类材料主要要求耐高温、耐紫外线、优异折射率及良好的膨胀系数等。随着全球一体化的进程,中国LED封装企业已能应用到世界上最新和最好的封装辅助材料。

  (六) LED封装设计

  直插式LED的设计已相对成熟,目前主要在衰减寿命、光学匹配、失效率等方面可进一步上台阶。贴片式LED的设计尤其是顶部发光TOP型SMD处在不断发展之中,封装支架尺寸、封装结构设计、材料选择、光学设计、散热设计等不断创新,具有广阔的技术潜力。

  功率型LED的设计则是一片新天地。由于功率型大尺寸芯片制造还处于发展之中,使得功率型LED的结构、光学、材料、参数设计也处于发展之中,不断有新型的设计出现。

  中国的LED封装设计是建立在国外及台湾已有设计基础上的改进和创新。设计需依赖良好的电脑设计工具、良好的测试设备及良好的可靠性试验设备,更需依据先进的设计思路和产品领悟力。目前中国的LED封装设计水平还与国外行业巨头有一定差距,这也与中国LED行业缺乏规模龙头企业有关,缺乏有组织、有计划的规模性的研发设计投入。

  (七)LED封装工艺

  LED封装工艺包括固晶参数工艺、焊线参数工艺、封胶参数工艺、烘烤参数工艺、分光分色工艺等。随着中国LED封装企业这几年的快速发展,LED封装工艺已经上升到一个较好的水平,尤其是一些高端需求如大型LED显示屏、广色域液晶背光源等,中国的LED优秀封装企业已能满足其需求,先进封装工艺生产出来的LED已接近国际同类产品水平。不过,大功率LED器件的封装工艺要求更高,我国大功率封装工艺水平还有待进一步完善。

(八) LED封装器件的性能

  LED器件性能指标主要包括亮度/光通量、光衰、失效率、光效、一致性、光学分布等。
  
  ① 亮度或光通量;

  由于小芯片(15mil以下)已可在国内芯片企业大规模量产(尽管有部分外延片来自进口),小芯片亮度已与国外最高亮度产品接近,其亮度要求已能满足95%的LED应用需求,而封装器件的亮度90%程度上取决于芯片亮度。中大尺寸芯片(24mil以上)目前绝大部分依赖进口,每瓦流明值取决于所采购芯片的流明值,封装环节对流明值的影响只有10%。
  
  ② 光衰;

  一般研究认为,光衰与芯片关联度不大,与封装材料与工艺关联度最大。影响光衰的封装材料主要有固晶底胶、荧光胶、外封胶等,影响光衰的封装工艺主要有各工序的烘烤温度和时间及材料匹配等。目前,中国LED封装工艺经过多年的发展和积累,已有较好的基础,在光衰的控制上已与国外一些产品匹敌。

  ③ 失效率;

  失效率与芯片质量、封装辅助材料、生产工艺、设计水平和管理水平相关。LED失效主要表现为死灯、光衰过大、波长或色温漂移过大等。根据LED器件的不同用途要求,其失效率也有不同的要求。例如指示灯用途LED可以为1000PPM(3000小时);照明用途LED为500PPM(3000小时);彩色显示屏用途LED为50PPM(3000小时)。中国封装企业的LED失效率整体水平有待提高。可喜的是,少量中国优秀封装企业的失效率已达到世界水平。

  ④ 光效;

  LED光效90%取决于芯片的发光效率。中国LED封装企业对封装环节的光效提高技术也有大量研究。如果中国在大尺寸瓦级芯片的研发生产上取得突破及量产,将会极大促进功率型封装器件光效的提高。

⑤ 一致性;

  LED的一致性包括波长一致性、亮度一致性、色温一致性、衰减一致性等前三项一致性是可以通过投料工艺控制和分光分色机筛选达到的。前三项水平来说,中国LED封装技术与国外一致。角度一致性往往难以分选出来,需通过优化设计、物料机械精度控制、生产制程严格控制来达到。例如,LED全彩显示屏用途的红、绿、蓝三种椭圆形LED的角度一致性控制非常重要,决定性地影响LED全彩显示屏的色彩品质,成为LED器件的一项高端技术。衰减一致性也与物料控制和工艺控制有关,包括不同颜色LED的衰减一致性和同一颜色LED的衰减一致性。一致性的研究是LED封装技术的一个重要课题。中国部分LED封装企业在LED一致性方面的技术已与国际接轨。

  ⑥ 光学分布;

  LED是一个发光器件,对于很多LED应用用途来说,LED的光形分布是一个重要指标,决定了应用产品二次光学的设计基础,也直接影响了LED应用产品的视觉效果。例如,LED户外显示屏使用的LED椭圆形透镜设计能够使显示屏在角度变化时亮度变化平稳并有较大视角,符合人的视觉习惯。又如,LED路灯的光学要求,使得LED的一次光学设计和路灯的二次光学设计必须匹配,达到最佳路面光斑和最佳发光效率。通过计算机光学模拟软件来进行设计开发是常用的手段。中国LED封装企业在积极迎头赶上,与国外技术的差距在缩小。
  
  (九)LED封装应用方向

  目前,我国的LED封装产品已广泛地应用在指示、背光、显示、照明等应用方向,应用领域涵盖消费类电子业、汽车业、广告业、交通业、体育业、娱乐业、建筑业等全方位领域。我国LED封装器件应用领域的广度将会更加拓展,我国在LED的应用上已走在世界的前列。

  (十) LED封装业人才状况

  我国LED封装业的人才是建立在消化吸收台、港、美资LED企业的技术和管理人才基础上再培养和成长起来的。行业的中、高层技术及管理人才满足不了现有LED行业快速发展的需要,行业内经验型人才偏多,技术型、学术型人才偏少。可喜的是,随着产业的发展,部分高校已设置相关光电专业进行培养人才,产学研的合作深入也为我国LED封装企业输送和培养了一批人才。

  三、结束语

  LED封装产业是LED光电产业中承上启下的重要环节,所有LED应用产品均需使用高品质的LED封装器件。LED封装设计工艺、及技术配方具有高新技术特点,相对上游外延芯片领域,LED封装产业的知识产权壁垒较少。LED照明和LED电视将成为LED封装产业的强劲增长点。

  我国目前的LED封装企业规模普遍不够大,第一阵营的封装企业的平均销售收入在1个亿左右,与台湾的上市封装龙头企业亿光(2008年营收约23亿人民币)相比差距较大。随着我国LED产业的快速发展,中国的LED封装企业增长潜力巨大。我国LED封装产业迫切需要自主民族品牌,以打破国外品牌在高端应用领域的垄断。我国LED封装产品将切实受益于国家节能减排战略的实施,将切实受益于金融危机中中国GDP的高位增长。

  随着我国成为全世界的LED封装大国,中国的LED封装技术在快速发展和进步,与世界顶尖技术的差距在缩小,并且局部产品有超越。我们需要加深对LED封装产业的战略认识和重视。需加大在LED封装技术研究领域方面的研发投入。我们中国LED封装产业与国外的差距主要在品牌和研发投入上。可观的研发投入才能支撑起世界认同的品牌。

  随着中国国力的增长,LED应用市场的强劲拉力,我们相信中国会由LED封装大国成为LED封装强国。
 

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