圖解LED芯片技術三大流派

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-03-24

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　　我去年提過，LED的競爭在這兩年將會是技術的競爭，但是離不開兩個規律：“技術越來越先進”，尤其是光效的提升；“成本會越來越低”，尤其是在芯片，封裝與電源成本的降低，當然還有燈具如何可以自動化的組裝，減少人力成本。在LED行業已經快要16年的我，見證了一顆藍光芯片由五塊錢一顆（1998年）到現在的一千顆5塊錢（5 RMB/k），這個行業進步的太快了， led服裝照明，甚至比集成電路還快，我見證了它的成長，我也參與了他的進步。現在對這十幾年來我對LED技術的心得跟大家分享，尤其是在中上游的技術方面。

　　我把氮化鎵LED技術的流派分為三大部分：第一是垂直結構派，以科銳與歐司朗為代表，金屬襯底的旭明，還有執著于硅襯底的普瑞東芝與晶能，當然還不能忘記很多日本廠商與中村修二先生在研發的氮化鎵同質結構。第二是倒裝派（flip Chip），想到倒裝當然就是飛利浦Luminled了，當然大陸的晶科與目前臺灣很多芯片廠都在研發這種芯片，甚至科銳也開始在做這類產品了，所以技術與良率也在不斷地成熟中。第三當然是藍寶石襯底結構，目前LED的主流，幾乎每家公司都以這個結構為基礎做很大的改善，技術資訊，前面說的16年進步一千倍，戶外照明，就是一直以這種結構不斷改善的。

　　三大流派各有優缺點，分述如下：

　　垂直結構派：

　　有點像明教或日月神教的感覺，始終不是主流，但是又有獨特的技術，如果做到極致像是科銳的碳化硅技術還是可以跟主流抗衡，在金庸小說里面，不管是陽頂天，國內資訊，張無忌，任我行還是東方不敗，他們都可以跟少林武當分庭抗禮，但是始終不是主流或是像流星一樣瞬間消失。垂直結構派就是如此，它始終在走非主流路線，一直有新技術在發表，但是在市場上始終很難找到他們的蹤影。垂直結構除了碳化硅和同質襯底，都需要非常復雜的工藝來制造，不管是硅襯底還是金屬襯底，與氮化鎵熱失配問題一直沒有解決，導致這種結構良率非常低，雖然導熱好，襯底也比藍寶石便宜，發光面積也比較大，但是在成本與技術的競爭上始終不是藍寶石結構的對手。因為上下電極的原因，在應用上也受限，尤其是在需要串并的電路設計上無法滿足很多燈具的要求，也無法制作高壓芯片，因此科銳的垂直結構芯片只能用在路燈等較高單價的特定市場，通用照明與背光這兩個主流市場垂直結構芯片始終無法大量介入。當然我們不能忽略日本公司與中村修二先生正在研發的同質結構，它沒有前面提到的缺點，但是一個致命的問題就足以打敗它所有的優點，氮化鎵襯底貴的離譜，兩年前是1000美金，現在是500美金以上，做LED會不會太奢侈了？所以現在同質襯底只能用來做藍光激光二極管，用于HD-DVD播放機或是高畫質的PS3游戲機的讀寫頭。大家一定會問我有沒有降價空間？我的答案是“有，商業照明燈具，但是有限”，目前氮化鎵襯底只有兩種主流做法，LED-T5一體化燈管，氫化物氣相外延HVPE與熱氨法amonothermal method，估計要降到100美金才會有競爭力，但是依照目前的技術五年內都達不到。

　　倒裝結構派：

　　有點像武當派，武當派是張三豐離開少林之后自創的一派，就像倒裝技術其實也是藍寶石技術的延伸，只不過是將藍寶石結構的芯片倒裝貼合在導熱性比較高的基板上，LED筒燈，如果在基板上加上齊納二極管，他可以抗拒電子器件最怕的靜電沖擊，有點像是武當太極以柔克剛的感覺。倒裝目前是正裝結構外大家在關注的焦點，尤其是封裝廠急于降成本的時候，由于導熱路徑不需經過藍寶石，熱可以直接導入散熱基板，芯片共晶倒裝技術在技術上也越來越成熟，良率越來越高，已經接近正裝的良率。倒裝有三個優點是正裝永遠無法趕上的，不需要焊線工藝，大電流驅動不光衰，均勻的熒光粉涂布，所以目前封裝廠對倒裝是又愛又恨，愛的是他可以省下焊金線成本，倒裝封裝的二極管可以加大電流，1顆可以當2顆或是3顆用，熒光粉可以涂布均勻，發出來的光很均勻漂亮。恨的是目前很多公司在發展無封裝制程（CSP：chip Scale Package），把封裝的工藝在芯片段都做完了，國內資訊，直接跳過封裝，交貨給應用廠商，很多封裝廠怕萬一CSP未來成為主流，他們之前的投資將血本無歸。這也是我一直在關注的技術，我目前還是無法判斷是否有可能，就像我們看金庸小說一樣，始終無法判斷是武當厲害還是少林厲害。

　　藍寶石派：

　　我心目中的少林派，這二十年來始終屹立不搖，不管是外延還是芯片技術，都是循序漸進的依照海茲定律(Haitz’sLaw)不斷提升，就像少林武功一樣，LED照明企業，不斷的透過內功修煉，完成絕世武功的升華。正裝工藝是中村修二先生發展出來的，做成正裝主要原因是藍寶石襯底不導電，需要將正負極做在同一個發光面上，他有先天上的缺點，CCC認證，只要克服這些缺點，就可以完成一次次飛躍的提升。藍寶石與氮化鎵晶格失配用低溫緩沖層解決，P型氮化鎵電阻過高用退火來解決，鎳金透明導電層穿透率太低用氧化銦錫ITO來取代，LED筒燈，鉆石刀切割良率低，鉆石刀成本過高用紫外激光劃片解決，辦公照明，紫外激光劃片亮度損失用飛秒隱形切割或熱酸腐蝕來解決，降低缺陷密度，減少界面全反射用PSS圖形襯底取代平面襯底。一次次的提升都是透過新材料與新工藝來完成，就像少林武功一樣，透過扎實的基本功，將武功一步一步的提升，完成絕世武功的升華，商業照明，沒有取巧也沒有捷徑。他每一次受到的挑戰，都利用扎實的基礎來化解，所以一直是LED的主流，估計未來幾年都會如此。

　　有人會問我，未來誰會是技術主流，我想金庸先生已經給我們答案了，在金庸小說里面，那些派別是屹立不搖，那些是瞬間暴起，店鋪照明，瞬間流逝。長遠來看，正裝的少林與倒裝的武當是主流，質量，其他技術，就像是小說里面的明教，日月神教，在一時間會刮起風潮，但是永遠不會是主流。