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中国企业与国外LED封装技术的差异


一、概述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,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。

  下面从LED封装产业链的各个环节来阐述这些差异。

  二、封装生产及测试设备差异

  LED主要封装生产设备包括固晶机、焊线机、封胶机、分光分色机、点胶机、智能烤箱等。五年前,LED自动封装设备基本是国外品牌的天下,主要来自欧洲和台湾,中国只有少量半自动固晶、焊线设备的供应。在过去的五年里,中国的LED生产设备制造业有了长足的发展,如今自动固晶机、自动封胶机、分光分色机、自动点胶机、智能烤箱等均有厂家供应,具有不错的性价比。

  LED主要测试设备包括IS标准仪、光电综合测试仪、TG点测试仪、积分球流明测试仪、荧光粉测试仪等及冷热冲击、高温高湿等可靠性试验设备。除标准仪主要来自德国和美国外,其它设备目前均有国产厂家生产供应。

  目前中国LED封装企业中,处于规模前列的LED封装企业均拥有世界最先进的封装设备,这是后发优势所决定的。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。

  因此,中国在封装设备硬件上已具备世界领先水平,具备先进封装技术和工艺发展的基础。

  三、LED芯片差异

  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,每家平均年产值在1至2个亿。

  这两年中国大陆的LED芯片企业发展速度较快,技术水平提升也很快,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,大尺寸芯片(指功率型W级芯片)还需进口,主要来自美国和台湾企业,不过大尺寸芯片只有在LED进入通用照明后才能大批量应用。

  LED封装器件的性能在50%程度上取决于LED芯片,LED芯片的核心指标包括亮度、波长、失效率、抗静电能力、衰减等。目前国内LED封装企业的中小尺寸芯片多数选用国产品牌,这些国产品牌的芯片性能与国外品牌差距较小,具有良好的性价比,亦能满足绝大部分LED应用企业的需求。尤其是部分芯片品牌的性能已与国外品牌相当,通过封装工艺技术的配合,已能满足很多高端应用领域的需求。

  四、封装辅助材料差异

  封装辅助材料包括支架、金线、环氧树脂、硅胶、模条等。辅助材料是LED器件综合性能表现的一个重要基础,辅助材料的好坏可以决定LED器件的失效率、衰减率、光学性能、能耗等。

  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。但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UV、优异折射率及良好膨胀系数等。

  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。

  五、封装设计差异

  LED的封装形式主要有支架式LED、表贴式LED及功率型LED三大主类。

  LED的封装设计包括外形结构设计、散热设计、光学设计、材料匹配设计、参数设计等。

  支架式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。

  六、封装工艺差异

  LED封装工艺同样是非常重要的环节。例如固晶机的胶量控制,焊线机的焊线温度和压力,烤箱的温度、时间及温度曲线,封胶机的气泡和卡位管控等等,均是重点工艺控制点。即使是芯片质量好、辅材匹配好、设计优异、设备精度高,如果是工艺不正确或管控不严,就会最终影响LED的可靠性、衰减、光学特性等。

  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。

  七、LED器件性能差异

  LED器件的性能指标主要表现在如下六方面:

  ①亮度或流明值;②光衰;③失效率;④光效;⑤一致性;⑥光学分布特性

  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、光学分布特性

  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。

  八、结论

  随着中国成为全世界的LED封装大国,中国的LED封装技术在快速发展和进步,与世界顶尖封装技术的差距在缩小,并且局部产品有超越。

  我们需要加大在LED封装技术研究领域方面的研发投入,企业和政府均应引起重视。其实我们中国LED封装技术与国外的差距主要在研发投入的差距。随着中国国力的增长,我们相信中国会成为LED封装强国。