从芯片到封装到终端,解读UVC LED发展现状
2021-06-02 03:19 [编辑: jameswen]

一场新型冠状病毒(COVID-19),大大缩短了UVC LED技术的消费者教育时间。自去年以来,应用了UVC LED技术的产品如雨后春笋般疯狂出现。

据了解,在疫情的影响之下,品牌厂商对于杀菌净化的意识大幅提升,从家电消毒,到空气杀菌、水净化等,UVC LED市场需求居高不下,带动了UV LED整体市场规模的发展。

但就目前的技术水平而言,在产业链的不同环节,UVC LED均面临着各不相同的困难。

芯片是性能提升、降低成本的根本

芯片是UVC LED产业链中最核心的难点。

瑞丰光电指出,目前市面上量产流通的UVC LED芯片的光电转换效率只有3%左右,要想大幅度的提高光电转换率,源头在于芯片自身的提升。

升谱光电更是直言,外延片及芯片端是整个UVC LED产业链的根本所在,如果芯片的性能不好,无论封装端如何提升结构、技术,都无法从根本上解决问题。

据了解,当前从事UVC LED芯片的厂商有许多,国内以三安、圆融杰生、安芯美半导体、深紫科技、中科潞安、至芯半导体、至善半导体、宁波紫芯、华灿光电、华引芯、国星半导体等为主,国际的包括首尔半导体、日亚化、Photon Wave等。

但据TrendForce集邦咨询旗下光电研究处LEDinside了解,市面上的UVC LED芯片规格以1020为主,其他规格开发难度较大,良率较低。

UVC LED产品目前仍然存在光电转换效率低、性价比相对传统光源低、寿命无法满足大多数应用场景的需求等问题,而这些问题中最基本的问题是光电转化效率。

众所周知,未能成功转化为光的电能,则以热能的形式呈现,而芯片的使用寿命又恰恰与温度成反比。同时,由光电转换效率低而带来的高的发热量,也对散热提出了更大的要求,这无形中又再度增加了芯片的成本。

当然,经过多年的发展和培育,UVC LED芯片产业也取得了一定的进步,比如国产MOCVD设备现已逐渐具备与国际厂商争锋的资格,这大大降低了UVC LED芯片的生产成本。

圆融杰生表示,公司投入UVC外延生产的国产MOCVD已达6台,可生产6000片/月高质量UVC外延片,国产MOCVD在UVC LED的均匀性、亮度、寿命等方面均有优良的表现,且国产MOCVD的容量大、维护方便、稳定性好,适合量产。圆融杰生已与国产MOCVD生产厂家建立了良好的合作关系,通过外延工艺与MOCVD设备的共同进步不断推动UVC LED的性能表现。

华引芯认为,国产MOCVD设备在UVC LED外延生长的整体水平方面仍与海外MOCVD设备有一些差距,但MOCVD国产厂商在2020年进步明显,差距在缩小。

至芯半导体则表示,从成本和性能上而言,国产MOCVD设备在生产可见光LED方面都优于国外厂商;而在UVC LED方面,国产设备虽起步稍晚,但目前已经取得较大进步。

至芯半导体指出,公司在现有国产设备上进行改造,生产的UV LED芯片已经具备较为优良的性能。

安芯美介绍,德国AIXTRON和美国VEECO为国际主流的可见光用MOCVD设备制造商,韩国TES公司的MOCVD设备在深紫外LED外延上有较好的表现。目前,国产MOCVD设备已可满足UVC LED对温度的需求,再结合安芯美对反应腔体及气流等的二次改造升级优化,国产MOCVD有不错的性能。

封装的共性问题:封装方式、材料、工艺

在UVC LED封装过程中,需要全程注意材料的抗紫外性能,这是UVC LED封装与传统白光LED封装之间最大的区别,也是困难所在。

封装方式

目前,UVC LED的封装方式主要有三种:有机封装,半无机封装(也称“近无机封装”)以及全无机封装。三种方式各有优缺点。

有机材料在长时间接受紫外照射下容易发生紫外降解。因此,有机封装主要在白光LED封装中得到应用,在UVC LED封装中正逐渐被半无机封装、全无机封装取代。

此外,全无机封装虽在性能方面较半无机封装优越,但由于技术难度高,价格也更高,因此,目前市面上仍以半无机封装为主。

据了解,升谱光电80%以上的客户都选择使用半无机封装的产品结构,只有对产品的可靠性、气密性要求比较高的应用场合会选择采用全无机封装。

瑞丰光电则针对不同应用场景及不同需求的客户,提供了不同的封装产品。据悉,瑞丰光电目前已经具备全无机封装的量产技术。并计划应用于高功率单芯封装和集成封装。

此外,至芯半导体、鸿利智汇、国星光电、银月光、圆融杰生等均表示目前主推半无机封装产品;安芯美半导体兼顾半无机及全无机封装产品;而鸿利秉一、华引芯则以全无机封装产品为主。

其中,安芯美半导体指出,半无机封装产品在成本上有一定优势,而全无机封装则将在中大功率产品的应用上占据重要地位。

封装材料和工艺

封装材料主要包括出光材料、散热基板材料、焊接键合材料;工艺则主要包括固晶、打线(或倒装共晶)和焊接。不同的材料需要搭配不同的工艺。

同时,热能作为整个UVC LED产业链的“头号公敌”,是相关企业各显神通“欲除之而后快”的一个难题。

热管理与材料、工艺息息相关,不同企业采用了不同的材料组合及工艺方案。

出光材料正转向石英玻璃、蓝宝石等无机透明材料来对UVC LED进行封装。

具体到各个企业,鸿利智汇、安芯美、国星光电、升谱光电等主要采用石英玻璃,而至芯半导体则表示石英玻璃、蓝宝石两种材料均有所运用。

据悉,石英玻璃物化性能稳定,在深紫外波段具有高透过率(>90%),并具有机械强度高、耐热性好、气密性高等特点,因此成为UVC LED封装用透镜材料的热门选项。

散热基板材料主要有树脂类、金属类和陶瓷类三种。

圆融杰生采用AlN及Al2O3陶瓷,具备良好的绝缘性及导热性。其中AJ及BX系列采用一体设计围坝,结构更稳定,背部无其他高热阻绝缘层,整体热阻小。

其中,华引芯采用了氮化铝覆铜材料配合共晶技术焊接芯片的方案;至芯半导体采用AlN陶瓷+电镀工艺,保证了良好的散热通道;银月光采用的是高导热性的ALN基板。

安芯美则选择AlN作为基板的基材。该公司表示,AlN材料具备非常优秀的导热能力,其导热系数可以达到20W/m·K,且AlN的机械性能好,抗折强度高于Al2O3和BeO陶瓷,可以用于常压烧结。

升谱光电则选用了氮化铝基板。该公司认为,氮化铝基板能使热量更迅速、更有效地通过专用通道把热量导出,确保器件光效高输出、导热性能好、稳定可靠。

焊接键合材料方面,UVC LED的焊接材料主要包括芯片固晶材料和基板焊接材料,分别用于芯片、透镜与基板之间的焊接。

国星光电在共晶焊工艺技术方面的优势和特色较为突出。该公司具备10年的共晶技术沉淀,回流共晶空洞率基本控制在10%以内,大大低于市面上同类产品。据介绍,在降低焊接空洞率方面,该公司已形成了一套较为领先和完善的工艺技术。目前,其UVC LED产品总体空洞面积在10%以下,单颗最大空洞面积在2%以下。

此外,国星光电也实现了全无机产品的开发,配合高功率UVC LED芯片,可以有效解决UVC衰减偏大的问题。

圆融杰生表示,公式是国内较早采用共晶的方式进行UVC封装厂,2020年共晶UVC灯珠产出超过30KK。通过不断地技术创新,封装空洞率低,散热性能优良。此外灯珠盖板采用蓝宝石双面镀膜工艺,在提高UVC光萃取效率的同时通过提高盖板、胶水、金属的浸润性,提高封装的粘接力和防尘防水等级。

至芯半导体采用真空共晶焊接紫外芯片与支架,以此降低焊接空洞率;银月光以共晶工艺焊接,提升芯片和基板的结合强度和导热率,且在焊接过程中保证处于低压氮气环境下,有效降低了空洞率。

安芯美认为,倒装芯片方案中,空洞率的检查一直是比较难的一项技术,因为芯片的电极小、锡薄,所以产生的空洞都不容易被发现。为此,安芯美采用的是高可靠性金锡倒装芯片,使用真空共晶炉方式,再配合一些独有的检验方式,以此降低空洞率,提高灯珠稳定性。

升谱光电表示,在全无机封装上,公司采用了与晶片工艺相同的共晶制程,也就是对石英玻璃边缘进行特殊处理,然后与框架进行金属化焊接;半无机封装涉及到粘接胶窗口密封,因此公司对窗口的结构进行了优化设计,使UVC光辐射的强度在窗口端降到最低,避免对粘接胶造成攻击;在UVC晶片共晶方面则使用了真空炉加工,大大降低了UVC晶片底部焊接空洞的出现。

瑞丰光电表示,公司一直在改良产品的结构、散热方式及生产方式。公司指出,理论上,共晶工艺比锡膏工艺的散热性好。

应用场景多点开花,但代替汞灯仍待时日

UVC LED无须预热时间、不使用汞,具有环保、寿命长、节能、热损失较少等优点,可充分对应到小型空间与表面/空调杀菌的市场需求。

TrendForce集邦咨询旗下光电研究处LEDinside指出,相较于2020年COVID-19带动的携便式市场需求、主要规格为3-5mW的UVC LED产品,2021年中国、欧美、韩国、日本品牌厂商计划在新款家电产品之中导入UVC LED。其中,空气杀菌将是2021年领导品牌厂商的重点布局领域,且主流产品趋势朝向20-50mW UVC LED,甚至是更高光功率。

除了家电市场外,2021年UVC LED应用市场包含汽车空调、商业用、动态水杀菌、工业与制造业、工厂自动化应用与医疗用等。根据TrendForce集邦咨询旗下光电研究处LEDinside调查,计划导入或是正在导入UVC LED的品牌厂商高达35家以上。

但UVC LED欲在短期内完全取代汞灯市场仍然是一个不可能实现的目标。

业界认为,UVC LED目前仍存在光电转换效率低、杀菌效果难以可视化、价格过高、性能评价标准未完善、寿命较低等问题,这是UVC LED在技术发展及应用推广过程中必须去面对和解决的难题。

圆融杰生认为,随着外延和芯片技术的进步、新的材料和封装形式的引入,UVC LED的发光效率以及价格问题会得到较快解决。预计到2023年,UVC LED可以小部分取代汞灯,而到2025年以后则可以实现大规模替代。

至芯半导体认为,UVC LED完全取代汞灯还比较难,前期可以发挥UVC LED便携小巧、定向性好、直流低压等优势,在一些紧凑型应用产品中优先实现使用或替代。性能提升之后,全面取代汞灯是一个必然趋势,估计需要2-3年时间。

安芯美半导体指出,UVC LED最终取代汞灯是趋势,但从当前到将来,UVC LED行业最应该做的是充分利用UVC LED的环保、便携、易智能化等优势,通过全产业链及横向联合的突破性创新,植入并创造出很多新的应用方式与场景,就像智能手机对功能手机,不仅仅是取代,更是创造了很多新的应用场景及产业。

国星光电则表示,UVC LED市场渗透率的提升需要整个产品链的投入,且发光效率快速达到汞灯的性能后才能快速占领市场,预计需要3-5年。

瑞丰光电则认为,在一些消费类及小功率类产品,UVC LED能在短期内取代汞灯,但是在工业类应用领域,受限于成本及散热等问题,UVC LED无法在短期内取代汞灯。

升谱光电指出,从长远趋势来看,UVC LED替代汞灯是一种必然,但当前依然处于共存发展的阶段。何时可以替代汞灯则关键取决于UVC LED的技术进步:如果UVC的光电转换率能够在现有基础上(3%左右)增加3~5倍,则可实现大规模替换汞灯;如果能增加8~10倍,则汞灯将完全退出历史舞台。

慧亿提到,汞灯目前在大功率应用领域具有极大的成本优势,适用于集中式杀菌场合,如自来水厂集中式水处理系统或者超大储水系统的杀菌消毒,但迫于《水俣公约》的压力,其应用范围会逐渐萎缩;UVC LED应发挥体积小、应用简单的优势,化集中式杀菌应用为分布式杀菌应用,比如将自来水厂的集中式杀菌,转化为个人家庭的水龙头式杀菌,以达到迅速替代的目标。

结语:UVC LED的AB面

UVC LED的A面,是不断上扬的市场需求。

TrendForce集邦咨询在最新的《2021深紫外线LED应用市场与品牌策略》报告中指出,预估2025年UV LED市场规模将有可能到达23.96亿美金,2020-2025年复合成长率为51%。其中,UVC LED市场需求持续表现亮丽,带动整体UV LED市场规模发展。

UVC LED的B面,是不成熟、无序的发展现状。

自2020年下半年开始,UVC消费类市场就开始逐渐冷却,整个UVC LED市场需求也有所降温。

难道说,疫情渐趋稳定了,UVC LED就没有市场了吗?

实则不然。UVC LED市场在2020年上半年的疯狂扩张中显得十分混乱,市场鱼龙混杂、产品良莠不齐、杀菌效果未达预期、产品标准未统一。许多UVC LED技术并不完善的产品和企业疯狂涌入市场,发了一笔疫情财,却也大大拉低了UVC LED在消费者心中的信任度,也损害了UVC LED市场的正常发展。

进入2021年,行业从狂热逐渐冷静,UVC LED市场在博弈中逐步走向成熟阶段。

欲戴王冠,必承其重。作为一项高技术门槛的技术,UVC LED是整个产业链的机遇,却也需要企业加大研发力度,才能在激烈而残酷的市场竞争中博得一席之地。

不逞一时之快,不贪一时之利,不慕一时之名,才是长久之道。(文:LEDInside Lynn)

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