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從芯片到封裝到終端,解讀UVC LED發展現狀

發布日期:2021-06-03    瀏覽次數:374

        一場新型冠狀病毒(COVID-19),大大縮短了UVC LED技術的消費者教育時間。自去年以來,應用了UVC LED技術的產品如雨后春筍般瘋狂出現。

       據了解,在疫情的影響之下,品牌廠商對于殺菌凈化的意識大幅提升,從家電消毒,到空氣殺菌、水凈化等,UVC LED市場需求居高不下,帶動了UV LED整體市場規模的發展。
       但就目前的技術水平而言,在產業鏈的不同環節,UVC LED均面臨著各不相同的困難。
       芯片是性能提升、降低成本的根本
       芯片是UVC LED產業鏈中最核心的難點。
       瑞豐光電指出,目前市面上量產流通的UVC LED芯片的光電轉換效率只有3%左右,要想大幅度的提高光電轉換率,源頭在于芯片自身的提升。
       升譜光電更是直言,外延片及芯片端是整個UVC LED產業鏈的根本所在,如果芯片的性能不好,無論封裝端如何提升結構、技術,都無法從根本上解決問題。
       據了解,當前從事UVC LED芯片的廠商有許多,國內以三安、圓融杰生、安芯美半導體、深紫科技、中科潞安、至芯半導體、至善半導體、寧波紫芯、華燦光電、華引芯、國星半導體等為主,國際的包括首爾半導體、日亞化、Photon Wave等。
       但據TrendForce集邦咨詢旗下光電研究處LEDinside了解,市面上的UVC LED芯片規格以1020為主,其他規格開發難度較大,良率較低。
       UVC LED產品目前仍然存在光電轉換效率低、性價比相對傳統光源低、壽命無法滿足大多數應用場景的需求等問題,而這些問題中最基本的問題是光電轉化效率。
       眾所周知,未能成功轉化為光的電能,則以熱能的形式呈現,而芯片的使用壽命又恰恰與溫度成反比。同時,由光電轉換效率低而帶來的高的發熱量,也對散熱提出了更大的要求,這無形中又再度增加了芯片的成本。
       當然,經過多年的發展和培育,UVC LED芯片產業也取得了一定的進步,比如國產MOCVD設備現已逐漸具備與國際廠商爭鋒的資格,這大大降低了UVC LED芯片的生產成本。
       圓融杰生表示,公司投入UVC外延生產的國產MOCVD已達6臺,可生產6000片/月高質量UVC外延片,國產MOCVD在UVC LED的均勻性、亮度、壽命等方面均有優良的表現,且國產MOCVD的容量大、維護方便、穩定性好,適合量產。圓融杰生已與國產MOCVD生產廠家建立了良好的合作關系,通過外延工藝與MOCVD設備的共同進步不斷推動UVC LED的性能表現。
       華引芯認為,國產MOCVD設備在UVC LED外延生長的整體水平方面仍與海外MOCVD設備有一些差距,但MOCVD國產廠商在2020年進步明顯,差距在縮小。
       至芯半導體則表示,從成本和性能上而言,國產MOCVD設備在生產可見光LED方面都優于國外廠商;而在UVC LED方面,國產設備雖起步稍晚,但目前已經取得較大進步。
       至芯半導體指出,公司在現有國產設備上進行改造,生產的UV LED芯片已經具備較為優良的性能。
       安芯美介紹,德國AIXTRON和美國VEECO為國際主流的可見光用MOCVD設備制造商,韓國TES公司的MOCVD設備在深紫外LED外延上有較好的表現。目前,國產MOCVD設備已可滿足UVC LED對溫度的需求,再結合安芯美對反應腔體及氣流等的二次改造升級優化,國產MOCVD有不錯的性能。
       封裝的共性問題:封裝方式、材料、工藝
       在UVC LED封裝過程中,需要全程注意材料的抗紫外性能,這是UVC LED封裝與傳統白光LED封裝之間最大的區別,也是困難所在。
       封裝方式
       目前,UVC LED的封裝方式主要有三種:有機封裝,半無機封裝(也稱“近無機封裝”)以及全無機封裝。三種方式各有優缺點。
       有機材料在長時間接受紫外照射下容易發生紫外降解。因此,有機封裝主要在白光LED封裝中得到應用,在UVC LED封裝中正逐漸被半無機封裝、全無機封裝取代。
       此外,全無機封裝雖在性能方面較半無機封裝優越,但由于技術難度高,價格也更高,因此,目前市面上仍以半無機封裝為主。
       據了解,升譜光電80%以上的客戶都選擇使用半無機封裝的產品結構,只有對產品的可靠性、氣密性要求比較高的應用場合會選擇采用全無機封裝。
       瑞豐光電則針對不同應用場景及不同需求的客戶,提供了不同的封裝產品。據悉,瑞豐光電目前已經具備全無機封裝的量產技術。并計劃應用于高功率單芯封裝和集成封裝。
       此外,至芯半導體、鴻利智匯、國星光電、銀月光、圓融杰生等均表示目前主推半無機封裝產品;安芯美半導體兼顧半無機及全無機封裝產品;而鴻利秉一、華引芯則以全無機封裝產品為主。
       其中,安芯美半導體指出,半無機封裝產品在成本上有一定優勢,而全無機封裝則將在中大功率產品的應用上占據重要地位。
       封裝材料和工藝
       封裝材料主要包括出光材料、散熱基板材料、焊接鍵合材料;工藝則主要包括固晶、打線(或倒裝共晶)和焊接。不同的材料需要搭配不同的工藝。
       同時,熱能作為整個UVC LED產業鏈的“頭號公敵”,是相關企業各顯神通“欲除之而后快”的一個難題。
       熱管理與材料、工藝息息相關,不同企業采用了不同的材料組合及工藝方案。
       出光材料正轉向石英玻璃、藍寶石等無機透明材料來對UVC LED進行封裝。
       具體到各個企業,鴻利智匯、安芯美、國星光電、升譜光電等主要采用石英玻璃,而至芯半導體則表示石英玻璃、藍寶石兩種材料均有所運用。
據悉,石英玻璃物化性能穩定,在深紫外波段具有高透過率(>90%),并具有機械強度高、耐熱性好、氣密性高等特點,因此成為UVC LED封裝用透鏡材料的熱門選項。
       散熱基板材料主要有樹脂類、金屬類和陶瓷類三種。
       圓融杰生采用AlN及Al2O3陶瓷,具備良好的絕緣性及導熱性。其中AJ及BX系列采用一體設計圍壩,結構更穩定,背部無其他高熱阻絕緣層,整體熱阻小。
       其中,華引芯采用了氮化鋁覆銅材料配合共晶技術焊接芯片的方案;至芯半導體采用AlN陶瓷+電鍍工藝,保證了良好的散熱通道;銀月光采用的是高導熱性的ALN基板。
       安芯美則選擇AlN作為基板的基材。該公司表示,AlN材料具備非常優秀的導熱能力,其導熱系數可以達到20W/m•K,且AlN的機械性能好,抗折強度高于Al2O3和BeO陶瓷,可以用于常壓燒結。
       升譜光電則選用了氮化鋁基板。該公司認為,氮化鋁基板能使熱量更迅速、更有效地通過專用通道把熱量導出,確保器件光效高輸出、導熱性能好、穩定可靠。
       焊接鍵合材料方面,UVC LED的焊接材料主要包括芯片固晶材料和基板焊接材料,分別用于芯片、透鏡與基板之間的焊接。
       國星光電在共晶焊工藝技術方面的優勢和特色較為突出。該公司具備10年的共晶技術沉淀,回流共晶空洞率基本控制在10%以內,大大低于市面上同類產品。據介紹,在降低焊接空洞率方面,該公司已形成了一套較為領先和完善的工藝技術。目前,其UVC LED產品總體空洞面積在10%以下,單顆最大空洞面積在2%以下。
       此外,國星光電也實現了全無機產品的開發,配合高功率UVC LED芯片,可以有效解決UVC衰減偏大的問題。
       圓融杰生表示,公式是國內較早采用共晶的方式進行UVC封裝廠,2020年共晶UVC燈珠產出超過30KK。通過不斷地技術創新,封裝空洞率低,散熱性能優良。此外燈珠蓋板采用藍寶石雙面鍍膜工藝,在提高UVC光萃取效率的同時通過提高蓋板、膠水、金屬的浸潤性,提高封裝的粘接力和防塵防水等級。
       至芯半導體采用真空共晶焊接紫外芯片與支架,以此降低焊接空洞率;銀月光以共晶工藝焊接,提升芯片和基板的結合強度和導熱率,且在焊接過程中保證處于低壓氮氣環境下,有效降低了空洞率。
       安芯美認為,倒裝芯片方案中,空洞率的檢查一直是比較難的一項技術,因為芯片的電極小、錫薄,所以產生的空洞都不容易被發現。為此,安芯美采用的是高可靠性金錫倒裝芯片,使用真空共晶爐方式,再配合一些獨有的檢驗方式,以此降低空洞率,提高燈珠穩定性。
       升譜光電表示,在全無機封裝上,公司采用了與晶片工藝相同的共晶制程,也就是對石英玻璃邊緣進行特殊處理,然后與框架進行金屬化焊接;半無機封裝涉及到粘接膠窗口密封,因此公司對窗口的結構進行了優化設計,使UVC光輻射的強度在窗口端降到最低,避免對粘接膠造成攻擊;在UVC晶片共晶方面則使用了真空爐加工,大大降低了UVC晶片底部焊接空洞的出現。
       瑞豐光電表示,公司一直在改良產品的結構、散熱方式及生產方式。公司指出,理論上,共晶工藝比錫膏工藝的散熱性好。
       應用場景多點開花,但代替汞燈仍待時日
       UVC LED無須預熱時間、不使用汞,具有環保、壽命長、節能、熱損失較少等優點,可充分對應到小型空間與表面/空調殺菌的市場需求。
       TrendForce集邦咨詢旗下光電研究處LEDinside指出,相較于2020年COVID-19帶動的攜便式市場需求、主要規格為3-5mW的UVC LED產品,2021年中國、歐美、韓國、日本品牌廠商計劃在新款家電產品之中導入UVC LED。其中,空氣殺菌將是2021年領導品牌廠商的重點布局領域,且主流產品趨勢朝向20-50mW UVC LED,甚至是更高光功率。
       除了家電市場外,2021年UVC LED應用市場包含汽車空調、商業用、動態水殺菌、工業與制造業、工廠自動化應用與醫療用等。根據TrendForce集邦咨詢旗下光電研究處LEDinside調查,計劃導入或是正在導入UVC LED的品牌廠商高達35家以上。
       但UVC LED欲在短期內完全取代汞燈市場仍然是一個不可能實現的目標。
       業界認為,UVC LED目前仍存在光電轉換效率低、殺菌效果難以可視化、價格過高、性能評價標準未完善、壽命較低等問題,這是UVC LED在技術發展及應用推廣過程中必須去面對和解決的難題。
       圓融杰生認為,隨著外延和芯片技術的進步、新的材料和封裝形式的引入,UVC LED的發光效率以及價格問題會得到較快解決。預計到2023年,UVC LED可以小部分取代汞燈,而到2025年以后則可以實現大規模替代。
       至芯半導體認為,UVC LED完全取代汞燈還比較難,前期可以發揮UVC LED便攜小巧、定向性好、直流低壓等優勢,在一些緊湊型應用產品中優先實現使用或替代。性能提升之后,全面取代汞燈是一個必然趨勢,估計需要2-3年時間。
       安芯美半導體指出,UVC LED最終取代汞燈是趨勢,但從當前到將來,UVC LED行業最應該做的是充分利用UVC LED的環保、便攜、易智能化等優勢,通過全產業鏈及橫向聯合的突破性創新,植入并創造出很多新的應用方式與場景,就像智能手機對功能手機,不僅僅是取代,更是創造了很多新的應用場景及產業。
       國星光電則表示,UVC LED市場滲透率的提升需要整個產品鏈的投入,且發光效率快速達到汞燈的性能后才能快速占領市場,預計需要3-5年。
       瑞豐光電則認為,在一些消費類及小功率類產品,UVC LED能在短期內取代汞燈,但是在工業類應用領域,受限于成本及散熱等問題,UVC LED無法在短期內取代汞燈。
       升譜光電指出,從長遠趨勢來看,UVC LED替代汞燈是一種必然,但當前依然處于共存發展的階段。何時可以替代汞燈則關鍵取決于UVC LED的技術進步:如果UVC的光電轉換率能夠在現有基礎上(3%左右)增加3~5倍,則可實現大規模替換汞燈;如果能增加8~10倍,則汞燈將完全退出歷史舞臺。
       慧億提到,汞燈目前在大功率應用領域具有極大的成本優勢,適用于集中式殺菌場合,如自來水廠集中式水處理系統或者超大儲水系統的殺菌消毒,但迫于《水俁公約》的壓力,其應用范圍會逐漸萎縮;UVC LED應發揮體積小、應用簡單的優勢,化集中式殺菌應用為分布式殺菌應用,比如將自來水廠的集中式殺菌,轉化為個人家庭的水龍頭式殺菌,以達到迅速替代的目標。
       結語:UVC LED的AB面
       UVC LED的A面,是不斷上揚的市場需求。
       TrendForce集邦咨詢在最新的《2021深紫外線LED應用市場與品牌策略》報告中指出,預估2025年UV LED市場規模將有可能到達23.96億美金,2020-2025年復合成長率為51%。其中,UVC LED市場需求持續表現亮麗,帶動整體UV LED市場規模發展。
       UVC LED的B面,是不成熟、無序的發展現狀。
       自2020年下半年開始,UVC消費類市場就開始逐漸冷卻,整個UVC LED市場需求也有所降溫。
       難道說,疫情漸趨穩定了,UVC LED就沒有市場了嗎?
       實則不然。UVC LED市場在2020年上半年的瘋狂擴張中顯得十分混亂,市場魚龍混雜、產品良莠不齊、殺菌效果未達預期、產品標準未統一。許多UVC LED技術并不完善的產品和企業瘋狂涌入市場,發了一筆疫情財,卻也大大拉低了UVC LED在消費者心中的信任度,也損害了UVC LED市場的正常發展。
      進入2021年,行業從狂熱逐漸冷靜,UVC LED市場在博弈中逐步走向成熟階段。
      欲戴王冠,必承其重。作為一項高技術門檻的技術,UVC LED是整個產業鏈的機遇,卻也需要企業加大研發力度,才能在激烈而殘酷的市場競爭中博得一席之地。
       不逞一時之快,不貪一時之利,不慕一時之名,才是長久之道。
 
上课胸露出来被男同桌摸好