图解LED芯片技术三大流派

我去年提过，LED的竞争在这两年将会是技术的竞争，但是离不开两个规律：“技术越来越先进”，尤其是光效的提升；“成本会越来越低”，尤其是在芯片，封装与电源成本的降低，当然还有灯具如何可以自动化的组装，减少人力成本。在LED行业已经快要16年的我，见证了一颗蓝光芯片由五块钱一颗（1998年）到现在的一千颗5块钱（5 RMB/k），这个行业进步的太快了，甚至比集成电路还快，我见证了它的成长，我也参与了他的进步。现在对这十几年来我对LED技术的心得跟大家分享，尤其是在中上游的技术方面。

我把氮化镓LED技术的流派分为三大部分：第一是垂直结构派，以科锐与欧司朗为代表，金属衬底的旭明，还有执着于硅衬底的普瑞东芝与晶能，当然还不能忘记很多日本厂商与中村修二先生在研发的氮化镓同质结构。第二是倒装派（flip Chip），想到倒装当然就是飞利浦Luminled了，当然大陆的晶科与目前台湾很多芯片厂都在研发这种芯片，甚至科锐也开始在做这类产品了，所以技术与良率也在不断地成熟中。第三当然是蓝宝石衬底结构，目前LED的主流，几乎每家公司都以这个结构为基础做很大的改善，前面说的16年进步一千倍，就是一直以这种结构不断改善的。

三大流派各有优缺点，分述如下：

垂直结构派：

有点像明教或日月神教的感觉，始终不是主流，但是又有独特的技术，如果做到极致像是科锐的碳化硅技术还是可以跟主流抗衡，在金庸小说里面，不管是阳顶天，张无忌，任我行还是东方不败，他们都可以跟少林武当分庭抗礼，但是始终不是主流或是像流星一样瞬间消失。垂直结构派就是如此，它始终在走非主流路线，一直有新技术在发表，但是在市场上始终很难找到他们的踪影。垂直结构除了碳化硅和同质衬底，都需要非常复杂的工艺来制造，不管是硅衬底还是金属衬底，与氮化镓热失配问题一直没有解决，导致这种结构良率非常低，虽然导热好，衬底也比蓝宝石便宜，发光面积也比较大，但是在成本与技术的竞争上始终不是蓝宝石结构的对手。因为上下电极的原因，在应用上也受限，尤其是在需要串并的电路设计上无法满足很多灯具的要求，也无法制作高压芯片，因此科锐的垂直结构芯片只能用在路灯等较高单价的特定市场，通用照明与背光这两个主流市场垂直结构芯片始终无法大量介入。当然我们不能忽略日本公司与中村修二先生正在研发的同质结构，它没有前面提到的缺点，但是一个致命的问题就足以打败它所有的优点，氮化镓衬底贵的离谱，两年前是1000美金，现在是500美金以上，做LED会不会太奢侈了？所以现在同质衬底只能用来做蓝光激光二极管，用于HD-DVD播放机或是高画质的PS3游戏机的读写头。大家一定会问我有没有降价空间？我的答案是“有，但是有限”，目前氮化镓衬底只有两种主流做法，氢化物气相外延HVPE与热氨法amonothermal method，估计要降到100美金才会有竞争力，但是依照目前的技术五年内都达不到。

倒装结构派：

有点像武当派，武当派是张三丰离开少林之后自创的一派，就像倒装技术其实也是蓝宝石技术的延伸，只不过是将蓝宝石结构的芯片倒装贴合在导热性比较高的基板上，如果在基板上加上齐纳二极管，他可以抗拒电子器件最怕的静电冲击，有点像是武当太极以柔克刚的感觉。倒装目前是正装结构外大家在关注的焦点，尤其是封装厂急于降成本的时候，由于导热路径不需经过蓝宝石，热可以直接导入散热基板，芯片共晶倒装技术在技术上也越来越成熟，良率越来越高，已经接近正装的良率。倒装有三个优点是正装永远无法赶上的，不需要焊线工艺，大电流驱动不光衰，均匀的荧光粉涂布，所以目前封装厂对倒装是又爱又恨，爱的是他可以省下焊金线成本，倒装封装的二极管可以加大电流，1颗可以当2颗或是3颗用，荧光粉可以涂布均匀，发出来的光很均匀漂亮。恨的是目前很多公司在发展无封装制程（CSP：chip Scale Package），把封装的工艺在芯片段都做完了，直接跳过封装，交货给应用厂商，很多封装厂怕万一CSP未来成为主流，他们之前的投资将血本无归。这也是我一直在关注的技术，我目前还是无法判断是否有可能，就像我们看金庸小说一样，始终无法判断是武当厉害还是少林厉害。

蓝宝石派：

我心目中的少林派，这二十年来始终屹立不摇，不管是外延还是芯片技术，都是循序渐进的依照海兹定律(Haitz’sLaw)不断提升，就像少林武功一样，不断的透过内功修炼，完成绝世武功的升华。正装工艺是中村修二先生发展出来的，做成正装主要原因是蓝宝石衬底不导电，需要将正负极做在同一个发光面上，他有先天上的缺点，只要克服这些缺点，就可以完成一次次飞跃的提升。蓝宝石与氮化镓晶格失配用低温缓冲层解决，P型氮化镓电阻过高用退火来解决，镍金透明导电层穿透率太低用氧化铟锡ITO来取代，钻石刀切割良率低，钻石刀成本过高用紫外激光划片解决，紫外激光划片亮度损失用飞秒隐形切割或热酸腐蚀来解决，降低缺陷密度，减少界面全反射用PSS图形衬底取代平面衬底。一次次的提升都是透过新材料与新工艺来完成，就像少林武功一样，透过扎实的基本功，将武功一步一步的提升，完成绝世武功的升华，没有取巧也没有捷径。他每一次受到的挑战，都利用扎实的基础来化解，所以一直是LED的主流，估计未来几年都会如此。

有人会问我，未来谁会是技术主流，我想金庸先生已经给我们答案了，在金庸小说里面，那些派别是屹立不摇，那些是瞬间暴起，瞬间流逝。长远来看，正装的少林与倒装的武当是主流，其他技术，就像是小说里面的明教，日月神教，在一时间会刮起风潮，但是永远不会是主流。 （注：本文由德力光电叶国光向LED网供稿）