功率半导体照明器件研制技术类.docx
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功率半导体照明器件研制技术类
历下区科技发展计划项目可行性研究报告
项目名称:
JH-1W功率半导体照明器件研制
领域:
信息技术行业
起止时间:
20060101~20071230
历下区科学技术局
填报日期:
2006年05月18日
历下区科技发展计划项目可行性研究报告
一、立项的背景和意义
LED器件的封装是十分重要的一环,封装质量不好,会严重影响LED器件的光效和光色,使用寿命等。
封装产业作为本单位的主打产业已有多年,在封装技术和大规模生产方面积累了丰富的经验,在LED封装方面先后引进了国外先进企业如Lumileds公司的技术,结合台湾同行业技术,并与之进行合作开发,已经研制出LED系列的多个品种。
普通的白光LED结构还难以胜任照明光源的要求,模粒、支架、封装用树脂、光学结构等都有待采用新设计、新材料和新工艺来改善,以适应固体照明光源的发展。
我们一直密切关注照明用白光LED封装技术的发展,抢先获得在取光率、封装树脂、导热、涂敷荧光粉胶工艺和LED器件结构和制造工艺等方面的技术突破,以期能捕捉住半导体照明产业市场的先机。
经过一年多的试验,我们逐步研制出功率型半导体照明器件,其具有的高亮度、低能耗、长寿命特点,会在半导体照明行业获得重大进展。
我们应加强与有关政府领导的沟通,争取有关政策、资金的支持;同时,海峡两岸同仁也有很大的合作空间。
功率LED灯在同样亮度下,耗电仅为普通白炽灯的1/10,而寿命却可延长100倍,由于LED灯具有节能、长寿命、免维护、环保等优点,业内普遍认为,随着亮度的提高和价格的下降,LED灯具替代传统的白炽灯和荧光灯是大势所趋,21世纪将成为LED照明时代。
由于半导体照明具有节能、长寿命、免维护、环保等特点,半导体LED等替代传统的白炽灯、荧光灯已是大势所趋。
鉴于半导体照明产业令人鼓舞的发展前景,国家已于去年启动“国家半导体照明工程”计划,成立协调领导小组,拨款8000万元作为引导经费,向国务院提交专报,拟将半导体照明产品列入国家高新技术产品目录、节能产品目录和政府采购目录,并享受相应的优惠政策。
“国家半导体照明工程”领导小组组长、科技部高新司司长李建认为“我国发展半导体照明产业的机遇很好”,有利条件是:
首先,中国是世界第一大照明电的生产国和第二大照明电的出口国,美国年照明用电6000亿千瓦时,约占总用电量20%。
我国人口5倍于美国,目前照明用电仅为美国的1/3,占全国总用电量的12%。
这意味着照明工业在国内有着巨大的发展空间。
其次,我国在LED产品的技术水平,芯片方面与发达国家相差3年左右,封装方面仅相距1年,我国生产的红光、黄光LED灯在全球最有竞争力,优势就在于封装。
第三,半导体照明产业,特别是位于产业链下游的LED封装和照明系统产业,既是一个技术密集型产业,又是一个劳动密集型产业。
其难度和风险都大大低于微电子产业。
发展半导体照明产业,能够充分发挥国内的人力资源优势,带动相关产业,并增加出口,吸纳就业。
李建司长还指出,考虑到性能价格比,半导体照明宜先从包括城市景观照明、汽车照明、道路交通照明和军事照明等特种照明作起。
同时,抓紧低成本、高亮度、大功率白光二极管及其系统的开发,让半导体灯早日进入千家万户,最终占领普通照明市场。
该项目的的研制,突破了普通LED发光器件亮度低,以及作为照明应用所需的低能耗、长寿命难题。
该项目的推广应用,可以给公司带来良好的经济效益和巨大的社会效益:
每年实现销售收入2000万元,新增利税800万元,交税260万元,实现纯利540万元。
二、国内外现状和发展趋势〔包括知识产权现状〕
1、国内外基本情况及发展趋势。
目前国内功率半导体照明器件占世界照明半导体器件市场的50%,由于功率半导体器件封装是劳动力密集型产业,国外及台湾相关厂商正陆续将封装企业迁往国内和东南亚,功率半导体器件封装在国内和东南亚正处于产业快速增长期,国内目前功率半导体器件年产量超过1千万支,年生产能力1百万支以上的厂商不超过5家。
功率半导体器件封装技术在国内尚属在研制技术,且不同厂家采用不同工艺,尚未见有知识产权及专利发表。
2、申请承担单位目前研发应用情况:
针对功率半导体器件应用种类多、散热不好、发光角度控制难等问题,我们结合几十年来研制军用民用半导体器件和工艺改造经验,参考国内外先进技术,自主研发了全新的功率半导体器件封装工艺。
该项目05年1月开始立项启动,经过市场调研、可行性论证、方案设计、工艺试验、部件加工、产品测试验证,到05年12月底已开始研制出功率LED样品,多家LED老客户表示了很大兴趣。
三、现有研究基础、特色和优势
1、现阶段已达到的主要技术指标和经济指标。
现阶段已完成产品测试验证,各指标已达到设计要求,并试制出第一批样品,主要参数:
功率:
1~5W;
光通量:
10~30LM
发光角度:
30~150°
产量每年200万支;
成品率95%
2、项目主要创新点
透镜的设计:
大功率LED器件的顶部透镜之光学设计是十分重要的,我们的做法是:
在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求,尽量配合应用照明器具的发光角度要求进行设计。
散热结构的创新:
普通型LED封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250℃/W~300℃/W,新的功率型芯片若采用传统式的LED封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。
因此对于大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。
可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热;设计二次散热装置,降低器件的热阻。
在器件的内部,填充透明度高的柔性硅改性环氧材料,在可承受的温度范围内不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。
零件材料也充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。
3.我们的优势
人才优势。
本单位从1958年成立至今,经过这许多年的积累,已拥有一支中国最优秀的半导体器件研发队伍,这是我们不断推陈出新、发展壮大的动力。
资源优势。
我们对LED的原材料已进行过深入地研究,与日本山田株式会社合资生产的LED引线框架目前也正在给惠普公司配套。
我们有跟踪LED前沿技术的综合能力。
四、应用或产业化前景、市场需求。
1.目前照明的发展趋势:
节能和环保
应该说,“绿色照明”将是我国未来照明市场发展的一个大趋势,而“节能”和“环保”目前仍是照明的两大主题。
现阶段,我国的发电能力和人均用电量与发达国家相比仍有很大的差距,因此,研制开发环保节能技术、推广环保节能产品便成了一项重要工作。
近年来,政府对于照明的设计和施工中的环保、节能问题都给予了高度的重视,我国的“绿色照明促进项目”也已经正式启动。
而当今世界高新技术产业发展也有一个值得注意的动向,那就是:
半导体技术继引发微电子革命之后,又在孕育着一场新的产业革命——照明革命,其标志就是半导体灯(即功率半导体照明器件)将逐步替代白炽灯和荧光灯。
据中国科技部高新司材料处副处长刘兵介绍说,半导体灯采用LED作为新光源,在同样亮度下,耗电仅为普通白炽灯的1/10,而寿命却可延长100倍。
现在我国一年照明耗电量约为2000亿千瓦时,光源替代后,每年可节约近800亿千瓦时,相当于2个三峡电站。
由于半导体照明具有节能、寿命长、免维护、环保等特性,因此业内普遍认为,如同晶体管替代电子管一样,半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯,也是大势所趋。
鉴于半导体照明产业令人鼓舞的发展前景,日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划,投入巨资进行研发,我国台湾地区也出台了新世纪照明光源开发计划,大力发展发光二极管产业。
美国能源部预测,到2010年前后,美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯所替代,每年可节电350亿美元。
日本提出,2007年就要用半导体灯大规模替代传统白炽灯。
据测算,7年后仅在美国,半导体照明就可能形成一个500亿美元的大产业。
面对半导体照明市场的巨大诱惑,世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、欧司朗集团纷纷与半导体公司合作,成立半导体照明企业,并提出要在2010年前,使半导体灯发光效率再提高8倍,价格降低100倍。
一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战,已经在全球打响。
据了解,我国发展半导体照明产业有三大优势。
首先是,中国拥有巨大的照明市场。
其次,我国在此领域已具备一定的技术和产业基础,是我国为数不多的与发达国家相比差距不大的高新技术产业之一。
据专家称,总体来说,目前我国半导体发光二极管产业的技术水平,与发达国家只相差3年左右时间。
第三,发展半导体照明产业能够发挥我国的优势。
因为半导体照明产业,特别是位于产业链下游的芯片封装和照明系统产业,既是一个技术密集型产业,又是一个劳动密集型产业,其难度和风险都大大低于微电子产业。
发展半导体照明产业,能够充分发挥我国的人力资源优势,带动相关产业,并增加出口,吸纳就业。
2、具体说明已有和有待开发的市场情况。
现有普通LED客户都深受LED照明市场前景的诱惑,有向功率LED半导体照明应用发展的打算,因此对功率LED器件产品都表示了很大兴趣,我们初次研制的产品已被几家客户拿去做试用,一旦被市场认可,将会批量定制。
通过本项目工艺攻关,掌握了新型半导体照明器件研发、生产的关键核心技术,为新型半导体照明器件新产品开发和产业化打下坚实的基础。
预计项目产业化后,可形成半导体照明器件1200万支/年的生产能力,可以为单位增加年销售收入12000万元,年交税总额1300万元,年净利润3200万元,出口年可创汇600万美元。
五、研究内容与预期目标
1、总体目标:
项目执行期间预计投资情况:
项目总投资300万元、申请市科技三项经费60万元、自筹资金240万元、已完成投资180万元。
项目投资主要用途:
仪器设备购置费160万元、能源材料费80万元、试验外协费20万元、资料印刷费5万元、会议差旅费10万元、人员劳务费15万元、其它费用10万元。
科技三项经费的主要用途:
仪器设备购置费25万元、能源材料费15万元、试验外协费5万元、资料印刷费5万元、会议差旅费5万元、人员劳务费5万元、其它费用0万元。
项目完成时实现年生产能力200万支/年,单位资产规模增加160万元,单位人员50人,新增就业岗位40个。
2、经济指标:
项目完成时实现年生产能力200万支/年,预计可实现的年销售收入2000万元、新增利税800万元,新增交税260万元,实现纯利540万元,年创汇额100万美元。
3、技术、质量指标:
预计功率半导体照明器件可以达到以下指标:
功率:
1~5W;
光通量:
10~30LM
发光角度:
30~150°
产量每年200万支;
成品率95%
由于我们研制功率半导体照明器件采用大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构,在国内属首创,准备向国家专利局申请发明专利1项。
六、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
1、技术方案:
功率半导体照明器件封装主要工艺流程:
A.固晶将功率型LED芯片粘结固定在支架上。
B.焊线通过金丝焊接,将芯片线路连接到支架引出端上。
C.透镜封装根据产品要求选择适合的透镜,粘结在支架发光面。
D.固化烘干固化粘结胶体。
E.组装将支架半成品与散热板、焊板组装,粘结固化。
F.切筋将成条的半成品分离为单支成品。
G.测试测试产品光电参数。
其中的关键技术:
A.散热技术:
对于大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。
可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热;设计二次散热装置,降低器件的热阻。
在器件的内部,填充透明度高的柔性硅改性环氧材料,在可承受的温度范围内不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。
零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。
B.保证高效率出光:
通过芯片的倒装技术(FLIPCHIP)可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。
倒装芯片封装技术由军用功率半导体器件封装技术延伸而来,本单位是国家定点军用电子元器件生产基地,有四十八年的半导体器件研发经验,具有非常深厚的半导体技术实力和较强的技术创新能力,是国内极少数能够掌握倒装芯片封装技术的单位之一。
C.透镜的封装:
透镜与大功率LED器件的装配方法理想的情况应采取气密性封装,如果受透镜形状所限也可采取半气密性封装。
功率半导体照明器件达到的主要参数:
功率:
1~5W;
光通量:
10~30LM
发光角度:
30~150°
产量每年200万支;
成品率95%
2、本公司已有在用生产场地1000平方米、另有3000平方米标准厂房待改造装修,其他公用工程、辅助设施、原动等方面工业园均已具备。
3、本项目产品生产过程无毒害材料和工艺,无“三废”排放。
4、本项目计划2-3年内在相关厂商推广应用,研发结束后先生产10~20万支满足已有客户的小批量需要,市场成熟后需求量将会呈现爆发式增长,下一步会紧接做大批量扩产预算及投资计划。
06年完成项目的研发工作,编制相关的技术文件和使用维护手册,组织市场推广工作。
七、年度计划内容
06年1月~6月投入研发经费80万元,已完成市场调研、可行性论证、方案设计、引进了部分必须的加工、试验设备、部分产品工艺试验、部件加工、样品测试,到05年12月底已开始研制出首批功率半导体照明器件样品。
06年7月~12月,计划投入研发经费80万元,继续进行工艺试验、样品改进加工、引进必须的加工设备和检测仪器采购、部分工装模具加工采购、部分生产材料的采购、样品客户使用验证。
07年1月~6月,计划投入研发经费50万元,配齐所需的生产、试验、检测设备;部分生产材料的采购;产品市场推广,根据客户需求小批量加工。
07年7月~12月完成项目全部研制工作,产品定型,再投入30万元经费,编制相关的技术文件和使用维护手册,通过有关部门的技术鉴定;印制宣传手册,扩大市场推广范围。
八、主要研究人员和单位简况及具备的条件
本项目主要研究人员长期从事半导体封装技术的研发、生产,具有丰富的经验和专业知识。
其中研究生1名,本科生3名,大专3名,具有中级职称以上者6名。
研发成熟的主要LED产品有PIRANHALED、SNAPLED支架及器件,总年产能力5000万支,产生了巨大经济效益。
并有多项获得济南市电子工业局科技进步奖。
研究人员1:
大专学历,电子专业,工程师,长期从事半导体技术的研发、生产,具有丰富的经验和专业知识。
主要成绩:
1)2000年《铅锡挂镀工艺研究及应用》项目获济南市电子局科技进步一等奖。
2)2002年《RTOR电镀线改造工程》获济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
3)2002年《SOP8型片式集成电路框架》项目获得济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
4)2002年《水虎鱼电子发光管引线框架》项目获济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
5)2002年《SOD123/323引线框架》项目获济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
研究人员2:
大专学历,机械专业,工程师,长期从事半导体制造技术的研发、生产,具有丰富的经验和专业知识。
主要成绩:
1)2000年《电子元器件滚镀纯锡工艺操作经验略谈》论文在山东省表面工程协会2000年年会发表。
2)2002年《RTOR电镀线改造工程》获济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
3)2002年《PQFP100型片式大规模/超大规模集成电路框架》项目获得济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
4)2002年《水虎鱼电子发光管引线框架》项目获济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
5)2002年《切断机改造工程》项目获济南市机械电子工业办公室科技进步一等奖。
技术顾问1:
×××博士,毕业于台湾中原大学,台湾工研院光电所光电器件封装负责人;工研院亿光电子(LED封装厂)技术方案推广讲师;《工业材料》杂志光电封装专栏作家;财团法人自强工业科学基金会特约光电器件封装教授;在数家LED封装企业担任研发、制造部经理、副总经理和技术总监。
博士曾经参与组建多条LED封装生产线,对功率LED封装的导热、结构、制造工艺、质量保障均有独到的理解和高超的解决方案,拥有十四项功率LED封装专利,四项LED应用模组专利,他所具有的LED封装经历、功率LED封装技术、出色的LED研发能力及组建LED封装生产线的成功经验,对本单位SMD/功率LED封装生产线的建设十分有用,可使本单位能够尽快掌握先进的LED封装生产技术,尽快培养优秀的技术研发队伍,尽早形成SMD/功率LED生产能力。
技术顾问2:
单位总工程师,山东省第一台电视机设计者之一,山东省第一条LED生产线设计、组建者之一,国内第一套彩电集成电路封装生产线设计、组建者,高可靠军用混合电路生产线设计、组建者,国内唯一一条高可靠金属陶瓷表面贴装器件生产线设计者。
获载人航天工程个人二等功(神舟5号)
单位法人:
半导体专业本科毕业,高级工程师,先后有10余项科研成果通过部级鉴定。
市党代会代表,区人大代表。
组建过数条生产线和DPA实验室,获载人航天工程个人三等功(神舟5号)。
本单位位于集团工业园内,集团拥有国内本行业少有的模具加工和半导体封装加工力量(为国内最大中日合资集成电路及LED引线框架生产厂和军用民用半导体生产线配套),有自动半自动粘片、焊线机、自动分光分色测试机、高精密冲床、万能铣床、车床、线切割、平面磨床、曲线磨床等加工设备几十台及万能工具显微镜镀、光强光通量测试仪等测量设备。
可以保障功率半导体照明器件的研发、生产需要。
九、经费预算
项目执行期间预计投资情况:
项目总投资300万元、申请市科技三项经费60万元、自筹资金240万元、已完成投资60万元。
项目投资主要用途:
仪器设备购置费160万元、能源材料费80万元、试验外协费20万元、资料印刷费5万元、会议差旅费10万元、人员劳务费15万元、其它费用10万元。
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