特種LED光源的“中國路徑”：發展慢到重大突破

發布日期：2018-07-24

半導體照明作為我國戰略新興產業，對節能環保意義重大，中國是全球半導體照明產品生產、使用和出口大國。然而，在特種LED光源領域，由于技術門檻較高，市場一直被國外公司所壟斷。

近日，中科院蘇州醫工所光健康中心研究員熊大曦團隊與蘇州科醫世凱半導體有限責任公司聯合申報的“超大功率高光密度多光譜特種LED光源技術和應用”項目喜獲中國光學工程學會技術發明獎一等獎。

著眼LED應用高端市場

由于市場潛力巨大，LED相關產業應用正從通用照明迅速擴展到幾乎所有領域。有別于通用照明，一些特殊領域的照明應用也得到越來越多的關注，市場前景也越來越被看好，而這些應用，需依賴特種LED光源。

熊大曦表示，特種LED光源是一類追求在小發光面積內發出更多光能的LED光源，要求單模組有高的電功率和功率密度，強度與激光類似。特種LED光源技術于2000年前后開始起步，發展很慢，國內公司幾乎沒有生產，而國外，只有歐司朗和美國朗明納斯兩家高技術起點公司能夠提供。

究其原因，當時國內缺乏大尺寸的垂直結構LED芯片，同時，特殊封裝技術、散熱技術、光學設計和集成技術不過關。

從2009年開始，為了突破國外廠商對該領域的壟斷，熊大曦帶領團隊在中科院、江蘇省、蘇州市和高新區的大力支持下，著眼于特種LED光源的研發和產業化，在超大功率LED光源研發設計和制造技術方面著力研發、另辟蹊徑，取得了重大突破。

研究團隊建立了技術上的優勢，并且聯合蘇州科醫世凱半導體技術有限責任公司，開展產業化工作，提供超亮高光密度LED芯片光源的解決方案。

熊大曦說：“我們研發的特種LED技術，著眼于LED應用的高端和特殊市場，采用不同的技術路線，產生了一系列獨創技術和核心專利，打破了國外產品的壟斷，助力我國在新興細分領域領先國外，提升制造業的核心競爭力。”

獨辟蹊徑的LED芯片光源技術

在研發人員的努力下，科研團隊突破了種種障礙，最終形成了具有自主知識產權的技術路線。

熊大曦說：“針對特種LED光源需要較大的、基于垂直結構芯片發光面的問題，我們開發出了‘準單芯片’封裝技術，采用特殊工藝，使用小尺寸垂直結構芯片超緊密封裝成大功率模組。”

這項技術，不僅可以在同樣的發光面上產生高的光輸出，而且能靈活使用小芯片，擴大發光面積，從而提高總的光輸出。

“美國朗明納斯單模組的最大電功率不到150W，我們的單模組電功率可以達到600W以上。國外公司基于單顆大芯片技術的光源，發光面一般為長方形，而我們的芯片，發光面可以靈活配置，能與特定光學系統匹配成任何形狀。”熊大曦表示。目前，基于超高光密度集成封裝模組技術的產品已經成為市場主流。

在之前的特種LED光源產品里，國外廠商只能提供白光，或者紅、藍、綠中的一種的單色光。面對生物醫學等特殊領域對光譜的需求，團隊又開發出了帶多光譜高光密度模組。

在微小的2.5毫米×2.5毫米的發光面上，可以集成16種波長的窄帶光，而且每種光的波長可以任意選定。這項技術用電控代替機械控制，大大簡化了各類光學儀器的結構，為高端熒光顯微鏡和眼科全光譜眼底檢測儀等多種生物醫療儀器帶來了革命性的變化。

與此同時，團隊還研究了高導熱的垂直結構芯片的基底材料、高導熱固晶材料的選擇、固晶層的厚度控制、烘烤溫度和時間控制以及封裝基板的設計，基于這些技術組合，600W模組的熱阻可以低至0.10K/W，在全球處于領先水平。

細分市場得到應用

自2009年開展研發工作以來，經過多年的完善和積累，團隊推出的產品從2010年開始在市場上逐步得到推廣，目前在一些細分市場中已經得到大量應用，其中一些已經成為主流產品。

“全球60%~70%的舞臺燈光在中國生產，總產值數百億元，生產廠家有800家左右。以前高功率密度大功率的LED特種光源主要由美國公司提供，2012年起我們的產品進入市場，積累了200家客戶，而美國的產品已經被邊緣化。”熊大曦表示。不僅如此，投影顯示市場、遠程投光和遠距離照明市場都出現了蘇州醫工所的身影。

2014年，在中科院“璀璨計劃”的支持下，團隊正式啟動研制超遠程投光燈。去年，團隊陸續開發出基于大功率高亮度LED光源的投彈照明燈，有3臺已成功應用于某后勤保障部隊；批量生產的小型LED探照燈，已經運用于昆明機場驅鳥警示車。

熊大曦說：“特種LED光源在現代分子生物學研究和醫學照明、診斷、治療和康復理療中開始發揮重大作用。其中，基于窄帶多光譜的光源已經應用于多波段熒光顯微鏡，2017年小批量生產了11套；基于高光密度的特種光源的超分辨結構光顯微鏡已經研制成功，成像品質、成像速度上達到國際領先水平，成本遠低于競爭對手，市場前景十分廣泛。”

現在，團隊也瞄準了正在興起的基于LED的光健康方向。熊大曦告訴記者，LED光健康工程的研究內容包括光衛生防御、疾病的早期預防和檢測、疾病的光治療、康復以及光保健理療。2016年，半導體照明聯合創新國家重點實驗室聯合蘇州醫工所，將光健康研究中心設在蘇州，致力于開拓特種LED光源在光健康領域的研發和應用。

“目前課題組已經基于紅外LED芯片，開發了多款紅外理療儀，包括手持式和立式以及正在加工裝調的臥式三款。特種LED以其特有的優勢，特別適合家居老年人保健理療、可穿戴光治療理療設備，按照我國人口規模，以及人口老齡化的趨勢，這個市場的規模將達到數千億。”熊大曦說。

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