LED成本下降速度超乎預期 但仍需加快腳步 

2013-2015年 業界需跨大步啟動照明市場
 

作者: Paula Doe, SEMI Adjacent Markets

LED產業改善其性價比(lumens-per-dollar)的速度已經高於2年前所設定的原始發展藍圖目標了，然而，專家指出業界仍須積極降低每流明的發光成本，才能在接下來的3-5年內將LED照明確實推進到一般應用市場之中。

蓬勃發展的LED背光市場成長速度高出預期，這意味著隨著不斷有新廠商加入提升供給量，LED背光市場的需求很可能會比原先預期的更早接近飽和。2010年，LED市場規模達99億美元，成長率55%，IMS Research分析師Ross Young預測，到2015年該市場將成長到180億美元。但隨著過度供給擠壓價格，加上可降低晶粒成本的新技術問世，佔70%總市場的電視已於2010下半年開始趨於平緩。Young表示，好消息是目前採用直接背光和更新型混合背光技術的高階電視，都使用了更多的LED，這些電視外形更薄，並具備分段式調光功能，可實現更高的對比度。目前發展中的3D電視所採用的3D技術可能會阻礙60%~80%的光線，為提高亮度，預計也將需要更多的LED。此外，平板裝置也朝更高解析度方向轉移，因此，估計到2013年在iPad 3的推動下LED出貨量也將進一步提高。

「在2011-2012年，該市場的供給成長速度是需求的兩倍」Young說。他並指出中國政府的補貼、免費土地和租稅優惠等政策也造成了過度投資。「在照明市場就緒前，供應便已經到位了。」2010年該市場的銷售數達到約800套，預估2011年將超過1,000套，這遠高於該市場在2010年的450套工具以及估計2011和2012年之間約700套工具的固有需求，LED市場正面臨嚴重的供過於求，隨著2012年中國大部份MOCVD的補貼到期，很可能在2012年導致MOCVD工具大幅衰退。同時，一旦2013~2014年開始禁用白熾燈，屆時若LED成本能再降低，則LED照明市場將會起飛，足以與螢光燈競爭。

晶元光電(Epistar)董事長BJ Lee指出，若LED製造商將生產能力從顯示轉移到燈泡，那麼目前的LED產能已足夠安裝每年10億顆60W燈泡。這些背光晶片的品質比起照明所需是低了一些 (照明需要冷、更低功耗，而且是紅色和綠色螢光粉，而非黃色，而且需要能夠混合不同波長的晶片以用於燈管之中)。但Lee估計，當業界對螢光粉和照明系統的損耗進行必要的修改和調整後，這些已量產設備的價格將會來到每一美元300流明左右。因此，亮度相當於60W白熾燈的800流明LED燈管合理價格大約為8~10美元，他還指出封裝型LED本身必須在2015年達到500lm/$的目標。「我們必須解決這個問題」Lee表示，「如果我們無法達到這個價格，我們勢必會遇到問題。那麼，我們能在2012或2013年便達到上述目標嗎？」

降低製造成本：全新製造技術和專用LED生產設備

晶元光電(Epistar)採用了更大電壓的晶片，並混合紅光LED(非螢光粉)，以及常用的藍光LED。晶元光電目前瞄準20~50V應用，希望觀察客戶是否能開發出更具良好系統成本的設計，以改善性價比。該公司表示，在實驗室中採用紅光和藍光LED的元件效率可達180 lm/W，Lee也透露客戶正在開發效能更好的產品。目前面臨的主要問題，仍是在首次開啟時的顏色漂移，不過，在同時對紅色與藍色晶粒加熱後，顏色的顯示也趨於穩定了。「這種方法也許能在2013年獲得500 lm/$的性價比」Lee表示。

KLA-Tencor強化了其Candela自動檢測工具的靈敏度，使其能檢測及映射透明藍寶石晶圓上的次微米圖案和裂痕，這是LED製造商最關注的部份，KLA-Tencor還開發了可從這些惱人的干擾中區分出殺手級缺陷的軟體，該軟體還能區隔出更多導致這些缺陷的根源。該工具可實現全晶圓表面缺陷檢測，並產生缺陷圖樣。相關的缺陷空間圖案明確地區分出MOCVD磊晶缺陷源，從而實現了根源分析。舉例來說，從晶圓彎曲所產生的微阱(micropits)以及那些由MOVCD pocket產生的粒子(目前的視覺檢測工具能夠在晶圓上檢測出的不可見缺陷仍然相當有限)。該工具還可用於針對微裂紋和其他藍寶石製程缺陷的晶片品質評估。「在前端製程改善電氣缺陷，預計可在2015年藉由更良好的製程控制達到節省50%總成本目標」KLA-Tencor GEM/Candela行銷總監Srini Vedula說。他同時指出，透過更快速的量產從而及早獲得投資回報(ROI)，預估每月可增加100~200萬美元的收入。這些工具目前已在客戶端用於量產。

Ultratech提出了一種投影式微影工具，該工具是專門為LED製造商設計，據稱可降低2倍微影成本。Ultratech技術長Andy Hawryluk表示，Ultratech進行了一連串的改良，將一款IC變成為LED生產最佳化的專用工具，能以更低成本提供更良好的性能。除了調整用於彎曲晶圓(warped wafer)的投影功能以外，其它的改善還包括比當前汞弧燈更亮、成本更低的LED光源，旨在提高生產量；更長的紅外線波長和更大的景深能清楚地在粗糙的晶圓表面上檢視所對準的目標；一個新的機器人裝載機可以更靈活、更快速地自動從2英吋轉換到6英吋晶圓，這個裝載器同時適用於研究單位和量產；一個經過修改的遮板(shutter)可提供更快速的阻擋功能；其外殼可在LED產業中條件相對寬鬆的無塵室中為工具提供保護功能。「透過這個專案，我們幾乎將成本降低了50%」Hawryluk  說。他也指出，業界致力於降低微影成本，因為過去幾年來，一個複雜元件所需的微影步驟已經從2個提高到7個了。Hawryluk並進一步表示，投影式微影技術能較其他類似工具提升約5%的良率，以每片4英吋晶圓有5,000個晶粒來計算，這或許意味著每年超過1億個晶粒。總計每套工具每年可節省25萬美元。

Veeco Instruments報告了近期與桑迪亞國家實驗室(Sandia)開發的紫外線高溫計(UV pyrometer)，可直接在透明藍寶石晶圓上測量GaN溫度，毋須在晶圓穴(wafer pocket)中測量溫度。晶圓溫度與元件波長直接關聯，從而實現更好的控制，而且能潛在地提高良率。Veeco正將桑迪亞的反應動力學，以及Veeco的流體動力學運用在反應器模型中，以期減少設計時間。資深科學家Jay Montgomery表示，他們發現當流量法蘭(flow flange)加熱到200℃時，成長速度會增加，並減少粒子的形成，從而提升了30%的金屬有機效率，並減少40%的總體流量。

Philips Lumileds公司表示，其在矽上氮化鎵(GaN on silicon)的研究工作，目前已經取得與其他研究小組相同的成果了，在3英吋晶圓上，該公司於448nm發射波長實現了相同的40%插座效率(wall plug efficiency)。該公司的計劃是希望能通過>120 lm/W的熱測試；自現在起一年內實現單一封層(single bin)的150mm暖白光LED；或是配合Lumileds在藍寶石上達到繼續改善生產效率的目標。該公司技術研發部的材料暨元件策略總監Mike Craven指出，矽上氮化鎵需要不同的粗化製程，此外還需要改進模型製程，以及其他處理程序上的需求。

降低成本的關鍵：螢光粉、先進製程控制和簡化系統整合

業者們指出下一個削減成本關鍵將是螢光粉、測試和檢驗設備，以及更精簡的封裝/模組/燈具製程。

Intematix公司執行副總裁和技術長Yi-Qun Li指出，在提高螢光粉製造效率方面仍存在著很大改善空間。現階段，LED螢光粉大部份仍仰賴小量手工製作，但數量幾乎每年都成長一倍，而稱重、混合、送料、燒結，研磨和洗滌等步驟都可實現自動化。另外，深入瞭解粒子的形成機制還能提高產量和性能。量子點生產也能改善現場監控，以實現更好的溫度和製程控制。

Aixtron公司行銷副總裁Rainer Beccard指出，儘管標準是讓測量精確的關鍵所在，但in situ和inline metrology先進製程控制仍是改善磊晶部份的關鍵要素。「MOCVD的最重要計量部份，是必須即時解決晶圓溫度的測量問題」。他並指出，目前已經有可用的計量工具了，但還需要與製程工具整合，而且必須更加簡單易用，「但這確實是可輕易實現的目標」Beccard表示。

燈具製造商傾向重新思考整個系統的設計，甚至考慮最終將晶粒直接放在散熱器中。Lunera公司技術長Steve Paolini指出:「終極解決方案是擺脫封裝，以減少介面數量和熱阻」。另外，包括自動組裝和混成積體化(hybrid integration)等步驟也必須盡量減少部件。Cree公司LED照明解決方案首席技術專家Gerry Negley指出，以整體材料清單(BOM)成本來比較，Cree的第二代CR6產品成本已經比四年前發佈的第一代元件減少了30%。其中LED仍佔總成本的30%左右。

業界必須更加團結一致以降低成本、提高供應鏈性能並推動產業標準

研發創新並不是推動降低LED成本的唯一道路。包括提升產業合作、改善供應鏈並推動產業標準，都是催生新發展藍圖的關鍵。SEMI新興技術執行副總裁Tom Morrow說明SEMI在推動LED產業標準化過程中所做的努力。SEMI於去年11月成立LED標準委員會，經過三個月運作，工作小組已開始就藍寶石晶圓、自動化和組裝等方面探討如何降低成本。

加緊腳步降低成本：2015年達到$ 2.20/klm目標

美國能源部(DOE)最新估算的SSL擁有成本顯示，目前的封裝費用已經降到晶粒封裝成本的35%左右了，下降速度之快超乎原先預期，而且此一趨勢還可能持續。磊晶約佔成本的20%，其它晶圓製程佔20%，螢光粉約佔10~15%，而基板則佔10%。

從去年美國能源部(DOE)提出的降低成本發展藍圖來看，業界需要更積極的作為。業者建議，從2009到2015年，封裝型LED的成本至少需要降低10倍，而非等到2020年才實現這個目標。另外，業者也為暖白光LED設定了更激進的價格目標- 2010年時為$18/klm；估計2012年為$7.50/klm；2015年目標則為$2.20/klm。DOE可能在今年中公佈修正版的發展藍圖。

美國能源部(DOE)仍致力於提供LED製造的成本模型，以期能讓LED產業的各機構和公司們能夠更有效快速地獲得投資回報。其目標是透過簡化Yole Developpement所提供的詳細成本模型，並運用一個簡單的工具進行快速分析。「我們正在盡力以最少的步驟獲得合理的結果」SB Consulting的Steve Bland說到(Bland同時負責監督DOE的部份運作)。Bland和他的產業委員會拿掉了可能對最終成本造成輕微影響的組件、整合了連接步驟、盡可能地對全球化的參數(如基板成本、晶粒面積、製造費用)等設置固定的數字，但也增加了計量輸入，從而將封裝晶粒的過程減少到約20個主要步驟。其目標是最終能提供免費的模型，並希望明年能擴展到燈具成本領域。