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        LED照明及亮化工程專家
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        廣州市海林電子聯手香港科技大學研究項目開展
        日期:2016-12-10作者:海林電子來源:海林電子

        本項目旨在開發功率型 LED 系統多級熱管理模塊化技術及

        實現其產業化應用。項目結合研發團隊多年積累的 LED 封裝、熱管理等前期研究工作,針對當前 LED 散熱技術導熱差、高熱阻、傳熱效率低問題,從熱的產生、傳遞和散發3 個環節出發,提出綜合解決方案........ 

          

             源危機、溫室效應以及生態環境的日益惡化讓人們意識到能源獲取方式的改變和提高能源利用率的重要性。在世界電力的使用結構中,發達國家照明耗電大體占全國發電總量的 20%-25%,并且自 1990 年以來照明用電以每年 15%的速度增長;而我國發電總量為 34334 億度,其中照明用電約 4000 億度,占電力總消耗的 12%,占能源消耗的 5.9%,且每年以 5-10%速度增長。據我國專家預測,到 2015 年,我國照明用電量將達到 6000 億度。由此可知,照明節能需求成了各國政府必須面對的重要問題。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020 年)》中,將高效節能、長壽命的半導體照明列入第一重點領域(能源)的第一優先主題(工業節能),在國內外引起廣泛關注。2008 年 12 月 30 日。國家發改委頒布《珠江三角洲地區改革發展規劃綱要(2008-2020)》,綱要中提出的規劃指導思想為廣東的 LED 高效照明產業指明了方向:如大力發展包括半導體照明在內的高技術產業;改造提升傳統產業,打造包括中山燈飾在內的區域品牌?!笆晃濉逼陂g,LED 照明就已成為我國重點扶持與優先發展的高新技術產業之一,支持力度不斷加大。2005 年,國家發展改革委發布的《節能中長期專項規劃》中,明確規定綠色照明工程為十大重點節能工程之一:如倡導采用大宗采購、需求側管理和合同能源管理等機制推廣高效照明產品;選擇試點城市照明節電改造示范;城市高效節能夜景照明系統改造示范;推廣使用 LED 交通信號燈等。半導體照明技術與產業正在成為第三代半導體技術和整個光電子產業發展的切入點和突破口。

            LED(Light Emitting Diode)基于其電子空穴復合的發光機理具有很高的電-光轉換效率,理論上可達 100%。自二十世紀 50 年代發展至今,LED 的發光波長從紅外擴展到可見光、紫外波段,特別是以 GaN 基功率型 LED  為核心的半導體照明光源,被認為是繼白熾燈和熒光燈之后的第三代照明光源, 成為世界各國光電子領域的研究熱點之一。與傳統的白熾燈和熒光燈相比,LED  具有高亮度、低能耗、長壽命、結構緊湊、體積小、平面化、重量輕、方向性好、響應快、綠色環保、無輻射和耐各種惡劣條件等優點。因此,將 LED  應用于照明可獲得顯著的節能效果,有效緩解當前能源緊張的局面。同世界其他國家一樣,從2002  年開始,在中國國家半導體照明工程的推動下,基于大功率白光 LED  的半導體照明產業迅速發展,逐步進入傳統照明的各個應用領域。主要包括:手機的背光屏及大中尺寸的電視和液晶顯示器背光源、大型廣告牌、標志牌和顯示屏、交通信號燈、路燈、景觀照明和特種照明等。與傳統光源一樣,LED  在工作期間也會產生熱量,其發熱程度取決于整體的發光效率。在外加電能作用下,電子和空穴的輻射復合發生電致發光,在 P-N結附近輻射出來的光還需經過芯片本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界空氣)。綜合電流注入效率、輻射發光量子效率、芯片外部光取出效率等,最終大概只有 30-40% 的輸入電能轉化為光能,其余 60-70% 的能量主要以非輻射復合發生的點陣振動的形式轉化熱能,這些熱量直接影響著器件的可靠性和使用壽命等,在大功率器件中表現尤為明顯。因此,熱管理技術的開發及應用是大功率、高亮度 LED 應用的重要課題,也是燈具可靠性和使用壽命方面亟需解決的首要問題。由此可見,針對當前 LED 散熱存在的諸多問題,開發具有自主知識產權的,先進、有效的大功率 LED 熱管理技術是 LED 產業持續發展、技術水平不斷提升的重要途徑,也是 LED 產業升級和國際化發展的迫切需要,對帶動整個產業進步具有重要意義。

        在廣東省廣州市,作為中國的南大門及國家中心城市,一直處于改革開放的前沿。2011 

        年廣州市政府即提出未來5年,廣州市將從戰略性主導產業發展資金中每年安排1億元用于扶持LED戰略性新興產業發展,今后5年將對中心城區逾11萬盞市政路燈進行LED路燈節能改造的宏偉目標。2013  年,廣州光谷的建成,囊括全國甚至全球 LED 及照明行業龍頭企業,重點發展光照明、光顯示、光服務、光影像、光生醫、光能量、光稀土、光通訊等八大技術領域,力爭將“廣州光谷”建設成為國際光產業的高新技術產業技術中心,形成全球性的光產業集聚區和光產業國際樞紐。而在,2012  年,廣州市政府出臺《中共廣州市委、廣州市人民政府關于推進科技創新工程實施意見》(穗字[2012]18 號)文件,明確科技創新工程的主要任務包括“加快建設光電子與納米材料、發光材料與器件……等一批國家級重點實驗室……為企業技術創新提供支撐”以及“加強國際科技交流合作……加快廣州國際科技合作交流中心……等一批國際科技合作創新平臺建設,打造國際科技孵化基地,增強國際創新資源集聚的能力。引進高端創新資源,支持境外研發機構和跨國企業來穗開展技術研發、轉移和成果轉化” 基于上述背景和 LED  產業界的應用需求,本項目團隊提出本項目立項。本項目旨在引入香港科技大學邱惠和教授及其研究團隊,結合廣州市高新技術企業—廣州市海林電子科技發展有限公司,與廣東工業大學、華南師范大學于共同組建國際化“產—學—研”結合的研發團隊,結合團隊積累的 LED  封裝、熱管理研究等前期工作,本項目擬從熱的產生、傳遞和散發 3  個環節出發,提出綜合解決方案,協同材料結構、芯片、封裝、應用等各層面的技術力量,開展功率型LED 系統多級熱管理模塊化技術開發,包括 LED 外延、封裝與應用產品中的熱量傳遞過程、散熱技術、界面熱阻的預測建模、界面材料填充過程建模及相關控制工藝等研究開發,并將上述技術成功應用于 LED 產品。項目關于 LED 集成化熱管理的思想,為功率型 LED 開發及照明應用提供了解決熱問題的新思路、新方法與新技術。

        本項目申請采用國際科技交流合作形式,是廣州市發光材料與器件等產業推動發展的需要,與(穗字[2012]18 號)緊密貼合;同時項目申報符合“2015 年廣州市產學研協同創新重大專項-專題三:對外科技合作”的要求,也符合國家和廣東省產業結構調整的要求。項目的順利實施,將提高我省乃至我國 LED 相關產品的技術水平以及在國際市場上的競爭力,對其他行業的技術進步也具有良好的促進和示范作用。 

        項目概況

        本項目旨在開發功率型 LED 系統多級熱管理模塊化技術及實現其產業化應用。項目結合研發團隊多年積累的 LED 封裝、熱管理等前期研究工作,針對前 LED 散熱技術導熱差、高熱阻、傳熱效率低問題,從熱的產生、傳遞和散發3 個環節出發,提出綜合解決方案;并協同材料結構、芯片、封裝、應用等各層面的技術力量,開展功率型 LED 系統多級熱管理模塊化技術研發工作。研究內容包括 LED 外延、封裝與應用產品中的熱量傳遞過程、散熱技術、界面熱阻的預測建模、界面材料填充過程建模及相關控制工藝等研究開發,并將上述技術成功應用于 LED 產品。項目關于 LED 集成化熱管理的思想,為功率型 LED 開發及照明應用提供了解決熱問題的新思路、新方法與新技術。項目完成后,將獲得具有自主知識產權的、達到國內領先水平的大功率 LED 集成化熱管理核心技術,并實現大功率 LED 器件的散熱應用,并形成產業化,預計申請專利 5 件以上(其中發明專利不少于 2 件);估計年銷售額達 500 萬元以上。項目實施是 LED 產業持續發展、技術水平不斷提升的重要途徑,也是 LED 產業升級和國際化發展的迫切需要,對帶動整個產業進步具有重要意義,而且對相關行業的技術進步也具有良好的促進和示范作用。


        項目實施發表論文信息


        序號論文題目作者發表刊物刊物類別出版日期期號

        (卷號)起止頁碼

        1大功率LED散熱器的數值模擬與優化王長宏,謝澤濤,鄒大樞,邢瑞林電子元件與材料核心2015.05.266(34)44-47

        2Bubble dynamics and heat transfer on a wettability patterned surfaceXiaodan Chen, Huihe Qiu*International Journal of Heat and Mass TransferSCI2015.04.2488 (2015)544–551

        3Bubble dynamics and heat transfer during pool boiling on wettability patterned surfacesZhen Sun, Xiaodan Chen, Huihe Qiu*Heat Transfer EngineeringSCI已投

        4Self-assembled Co3O4 nanostructure with controllable morphology towards high performance anode for lithium ion batteriesYiqiong Zhang, Yiwen Wu, Yinghong Chu, Lin Li, Qipeng Yu, Yanfei Zhu,

        Gang Liu,Qiong Hou, Ronghua Zeng*, Lingzhi ZhaoElectrochimica ActaSCI2015.12.07188

        (2016)909–916

        5Tucked flower-like SnS2/Co3O4 composite for high-performance anode material in lithium-ion batteriesYanfei Zhu, Yinghong Chu, Jinghao Liang, Yunsha Li, Zilin Yuan, Wentao Li,

        Yiqiong Zhang, Xuexue Pan, Shu-Lei Chou, Lingzhi Zhaoa*, Ronghua Zeng*Electrochimica ActaSCI2015.12.19190 (2016)843–851

        6A novel shuttle-like Fe3O4–Co3O4 self-assembling architecture with highly reversible lithium storageKaina Shang,Wentao Li,Yongmei Liu,Wenguang Zhang,Hui Yang,Jiqing Xie,Zuyan Liu,Shu-Lei Chou,Lingzhi Zhao* ,Ronghua Zeng*Royal Society of ChemistrySCI2015.08.11DOI: 10.1039/c5ra12306b

        7Fabrication, characterization and electrochemical properties of porous coral-structured Si/C composite anode for lithium ion batteryFen-ling TANG, Jian-fei LEI, Zhao-yang CUI, Jian OUYANG, Gang LIU, Ling-zhi ZHAO Trans.NonferrousMet.Soc.China SCI2015.06.2625(2015)4046?4053


        果推廣應用的范圍和前景

        功率型白光 LED 實現,將在數字顯示、汽車工業、裝飾照明等領域的廣泛應用,真正實現“永久型”燈具的市場需求,從而實現人們對燈具節能、耐用的追求,在市場中將具有強大的競爭優勢。目前,LED 的產地主要集中在日本、中國臺灣、美國、韓國等地。功率型白光 LED 照明將成為全球 LED 未來競爭的焦點,據臺灣工研院統計數據,白光 LED 的年需求從 2005 年的 19.5 億顆增長到2009 年的 136 億顆,至 2013 已過 1000 億顆。同時根據市調機構估計,2012 年全球 LED 照明市場規模約達 104 億美元,較 2011 年成長 183%。主要系因產品價格速下滑(2012 年 LED 燈泡平均單價較2011 年約下跌 29%),帶動需求成長,尤其高相容性、低價格,更使 LED 照明取代光源快速發展。隨著 LED 照明價格持續走跌、數量規??焖贁U增,工研院產業經濟與趨勢研究中心能源研究組組長林志勛指出,2013 年全球 LED 照明市場規模維持 30%成長幅度應可期,2020 年全球 LED 照明產值上看 658 億美元。而從產業規???,2009 年中國 LED 及應用研究產業包括了襯底、外延、芯片、封裝四個環節,總產值達到 827 億元,其中封裝環節達到 204 億元,占 LED總銷售額的 90%。2006-2010 年顯示用 LED 銷售額年均復合增長率為 19.2%,景觀照明銷售額年均復合增長率將達到 37.2%。據估計,假如全國 100 座大中城市,每座城市平均在景觀照明上的投資為 1 億元人民幣,將具有 100 億元人民幣的市場規模,市場容量巨大。LED 約有 80%的能量會轉成熱能消散,這些廢熱會嚴重影響 LED 的壽和發光特性。因此,LED 熱管理已成為 LED 產品質量的決定因素。由于產品質量和行業標準混亂的問題,LED  行業進入了調整期,熱管理技術的發展急待新技術的突破。本項目包括 LED 外延、封裝與應用產品中的熱量傳遞過程、散熱技術、界面熱阻的預測建模、界面材料填充過程建模及相關控制工藝等研究開發,項目研究成功后將占領國內 LED 市場。LED 熱管理技術市場將隨著 LED 技術的突破而迅速增長,帶來巨大的經濟效益。

            綜上所述,本項目利用多年研制的豐富經驗,抓住政府導向機遇,在初步完成多級熱管理模塊化技術的研制基礎上,強勢進入 LED 散熱產業,實現系列化、標準化的功率型 LED 系統多級熱管理模塊化技術的產業化,項目實施后將大力帶動區域內相關產業的發展,具有良好的經濟效益和社會效益,為我國 LED 行業的發展做出新的貢獻。為此,建議政府有關部門給予大力支持,促成項目盡快推向產業化。



         


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