电力电子和LED应用的热管理技术及市场前景-2016版

THERMAL MANAGEMENT TECHNOLOGY AND MARKET PERSPECTIVES IN POWER ELECTRONICS AND LEDs 2016

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新兴技术推动电力电子和LED产业的热管理需求。

LED和电力电子产业的技术发展，推动了模组级热管理需求

如今，完全不同的电力电子产业和LED产业正面临相似的挑战。绿色能源要求下的低二氧化碳（CO2）排放要求，不断推动这些产业开发更高效、尺寸更小的解决方案。在器件层面，成本压力和性能需求推动设计商不断追求更小、更薄且功率密度更高的芯片。这样的功率密度目标对电力电子和LED产业都提出了热管理要求，推动了新材料的开发。

关于热管理应用的材料，Yole特别研究了其市场以及芯片贴装、衬底、基板、PCB和封装材料的技术演变。总体来说，这些材料2015年的市场规模为19.8亿美元，到2021年将增长至31.6亿美元，复合年增长率为6%。它们的价值主张有潜力为供应商带来业务，并为器件制造商带来重要的差异性。2021年，热管理材料的市场规模将占电力电子和LED模组市场总值的14%。汽车应用将占据热管理材料市场的大部分，其2021年的占比约为45%。LED产业和电力电子产业总体市场的30%具有技术共通性。

2010~2021年功率器件的市场规模

电力电子模组的市场状况良好，2015年的市场规模为29亿美元，到2021年预计将增长至45亿美元，复合年增长率为9%。受LED电视和通用照明市场的强劲增长驱动，2015年的LED封装市场规模达到了150亿美元。不过，价格压力将使未来几年的增长趋于平稳，预计到2021年，该市场将增长至185亿美元，这期间的复合年增长率为3.4%。

本报告针对电力电子和LED产业提供了从制造商、材料供应商到终端用户的展望、市场动态，以及市场驱动与挑战。

LED和电力电子材料的热管理市场预测

市场趋势为电力电子和LED产业创造了协同效应，利好材料供应商

电力电子和LED产业需要合适的材料来解决热管理挑战。这些应用都受到相似的技术要求推动，应用于某一种产业的技术解决方案，可以通过调整和开发而应用于另一种产业。这两个产业的热管理材料总市场中，有大约30%具有共通性，这部分市场2015年达到了6.6亿美元，预计到2021年将增长至10.14亿美元。总市场的另外30%，可以通过对现有技术的适应性改良而应用于另一产业。

电力电子器件封装和LED封装的协同与差异

技术平台为厂商适应性改良其现有产品带来了灵活性。产业中的领先厂商，如Curamik公司和Dow Corning（道康宁）公司已经将其产品线为同时满足电力电子和LED产业而做了适应性改良。其它厂商为了寻求新的市场机遇，也跟随了这一市场趋势和市场定位。

同一趋势下的诸多挑战

基于核心竞争力，提供一种类型材料的厂商正努力增加其它的产品供应，以为其客户提供“一站式服务”。典型厂商如Kyocera（京瓷）、Mitsubishi Materials（三菱材料）和Heraeus（贺力士）。如Henkel（汉高）等厂商则有能力提供PCB、热接口和芯片贴装。本报告提供了电力电子和LED热管理应用的材料领域的协同性和供应链发展趋势。

材料供应商的协同性（部分厂商）

技术发展路线图：LED和电力电子产业的异同

随着热管理市场的强劲扩张，许多解决方案正被测试和验证，以支持新的要求和需要。封装尺寸需要更小型化，且具有更低的热阻和更好的可靠性。

根据市场细分领域和功率级别的差异，LED和电力电子产业的技术解决方案或许会完全不同。LED需要发光更有效更高效。硅胶的光学性质因而成为首要的关键因素。相比之下，电力电子产业则不需要考虑这些参数。同样，基板对于低功耗LED来说，也是必不可少的。而对于更高功率级别的器件，两个产业之间的协同性则变得更强，其要求能使一项技术同时解决电力电子和LED两个产业。

除了去除部分层和接口等架构变化以外，材料供应商还必须创新。这些变化会受汽车等大众市场推动，银烧结芯片贴装正获得电动汽车和混合动力汽车电力电子产业的青睐。该银烧结方法现在正开始应用于LED照明产品的生产。封装材料也将受到新兴的高温环氧化物和高温稳定硅胶的影响。氮化硅衬底、聚对二甲苯涂层、陶瓷散热器以及共晶或球焊芯片贴装技术或将在中远期开始兴起。

由于每一种材料都将在未来几年进行改良，本报告列出了它们的技术现状、相关趋势和发展路线图。报告还分析了它们针对LED和电力电子产业的异同。

报告中涉及的部分企业：

3M, Aavid Thermalloy, ABB, ACC, Alpha, AI Technology, AM2T, Amkor, Amocera, APE, aPSI3D , AT&S, BlueStar, Besi, Bergquist, Bosch, BYD, CeramTec, CETC, Comelec, Continental, Coorstek, CPS, Creative Materials, CSR, Curamik, Danfoss, Deca Technologies, Delphi, Denka, Denso, Dow Chemical Dow Corning, Dowa, DuPont, Dynex, Emerson, Fairchild, Ferrotec, Fraunhofer, Freescale, Fuji Electric, GaN System, General Electric, Grace Semiconductor, GRISET, Hala, Henkel, Heraeus, Hitachi, Honda, Infineon, Intel, International Rectifier, Ixxys, J Devices, KCC, Kyocera, LS, Lumileds, Macmic, MagnaChip, Meidensha, MERSEN, Microcool, Microsemi, Mitsubishi Electric, Mitsubishi Materials, Momentive, Namium, Namics, Nepes, Novapack, NuSil, ON Semiconductor, Osram, Plansee, Powerex, Powerstax, Ravelin Materials, RHP Technology, Schneider Electric, Semikron, Shanghai Hua Hong NEC, Shin Etsu, Siemens, Starpower, StatsChiPAC, STMicroelectronics, Texas Instrument, Tong Hsing, Toshiba, Toyota, TSMC, Valeo, Vincotech, Vishay, Wackler, Yincae, Zevac, ZZX...

报告目录：

What is in this report?

Companies cited in the report

List of abbreviations used in this report

Executive summary

Introduction to power electronics and LEDs

> Power electronics landscape and market

- Power electronics and 21st century challenges

- Power electronics history, use and trends

- Focus on China

- Global power electronics market – IGBT Module market

> LED landscape and market

- Packaged LED industry and market trends

- Packaged LED industry, technology and market trends

Context of thermal management

> Context of thermal management in power packaging

> Challenges and business opportunities

> Context of thermal management in LED modules

- LED module integration into lighting systems

- Thermal management in LED modules

Synergies between LED and power electronics for thermal management

> Focus on die attach

> Focus on ceramic substrates

> Focus on encapsulant

> Focus on Thermal Interfaces Materials (TIM)

> Focus on baseplates/PCBs

Business model and supply chain analysis

Conclusions

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LED、太阳能电池等光电子器件都有哪些研究与应用？

文/万物知识局

编辑/万物知识局

随着科技领域的不断创新与发展，LED、太阳能电池等光电子器件的研究和应用也逐渐引起了人们的关注。

那么所谓的光电子器件到底是什么呢？

事实上，光电子器件是一类以光电转换为基础原理， 将光能转换为电能或者将电能转换为光能的电子器件。光电子器件的研究和应用在现代工业、科学等领域中扮演着重要角色。

其中，LED和太阳能电池是光电子器件中的两大代表，它们不仅具有高效、低能耗的特点，而且在环保、绿色能源等方面也有重要作用。

接下来我将从LED的基本原理、结构、优缺点、以及太阳能的基本原理和结构 等多个方面进行讲解光电子器件都有哪些研究和应用。

一、LED的基本原理

LED的发光原理是基于半导体材料的电致发光效应 ，其基本原理可以用能带结构来解释。能带是指半导体材料中电子的能量分布情况。在一个半导体材料中，通常存在一个价带和一个导带。

在常温下，半导体材料中的电子主要在价带中，而几乎没有电子在导带中。

当半导体材料受到外加电压或光照射时，价带中的电子获得足够的能量跃迁到导带中，形成电子空穴对。当这些电子空穴对再次复合时 ，将释放出能量，即产生光子，从而实现电光转换。

二、LED的结构

LED的结构主要由以下几部分组成：P型半导体区、N型半导体区和活性层 。其中，P型半导体区和N型半导体区的区别在于，P型半导体区中含有大量的空穴，而N型半导体区中含有大量的自由电子。

活性层位于P型半导体区和N型半导体区之间，是LED的主要发光区域。在工作时，P型半导体区和N型半导体区 之间施加外加电压，使得P型半导体区和N型半导体区中的电子和空穴得以复合并产生光子。

因此，LED的发光效果取决于材料的选择和层次的设计。

此外，LED还包括透镜、电极等部分，透镜用于调节发光角度和亮度，电极用于连接LED和外部电源。在实际应用中，LED还需要通过散热装置等方式 来保证其稳定工作和延长寿命。

三、LED灯的优缺点

LED作为一种新型绿色光源，具有以下优点：

首先是高效。LED的光电转换效率高，其光电转换效率可达到70%-80% ，比传统白炽灯高10倍以上。

然后是功率方面。LED的功率低，可以将能量直接转化为光能，而不产生热能，因此能够大幅度降低能源消耗。

其次是寿命优势。LED具有长寿命、抗震动、抗振动、抗冲击 等特点，可以适应各种复杂环境。

最后则是环保方面。LED不含汞、铅等有害物质，不会产生紫外线和红外线，对环境没有污染。

然而，凡事都是两面性的。多种优势的LED也存在一些难以忽视的缺点

首先是成本问题。由于LED的制造需要高纯度半导体材料和复杂的制造工艺 ，因此其成本较高。

其次是光谱限制。LED的发光波长有限，不能覆盖整个光谱范围，可能会对特定应用产生限制。

最后是热管理困难。由于LED在工作时会产生热量，需要进行散热处理，否则可能会影响其工作效率和寿命。

四、太阳能电池的基本原理和结构

太阳能电池的基本原理是光生电效应 ，即在半导体材料中吸收光子能量后，会使材料中的电子跃迁到导带中，从而产生电流。具体来说，太阳能电池通常采用p-n结构的半导体材料，其中p型半导体和n型半导体之间形成了一个电势垒。

当光线照射到p-n结处时，光子会激发p-n结中的电子 ，使其跃迁到导带中，从而形成电流。由于p-n结的电势垒的存在，电流只能沿着一个方向流动，从而产生了直流电。

而太阳能电池的基本结构则是由多个p-n结组成，其中p型半导体和n型半导体通过P-N结连接。

在太阳能电池的正面，通常会覆盖一个透明的导电玻璃 ，以便太阳光可以穿过玻璃并照射到电池的表面。

在电池的背面，则会安装一个金属导体，以便电子可以流回到电池的正面，并输出电能。太阳能电池的结构也可以根据不同材料和应用场景 进行不同的设计和改进。

五、光电子器件技术的研究热点

首先是新型材料的研究。光电子器件的性能和应用受材料的影响很大。因此，新型光电材料的研究一直是光电子器件技术研究的热点之一。

目前，石墨烯、二维材料、有机无机杂化材料等新型材料被广泛研究和应用 ，它们在电荷传输、光电转换等方面具有独特的性能，有望成为光电子器件材料的主流。

其次是光伏技术的研究。太阳能光伏技术是光电子器件技术中的重要分支，近年来受到广泛的关注和研究。

其中，以高效、低成本为目标的薄膜太阳能电池技术和有机太阳能电池技术成为研究热点。这些技术在材料、器件结构、制备工艺等方面都有很大的创新空间。

然后是光电子器件集成技术的研究 。这种技术是实现光电子器件功能化和多功能化的关键。

当前，集成光电子器件的研究主要集中在三个方面：首先是在同一晶片上实现多种光电子器件的集成；其次是在不同晶片之间实现光电子器件的互联和集成；最后则是实现光电子器件和微纳机械器件的混合集成。

六、光电子器件技术的发展趋势

增强光电转换效率，它是衡量光电子器件性能的重要指标之一。未来的光电子器件技术研究将以提高光电转换效率为主要目标 ，采用新型材料、新型器件结构和制备工艺等手段来实现。

然后是实现光电子器件的高度集成。随着信息技术的发展，光电子器件的集成度也越来越高。未来，将会出现更多的光电子器件和功能的集成，包括光电子传感器、光电子芯片和光电子系统 等。这将它的应用提供更多的可能性。

其次是实现低成本和高性能。随着光电子器件技术的不断发展，实现低成本和高性能也成为技术发展的重点之一。

未来，随着新型材料的出现和新型器件结构的研究，光电子器件的制备成本将不断降低，同时其性能也将不断提高。

最后则是实现可穿戴和可重复使用 。未来光电子器件将通过对新型材料、器件结构和制备工艺的研究，可以制造出更加轻便、柔性和可穿戴的光电子器件，并且这些器件可以被重复使用。

七、光电子器件在现代社会中的重要性和作用

首先光电子器件在通信领域中扮演着至关重要的角色。以光纤通信为例，光电子器件可以将光信号转换成电信号，使信号能够在光纤中传输。

另外，它还可以将电信号转换成光信号 ，使信号在接收端被转换成原始的信息。除了光纤通信，光电子器件还广泛应用于激光通信、无线光通信等通信领域，极大地提高了通信的传输速度和效率。

然后便是它在能源领域中的重要作用。太阳能电池作为一种典型的光电子器件，就可以将太阳能转换成电能。随着能源问题的日益突出，太阳能电池成为了解决能源问题的重要手段。

此外，光电子器件还被广泛应用于LED灯、荧光屏幕等领域，为人们的日常生活提供了便利。

最后，光电子器件在娱乐领域中也扮演着重要的角色。例如，LED灯可以用于舞台照明和城市夜景装饰，增强了观众的视觉体验。此外，光电子器件还可以被应用于游戏设备、音响设备等娱乐设备中。

八、光电子器件未来的发展前景

首先是效率方面。随着科技的发展，光电子器件的效率也会不断提高。例如，在太阳能电池领域中，新的材料和设计可以提高太阳能电池的转换效率 ，从而使太阳能的利用更加高效。

然后是体积方面。未来的光电子器件将会越来越小，从而可以被应用于更广泛的领域。

例如，随着微电子技术的发展，人们可以制造出更小、更快、更强大的光电子器件，这些器件可以被应用于传感器等领域。

最后是应用方面。未来光电子器件的应用范围将会不断扩大，在更多的领域都能得到有效利用。例如，在智能家居领域中，光电子器件可以被应用于智能灯具、智能门锁等设备中。

九、未来光电子器件面临的挑战

在未来光电子器件所面临的问题中，首当其冲的还是我们熟知的成本问题。目前光电子器件的成本较高，这限制了其在大规模应用中 的发展。

未来需要解决成本问题，使光电子器件的价格更加合理，才能让其在更广泛的领域中得到应用。

然后就是其在发展中所面临的技术限制。例如，在太阳能电池领域中，目前的太阳能电池效率已经接近极限，需要开发新的材料和技术来提高太阳能电池的效率。

其次是环境问题。光电子器件的制造过程需要大量的能源和材料 ，而这些能源和材料的生产和处理会对环境造成一定的影响。未来需要探索更环保的光电子器件制造方法，以减少对环境的影响。

最后也是最主要的便是安全方面的问题。随着光电子器件的普及，它的安全问题也越来越受到关注。例如，智能家居设备中的光电子器件可能会被黑客攻击，从而造成安全问题。未来需要加强光电子器件的安全性能，以保护用户的隐私和安全。

所以光电子器件是一类重要的电子器件，其中LED和太阳能电池是最为常见的光电子器件之一。为了推动光电子器件的健康发展，需要加强技术研发，提高生产效率，探索更环保的制造方法，加强安全保障等方面的工作。

[1]信息技术中的光电子器件[J]. .中国计量学院学报,2001(02)

[2]光电子器件国家工程研究中心[J]. .红外,1997(01)

[3]光电子器件的封装技术[J]. 郭树田.电子与封装,2002(04)

[4]半导体光电子器件及其应用[J]. 王晓雄.大众标准化,2020(13)

[5]光电子器件 中国科学家谈科学[J]. 曹则贤.科学观察,2008(02)

[6] LED商用荧光粉的发光特性研究与应用分析[J]. 王忆;王梦霞;俞子喆;罡一帆;周勤勤;王欣月.信阳师范学院学报(自然科学版)

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