摘要：LED產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈主要可分四部分：即LED外延片生長、芯片制造、器件封裝和應(yīng)用產(chǎn)品及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)，分為上游、中游和下游。半導(dǎo)體襯底材料、外延晶片的制造是上游產(chǎn)業(yè)，芯片制造是中游產(chǎn)業(yè)，器件封裝及基于LED器件的應(yīng)用產(chǎn)品制造是下游產(chǎn)業(yè)。
引言：發(fā)光二極管（LEDs）的*新進展使得照明行業(yè)快速增長。目前，固態(tài)照明技術(shù)逐步滲透到不同細分市場，如汽車照明、室內(nèi)及室外照明、醫(yī)療應(yīng)用、以及生活用品。
一、LED的市場發(fā)展軌跡
美國能源部*新報告指出，至2020年，該技術(shù)有望減少照明行業(yè)15%的能源消耗，2030年節(jié)約30%——即光2030年就能節(jié)約261 TWh（太瓦時）的能量，以當(dāng)前的價格計算其價值超過260億美元，相當(dāng)于美國兩千四百萬家庭目前的能源消費總和。此外，這些節(jié)約的能量用于混合發(fā)電廠將減少大概一千八百萬噸CO2溫室氣體的排放。
雖然在很多情況下，這些設(shè)備的初始成本仍然高于現(xiàn)有的光源設(shè)備，但是LEDs更高的效率以及更長的壽命使其具有很強的競爭力。Strategies Unlimited估計2013年全球銷售出4億只LED燈，McKinsey調(diào)查表明2016年LEDs在全球普通照明市場的份額將達到45%，2020年將接近70%。到2020年，該領(lǐng)域的市場容量預(yù)計將從目前的約260億美元提高到720億美元。
LED裝置是一個復(fù)雜的多組分系統(tǒng)，可根據(jù)特定需求調(diào)整性能特征。以下章節(jié)將討論白光LED及其他應(yīng)用。
1、LED的發(fā)展之路
無機材料中電致發(fā)光現(xiàn)象是LED發(fā)光的基礎(chǔ)，HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年分別報道LED發(fā)光現(xiàn)象——電流通過使得碳化硅（SiC）晶體發(fā)光。這些結(jié)果引發(fā)了半導(dǎo)體及p-n結(jié)光電過程的進一步理論研究。
20世紀50、60年代，科學(xué)家開始研究Ge、Si以及一系列III-V族半導(dǎo)體（如InGaP、GaAlAs）的電致發(fā)光性能。Richard Haynes和William Shockley證明了p-n結(jié)中電子和空穴復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光。隨后，一系列半導(dǎo)體被研究，最終于1962年由Nick Holonyak開發(fā)出了第*個紅光LED。受其影響，1971年George Craford發(fā)明了橙光LEDs，1972年又相繼發(fā)明了黃光和綠光LEDs（均由GaAsP組成）。
強烈的研究迅速使得在寬光譜范圍內(nèi)（從紅外到黃色）發(fā)光的LEDs實現(xiàn)商業(yè)化，主要用于電話或控制面板的指示燈。實際上，這些LEDs的效率很低，電流密度有限，使得亮度很低，并不適于普通照明。
2、藍光LEDs
高效的藍光LEDs的研發(fā)花費了30年的時間，因為當(dāng)時沒有可應(yīng)用的足夠質(zhì)量的寬帶隙半導(dǎo)體。1989年，第*個基于SiC材料體系的藍光LEDs商品化，但由于SiC是間接帶隙半導(dǎo)體，使得其效率很低。20世紀50年代末就已經(jīng)考慮使用直接帶隙半導(dǎo)體GaN，1971年JacquesPankove展示了第*款發(fā)射綠光的GaN基LED。然而，制備高質(zhì)量GaN單晶以及在這些材料中引入n-型和p-型摻雜的技術(shù)仍然有待開發(fā)。
20世紀70年代發(fā)展的金屬-有機物氣相外延（MOVPE）等技術(shù)對于高效藍光LEDs的發(fā)展具有里程碑意義。1974年，日本科學(xué)家Isamu Akasaki開始采用這種方法生長GaN晶體，并與Hiroshi Aman合作于1986年通過MOVPE方法首次合成了高質(zhì)量的器件級GaN。
另一個主要挑戰(zhàn)是p-型摻雜GaN的可控合成。實際上，MOVPE過程中，Mg和Zn原子可進入這種材料的晶體結(jié)構(gòu)中，但往往與氫結(jié)合，從而形成無效的p-型摻雜。Amano、Akasaki及其合作者觀察到Zn摻雜的GaN在掃描電子顯微鏡觀察過后會發(fā)射更多的光。
同樣的方式，他們證明了電子束輻射對Mg原子的摻雜性能起到有益的作用。隨后，Shuji Nakamura提出在熱退火之后增加一個簡單的后沉積步驟，分解Mg和Zn的復(fù)雜體，該方法可輕易實現(xiàn)GaN及其三元合金（InGaN、AlGaN）的p-型摻雜。
應(yīng)該指出的是，這些三元體系的能帶可通過Al和In的成分進行調(diào)節(jié)，使得藍光LEDs的設(shè)計增加了一個自由度，對于提高其效率具有重要的意義。事實上，目前這些器件的活性層通常由一系列交替的窄帶隙InGaN和GaN層以及寬帶系的p-型摻雜AlGaN薄膜（作為載流子的p-端約束）組成。
1994年，Nakamura及其合作者基于n-型和p-型摻雜AlGaN之間Zn摻雜InGaN活性層的對稱雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，首次展示了具有2.7%外量子效率（EQE）的InGaN藍光LED（框1列舉出了LEDs主要的性能指標定義）。
該LED結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1a。這些結(jié)果對于如今應(yīng)用的LED基照明技術(shù)而言是很關(guān)鍵的，也因此引發(fā)了照明行業(yè)的革命。2014年底，諾貝爾物理學(xué)獎授予Akasaki、Amano和Nakamura，表彰他們“發(fā)明用于照明以及白光源節(jié)能的高效藍光LED”。
3、LED性能指標
量子效率Quantum efficiency：材料內(nèi)量子效率（IQE）為輻射的電子-空穴復(fù)合（即產(chǎn)生光子）數(shù)量與復(fù)合總量（輻射與非輻射）的比值。
該指標決定了半導(dǎo)體材料發(fā)光效率。半導(dǎo)體LED性能通常使用外量子效率（EQE）表示，即IQE與提取效率的乘積。提取效率特指產(chǎn)生的光子中逃離LED的部分。EQE取決于直接影響IQE的半導(dǎo)體層缺陷和影響提取效率的器件構(gòu)造。
發(fā)光效率（Luminous efficacy）：發(fā)光效率表示光源發(fā)射可見光輻射的效率，單位一般為lm W?1。光源以單色綠光（頻率為4501012 Hz，對應(yīng)波長約為555nm，人類眼睛最敏感的光，圖2b為相應(yīng)的眼睛靈敏度曲線）轉(zhuǎn)換100%電能，其最大發(fā)光效率達到683 lm W?1。
照明用的白光源通常要求有比全部可見光波段更寬的發(fā)射光譜，因此其發(fā)光效率明顯低于其最大值。電能轉(zhuǎn)換成眼睛靈敏度曲線以外的輻射，無法用于照明，本應(yīng)盡可能減小這類輻射。
相關(guān)色溫（Correlated colour temperature）：用于比較不同照明技術(shù)的參比光源是處于熱平衡的黑體輻射。根據(jù)普朗克輻射定律（Planck's law of radiation），黑體白熾燈的發(fā)射光譜取決于它的溫度，相應(yīng)于不同溫度下輻射的色點用CIE圖表示，即稱之為普朗克軌跡（Planckian locus）的黑點曲線（圖2f、h）。
沿著普朗克軌跡的不同位置，白光的相關(guān)色溫（CCT）大致可分為“暖白”（2,500-3,500 K）、“自然白”（3,500–4,500 K）、“冷白”（4,500–5,500 K）以及日光（5,500–7,500 K）。
顯色指數(shù)（Colour rendering index）：顯色指數(shù)（CRI）是一個無量綱的指標，描述白光源以一種相對于人類視覺感知而言準確且舒適的方式顯色的能力，同時考慮參比光源（相同CCT下，黑體輻射在CCT<6,000 cct="">6,000 K條件下進行測試）。
CRI通常被定義為8個測試顏色樣本（R1-R8）的顯色平均值，額定范圍在0到100之間。對于高CRI采用額外的R9值，表示深紅色。CRI=100意味著由測試光源發(fā)光的所有顏色樣本都與參比光源發(fā)光的相同樣本具有相同的顏色。
圖1. 藍光InGaN LED芯片的設(shè)計
a．第*個藍光InGaN/AlGaN LED示意圖。
b. 具有倒置結(jié)構(gòu)以及無接觸前表面的倒裝LED芯片示意圖。兩個接觸點被焊接在靠近LED的基板上。
c. *高水準的薄膜型倒裝LED示意圖及LED器件的俯視圖。這三種示意圖的有效層簡化表示了雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單或多量子阱結(jié)構(gòu)InGaN/AlGaN。
過去20年，藍光LED的EQE逐步提高，這也是不斷降低GaN晶體結(jié)構(gòu)缺陷密度的結(jié)果。出于成本效益的原因，這種材料通常生長于藍寶石襯底上，然而二者存在著16%的晶格失配以及不同的熱膨脹系數(shù)。這兩個因素導(dǎo)致1,000℃附近MOVPE生長GaN過程中位錯缺陷的產(chǎn)生。
細致優(yōu)化生長工藝可使缺陷保持在107~108 cm-2范圍內(nèi)，但需進一步提高其他LED應(yīng)用的相同結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的質(zhì)量。雖然InGaN LEDs存在很高的缺陷密度，但其具有比其他低缺陷密度的寬帶隙半導(dǎo)體二極管（如ZnSe）更高的效率，具體原因至今不明。
另一個強烈影響LEDs提取效率以及內(nèi)量子效率（IQE）提高的因素是器件的構(gòu)造。圖1a顯示了外p-型GaN層，其具有相對較低的電導(dǎo)率，從而限制了器件中的空穴注入，但是這個瓶頸可通過覆蓋整個p-GaN表面的更大p-型接觸來克服。然而，電接觸會阻礙輸出光子。
幾種設(shè)計方案都可以解決這個問題，如圖1b、c所示。倒裝芯片（圖1b）是指芯片倒置安裝且p-和n-接觸都在背后。這種構(gòu)造提供更好的散熱，獲得更高的電流密度，從而使得每片芯片表面具有更高的光輸出。藍寶石在藍光和綠光區(qū)域是透明的，并不妨礙發(fā)光。
此外，接觸部位可采用涂層（例如Ag）來反射那些向基座方向發(fā)射的光子?？刹捎帽∧ば酒寡b法（圖1c）進一步提升性能。從n-GaN層上講基底移除，并將表面粗糙化，以提高光提取效率。據(jù)報道，結(jié)合材料以及構(gòu)造的進展，~444nm處發(fā)光的InGaN LEDs在20mA下EQE可達到84.3%。
4、從藍光到白光
對于今天無處不在的白光LEDs而言，高效率藍光發(fā)光二極管的發(fā)明具有里程碑意義。相對于傳統(tǒng)光源，LEDs具有更高的能量效率，更重要的是可調(diào)節(jié)發(fā)光性能更好的適應(yīng)不同的應(yīng)用，例如舞臺照明、建筑照明等等。
一般來說，可通過幾種不同方法獲得白光LEDs。一種是組合發(fā)藍光、綠光和紅光的三個不同半導(dǎo)體LEDs（圖2a左）。該方法最大的挑戰(zhàn)在于綠光半導(dǎo)體的EQE相對較低（≈25%），限制了相應(yīng)白光LED的發(fā)光效率（圖2c）。InGaN與高含量銦形成的固溶體通常被用于直接發(fā)射綠光?；着cInGaN間的晶格失配度隨銦含量的提高而增加，從而產(chǎn)生更高的缺陷密度。另外，描述原子核周圍電子密度分布改變的量子力學(xué)Stark效應(yīng)也隨銦含量的提高而更加明顯，從而降低綠光波段內(nèi)的EQE。
為了避免這一局限，基本上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的綠光熒光轉(zhuǎn)換LEDs（pc-LEDs）直接采用藍光LED發(fā)射綠光，在商業(yè)產(chǎn)品中通常用以取代綠光半導(dǎo)體（圖2a右，圖2c）這種雜化LED典型的發(fā)光光譜如圖2b所示。
這些雜化產(chǎn)品（直接藍光和紅光加pc-綠光）的發(fā)光效率顯著提高，且可獲得高顯色指數(shù)（CRI）值。由于紅、綠、藍（RGB）LEDs中三個獨立發(fā)光體隨時間的推移具有不同的光譜漂移，且具有不同的熱降解率，使得其顏色穩(wěn)定性較差。
可獨立控制RGB中每個通道的復(fù)雜且昂貴的電路需要補償這個不想要的效應(yīng)，所以這些構(gòu)造在白光應(yīng)用中的使用有限。對于功能照明以及物體和建筑照明而言，由額外電子元件提供混色功能（可動態(tài)改變輸出色彩的基調(diào)）是非常有前景的。
圖2. LED發(fā)射白光的不同方法
a．白光LEDs示意圖。左：三個直接發(fā)光LEDs（藍光，InGaN；綠光，InGaN；紅光，AlInGaP）。右：兩個直接發(fā)光LEDs（藍光，InGaN；紅光，AlInGaP）和一個綠光pc-LEDs。
b. 由直接發(fā)藍光和紅光的LEDs和一個綠光pc-LED組合而成的白光LED的發(fā)光光譜?；疑幱白V線：人類眼睛靈敏度曲線。
c. 半導(dǎo)體LEDs的外量子效率（EQE）。藍色方塊，InGaN基LEDs；紅色三角形，AlInGaP基LEDs；綠色方塊，綠光pc-LED。
d. 白光pc-LED和涂層上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的藍光InGaNLED示意圖。
e. 具有寬帶黃光熒光的白光pc-LED的發(fā)光光譜。
f. 國際照明委員會（CIE，1931年）繪制的黑體曲線（實心黑點線）和CCT值。白色方塊表示直接藍光LED和黃色發(fā)光材料（YAG:Ce）的CIE顏色坐標。所有感知顏色都可沿著pc-LED的點線獲得。
g. CCT=2,700 K的pc-LEDs的發(fā)光光譜。黑線：窄帶紅光Sr[LiAl3N4]:Eu2+ LED（CRI=98，R9>90）。白色虛線：Sr[LiAl3N4]:Eu2+發(fā)光概括。紫色曲線：商用LED（CRI = 96，R9>80）。兩個LEDs顯示出了與2,700 K黑體輻射（黑色點劃線）良好的匹配關(guān)系。而采用窄帶紅光材料的pc-LED在紅外區(qū)域的溢出（黑色的向下箭頭）明顯減小。
h. CIE圖。白色方塊表示直接藍光LED、黃色發(fā)光材料（YAG:Ce）、額外紅色熒光的CIE顏色坐標（Sr[LiAl3N4]:Eu2+）。Pc-LED添加混合可獲得所有的顏色，用三角形表示。在此，可獲得黑體曲線（黑色實線）的幾乎所有CCT值。
根據(jù)混色原理（圖2d），基于pc-LED策略提供白光的一個簡單方法是結(jié)合單個藍光InGaN芯片和一個或多個可見光區(qū)的發(fā)光材料。遵循這一策略，早在1996年由Nichia開發(fā)的第*款商業(yè)化白光pc-LEDs就使用Ce3+摻雜的石榴石材料（如Y3?xGdxAl5?yGayO12:Ce3+(YAG:Ce)）來發(fā)射寬譜黃光（圖2e、f）。只使用單一的熒光，限制了CRI<75光源在冷白光和日光范圍內(nèi)（相關(guān)色溫CCT=4,000-8,000 K）的性能。然而，接近理論極限的高轉(zhuǎn)換效率令這些器件成為那些要求具有與日光相媲美CCT值（~6,400 K）汽車前燈的重要組成部分。
理想自然色彩感知度的照明應(yīng)用首選更低的CCT值（2,00-4,000 K）和更高的CRIs>80。使用兩個或兩個以上發(fā)光材料（例如，綠光至黃光的LuAG:Ce或YAG:Ce結(jié)合紅光(Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+或(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+）更容易實現(xiàn)這些參數(shù)。調(diào)整這些材料的比例，可以獲得接近于黑體輻射的覆蓋整個可見光區(qū)的連續(xù)發(fā)射光譜（圖2g、h）。然而，CRI>90的高光質(zhì)量（通常用于需要最自然色彩的博物館、醫(yī)療室、零售商店等）通常以犧牲發(fā)光效率為代價?？紤]到人眼視覺靈敏度曲線（圖2b），650 nm以后的光子很弱，造成發(fā)光效率的巨大損失。因此，相比于更注重紅光部件的pc-LED，可通過精細調(diào)節(jié)發(fā)光材料發(fā)射光譜的位置和寬度使得pc-LED更好的適應(yīng)視覺感知（同時也具有更高的發(fā)光效率）。
5、提高白光中的紅色發(fā)光材料
美國能源部最近設(shè)定了2020年照明級白光LED發(fā)光效率200Im W-1的市場標準。如此高的效率通常要求pc-LEDs在苛刻的條件完成，例如芯片表面溫度達到200℃（由高電流密度產(chǎn)生）和主藍光LEDs的快速光子泵率。
因此，適當(dāng)?shù)臒晒庑枰谶@些條件下表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)換效率、快速衰減、以及高的抗熱降解。Eu2+摻雜的氮化物如 (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+（通常其發(fā)射峰中心介于λem~590–625nm，半峰寬FWHM為2,050-2,600cm-1）或者(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+（λem~610–660nm, FWHM~2,100–2,500cm?1）已經(jīng)作為商用照明級白光pc-LEDs中紅光材料。
然而，發(fā)射光譜的相關(guān)部分超出了人眼靈敏度范圍（紅外溢出，圖2g），限制了器件的整體發(fā)光效率。Sr1?xCaxS:Eu2+（λem~615–650nm, FWHM~1,550–1,840cm?1）等更窄發(fā)射材料也進行了測試，但由于其與封裝材料會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及其隨溫度升高轉(zhuǎn)換效率受限等原因，限制了工業(yè)應(yīng)用。
最近的研究獲得了一類新的具有非常窄紅光發(fā)射的氮化物材料。當(dāng)前的研究將Sr[LiAl3N4]:Eu2+(λem =650nm, FWHM~1,180cm?1)和Sr[Mg3SiN4]:Eu2+(λem=615nm, FWHM~1,170cm?1)作為下一代照明pc-LEDs的基礎(chǔ)。
Sr[LiAl3N4]:Eu2+具有良好的熱性能，且在低CCT高CRI方面（比如CCT=2,700K, CRI>90）應(yīng)用時能夠降低紅外發(fā)射。相比于商用高CRI的LEDs（圖2g），有望增加4-12%的發(fā)光效率。進一步的提高有望通過將紅光發(fā)射光譜移到更短波長（~600–630nm）得到實現(xiàn)，*好是具有更窄的發(fā)射帶。
通用公司GE（Trigainphosphors）最近商業(yè)化的Mn4+摻雜氟化物是另外一類窄紅光發(fā)射材料。這些材料的發(fā)射圖譜中630 nm附近出現(xiàn)幾條尖線（每條都<5nm），當(dāng)其與綠-黃發(fā)光石榴石材料結(jié)合時刻獲得高CRI、高發(fā)光效率的燈。然而，Mn4+較長的發(fā)光衰減時間以及離子氟化物施主材料較低的熱穩(wěn)定性都有可能限制這些熒光粉生產(chǎn)相對較低電流密度和低發(fā)熱產(chǎn)品的實際應(yīng)用。
最后，直接紅光發(fā)射LEDs與互補pc-LEDs組合的雜化器件也可作為優(yōu)質(zhì)照明。然而，直接紅光LED的溫度敏感性要求更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并將其應(yīng)用范圍限制在低熱約束領(lǐng)域，比如非定向的大面積照明。
6、改進LCDs綠色發(fā)射器
LEDs廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代液晶顯示器（LCD）中的背光組件。在這些器件中，LED發(fā)光穿過一個偏振濾波器、一層液晶、彩色濾波器以及一個二級偏振濾波器（圖3a）；穿過二級偏振濾波器的極化光的透射率取決于液晶的方向，可電調(diào)諧。與照明應(yīng)用不同，要求具有*佳的顯示性能。
特別是，色域由LCD顯示提供，取決于白色背光LED源中紅色、綠色、藍色部分的CIE（國際照明委員會Commission Internationale de l'?clairage）圖中的位置，通常由特定標準（比如國家電視標準委員會NationalTelevision Standard Committee (NTSC), CIE 1931）校正。人眼的靈敏度以及波長相關(guān)的分辨率在綠光波段內(nèi)更高，因此可區(qū)分大量的綠色調(diào)。
結(jié)果就是，如果背光LEDs中綠光發(fā)射器帶寬較窄的話（圖3b），顯示于LCD上的色域?qū)⒚黠@增加。常用的石榴石材料（如具有寬帶綠-黃成分的YAG:Ce）的單一熒光粉pc-LEDs無法滿足這些要求，而紅、綠、藍三原色的LED難以應(yīng)用，特別是綠光LEDs的EQE很低。
最先進的高色域LEDs由窄帶綠光β-SiAlON:Eu2+(λem=525nm, FWHM~50nm)和窄帶紅光K2SiF6:Mn4+(λem=613, 631, 636, 648nm, each FWHM<5nm)結(jié)合而成。特別是在更小的顯示器中，例如平板電腦和某些TV模型，含有窄綠光和紅光發(fā)射的量子點的板材作為高色域背光。發(fā)展綠光波段內(nèi)具有窄發(fā)射帶寬的固態(tài)材料將有助于提高基于節(jié)能LED背光的LCD顯示器的最大可顯示色域。
a. LCD顯示器示意圖。TFT表示薄膜晶體管（thin-film transistor）。
b. 不同色域的CIE（1931）圖。黑點表示NTSC標準的色度坐標。虛線表示NSTC色域。白點表示穿過相應(yīng)濾色片（藍、綠、紅）的背光LED的色度坐標。根據(jù)發(fā)光材料的FWHM和光譜峰位置，綠色值可假設(shè)CIE圖中的不同位置，從而產(chǎn)生不同色域?；疑切伪硎緦拵ЬG-黃色發(fā)光石榴石可達到的色域。藍色和紅色三角形表示使用更窄的綠色發(fā)光材料增加的色域（見插圖）。
插圖：黑色曲線顯示典型綠色濾波器的通帶?；疑?、藍色及紅色曲線顯示CIE圖中對應(yīng)綠色發(fā)光元件的發(fā)射分布。
7、應(yīng)用前景
全球銷售數(shù)據(jù)證實LED照明市場不斷增長，在其他領(lǐng)域的擴張也可預(yù)見。LEDs具有獨立色彩調(diào)節(jié)的潛力，因此可根據(jù)不同需求調(diào)整其發(fā)射性能。這類光譜控制照明可適應(yīng)人體生理反應(yīng)，例如有助于提高注意力或者改善睡眠。
密集型LED照明在醫(yī)療方面的影響也越來越大，比如緩解肌肉緊張或者治療皮膚疾病。此外，采用特定波長的固態(tài)照明有望刺激光合作用，優(yōu)化溫室作物的生長。在普通照明領(lǐng)域，經(jīng)過成本效益和性能方面的不斷發(fā)展，我們將從新的LED產(chǎn)品中不斷獲利。
二、LED產(chǎn)業(yè)鏈
（一）LED簡介
1、LED基本介紹
LED是“Light Emitting Diode”的縮寫，中文譯為“發(fā)光二極管”，是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件。LED的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的芯片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個p-n結(jié)，當(dāng)注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能轉(zhuǎn)換為光能。不同材料的芯片可以發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍、紫色等不同顏色的光，“發(fā)光二極管”也因此而得名。
與傳統(tǒng)照明相比，LED在節(jié)能方面優(yōu)勢明顯，是目前世界上先進的照明技術(shù)。被業(yè)界認為是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后偉大的發(fā)明之一。
LED的另一大特點是環(huán)保。LED為固態(tài)發(fā)光器件，不含汞，在生產(chǎn)和使用中都不會因為破裂導(dǎo)致有毒金屬環(huán)境污染。
2、LED應(yīng)用領(lǐng)域及其分類
在全球能源危機的大環(huán)境下，節(jié)能、環(huán)保、色彩豐富、安全、壽命長、微型化的半導(dǎo)體LED照明已被世界公認為人類照明史上第三次照明革命。隨著 LED技術(shù)的提升，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展和延伸，被廣泛運用于液晶屏背光源、通用照明、信號顯示、信號燈和車用燈具等領(lǐng)域。
3、LED封裝及其產(chǎn)品分類
LED封裝是指用環(huán)氧樹脂或有機硅等材料把LED芯片和支架包封起來的過程。具體而言，就是將LED芯片及其他構(gòu)成要素在支架或基板上布置、固定及連接，引出接線端子，并通過可塑性透光絕緣體介質(zhì)包封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的過程，為芯片的正常工作提供保護及散熱功能。
目前，LED器件的類型主要為直插型（Lamp）和表面貼裝型（SMD），其中，SMD型產(chǎn)品與Lamp型產(chǎn)品相比，具有很多獨到的優(yōu)異特性，如：組裝密度高、電子產(chǎn)品體積小、重量輕，節(jié)省材料、能源、設(shè)備、人力、時間等。具體體現(xiàn)為：
（1）焊點缺陷率低，高頻特性好，減少了電磁和射頻干擾；
（2）可靠性高、抗振能力強；
（3）易于實現(xiàn)自動化，提高生產(chǎn)效率，降低成本達30%—50%；
（4）貼片組件的體積和重量只有傳統(tǒng)插裝組件的1/10左右，一般采用SMT之后，電子產(chǎn)品體積縮小40%—60%,重量減輕60%—80%。
目前，SMD LED主要應(yīng)用于背光、照明等領(lǐng)域。
從封裝形式區(qū)分，SMD LED產(chǎn)品包括Chip類、Top類、Sideview類和大功率類產(chǎn)品，其中TOP類、Sideview類和大功率類產(chǎn)品主要以白光、高亮為主，主要運用領(lǐng)域為背光（如：手機、電腦等領(lǐng)域）和照明（如：室內(nèi)照明、室外照明等），因此，SMD高端形式封裝的具體產(chǎn)品通常為TOP類產(chǎn)品、Sideview類產(chǎn)品和大功率類產(chǎn)品,具體表現(xiàn)為白光、高亮產(chǎn)品。國內(nèi)直插式器件市場已經(jīng)基本飽和，利潤逐年下降；SMD低端器件競爭已日趨白日化，SMD中高端器件產(chǎn)能處于逐步釋放階段，產(chǎn)品價格變化較大。
4、LED按發(fā)光顏色分類及其應(yīng)用
LED屬于半導(dǎo)體光電器件范疇，依發(fā)光顏色分為單色光LED、全彩LED和白光LED。其中，白光LED主要用于背光和照明領(lǐng)域，用途較為廣泛。各色光LED分類及應(yīng)用領(lǐng)域如下：
隨著白光LED的發(fā)光效率的提升，半導(dǎo)體照明已廣泛應(yīng)用于手機、背光源、特種照明等領(lǐng)域，正向普通照明領(lǐng)域推進。按照“美國半導(dǎo)體照明發(fā)展藍圖（OIDA2002.11）”規(guī)劃（資料來源：《中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒》（2008-2009）），到2012年照明用LED的發(fā)光效率達到150lm/w，2020年照明用LED的發(fā)光效率要達到200lm/w，滲透到所有照明領(lǐng)域。目前，白光LED的發(fā)光效率大約在120lm/w，不斷提升白光LED的發(fā)光效率已成為推動白光LED技術(shù)進步的重要內(nèi)容之一。到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)比白光LED更適合于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的產(chǎn)品。
5、LED應(yīng)用發(fā)展概況
早在1907年，人類就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的通電發(fā)光現(xiàn)象，然而直到20世紀60年代，由化合物半導(dǎo)體材料GaAsP制成的紅光LED才真正實現(xiàn)商用，但由于發(fā)光效率非常低，而成本卻非常高，當(dāng)時僅用于各種昂貴電子設(shè)備的信號指示燈。
進入90年代以后，隨著LED發(fā)光效率、發(fā)光強度的逐漸提高，以及發(fā)光光色對整個可見光譜范圍的全覆蓋，LED光源的節(jié)能效果和實用性得以凸顯，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了較大的拓展，目前LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于液晶屏背光源、戶外大屏幕、光通信光源、交通信號燈、舞臺燈、景觀燈、汽車尾燈，并逐漸進入路燈、室內(nèi)照明、汽車前燈等傳統(tǒng)照明應(yīng)用領(lǐng)域。
6、全球LED封裝行業(yè)發(fā)展狀況
全球LED封裝行業(yè)的發(fā)展是伴隨著LED產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的發(fā)展進行的，具有明顯的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移特征。全球五大LED巨頭：日本Nichia、ToyodaGosei、美國CREE、Lumileds、德國Osram代表了LED的高技術(shù)水平，引領(lǐng)著LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
20世紀50年代，英國發(fā)明了第*枚具有現(xiàn)代意義的LED（Light EmittingDiode），1962年美國通用電氣公司率先研制出第*種實際應(yīng)用的可見光發(fā)光二極管。到了20世紀70年代，黃色和綠色LED發(fā)光器誕生，伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個LED光源的功率和光通量也在迅速增加。之后的數(shù)十年LED發(fā)展迅速，遵守摩爾定律，每18個月亮度就會提高一倍。20世紀90年代，由日本的日亞公司研發(fā)出了藍色LED，帶動白光LED的開發(fā)成功，使得LED應(yīng)用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質(zhì)性的一步。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，LED正在突破光衰、散熱、光效等問題，逐步成為公認的節(jié)能、環(huán)保的新型光源，具有優(yōu)越的經(jīng)濟效益和社會效益，應(yīng)用前景極其廣闊。各國政府日益重視，為節(jié)約能源、推行環(huán)保，目前很多國家都在加緊立法或推出相應(yīng)科研、應(yīng)用計劃，或制訂明確的鼓勵使用節(jié)能型光源的時間表。2001年7月，美國能源部啟動一項名為“Next-GenerationLightingInitiative（NGLI）”計劃，即“下一代照明計劃”。日本21世紀照明計劃是由日本金屬研發(fā)中心和新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）發(fā)起和組織的一個國家計劃。2000年7月，歐盟實施彩虹計劃（Rainbow project bringscolorto LEDs），設(shè)立執(zhí)行研究總署（ECCR），通過歐盟的BRITE/EURAM-3program支持推廣白光LED的應(yīng)用。為應(yīng)對全球節(jié)能環(huán)保趨勢，韓國產(chǎn)業(yè)資源部成立了“GaN光半導(dǎo)體”開發(fā)計劃，來發(fā)展以GaN材料為主的白光LED照明光源相關(guān)研究。中國2000年開始持續(xù)推出眾多LED扶持政策，并于2009年開展“十城萬盞”LED照明推廣計劃，大力發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)。
全球LED產(chǎn)業(yè)在各國政府政策的大力扶持下，LED在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，獲得了快速的發(fā)展。當(dāng)前，全球LED封裝產(chǎn)業(yè)主要集中于日本、臺灣、美國、歐洲、韓國和中國大陸等區(qū)域。其中日本、美國、歐洲，因為擁有先發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)和制造設(shè)備優(yōu)勢，為全球早的LED封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展區(qū)域；臺灣和韓國擁有消費類電子完整產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)上中下游分工明確，產(chǎn)業(yè)鏈供銷穩(wěn)定，因此近年來迅速崛起；中國大陸地區(qū)具有成本優(yōu)勢和迅速擴大的LED應(yīng)用市場，在近的10年時間里，世界各國包括臺灣地區(qū)的LED封裝資本不斷的向中國大陸轉(zhuǎn)移，紛紛在中國大陸設(shè)立封裝廠，內(nèi)資封裝企業(yè)不斷成長發(fā)展，技術(shù)不斷成熟和創(chuàng)新，使得中國大陸也成為LED封裝迅速崛起的地區(qū)之一。
LED封裝具有技術(shù)密集型和資本密集型的特點，由于中國大陸具有成本優(yōu)勢和迅速擴大的LED應(yīng)用市場，國際及臺灣封裝廠商紛紛到大陸投資建廠，以取得就近配套與終端市場優(yōu)勢，使得中國大陸的LED封裝產(chǎn)業(yè)得以持續(xù)快速的增長，也使得中國大陸成為全球重要的LED封裝基地，這不僅擴大了中國大陸LED封裝在世界LED封裝領(lǐng)域的市場占有率，同時也提升了中國大陸廠商的LED封裝技術(shù)，加速了整個產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。中國封裝產(chǎn)業(yè)初步形成了珠江三角洲、長江三角洲、閩贛地區(qū)、環(huán)渤海區(qū)域等四大LED密集區(qū)域，中國已經(jīng)成為世界重要的LED封裝基地。
7、LED封裝行業(yè)的發(fā)展趨勢
（1）SMD封裝逐漸成為LED封裝的主要形式
表面貼裝封裝的SMD LED成為一個發(fā)展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，采用更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產(chǎn)品重量減輕一半，終使應(yīng)用更趨完美，尤其適合對產(chǎn)品厚度不斷減少的各類背光產(chǎn)品及戶內(nèi)，半戶外全彩顯示屏應(yīng)用。
SMD LED封裝具有一定的技術(shù)難度，這種技術(shù)難度體現(xiàn)在：
一是如何設(shè)計器件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化封裝材料組合，以提高器件發(fā)光效率，并使配光曲線滿足要求。良好的封裝形式不僅能夠提高LED芯片的使用效果，也有助于企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。SMD器件結(jié)構(gòu)的不斷研究，帶來了器件結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，針對細分市場的專用器件不斷出現(xiàn)，如滿足戶外顯示屏應(yīng)用要求的橢圓形LED、滿足小尺寸LCD背光要求的側(cè)面發(fā)光LED等。
二是有效解決散熱問題，以提高器件可靠性。LED器件熱阻高會導(dǎo)致芯片的PN結(jié)溫升高，引起LED光衰發(fā)生、散熱是LED封裝首要的技術(shù)難點。本項關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)研究，豐富和發(fā)展了封裝材料，從而使器件熱阻大大降低，器件壽命有了根本保證。
白光LED的封裝技術(shù)成為業(yè)界為關(guān)注且投入研究力量多的一項關(guān)鍵技術(shù)，利用先進的封裝技術(shù)，提高對白光LED色溫、色度坐標、顯色指數(shù)等參數(shù)的控制，從而獲得品質(zhì)優(yōu)良的白光LED，以滿足不同市場對不同白光LED的要求，實現(xiàn)批量生產(chǎn)的白光LED色溫、色度坐標、顯色指數(shù)高度集中，對任何廠商而言，都是極具挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。
（2）背光源和照明產(chǎn)品將成LED市場后續(xù)高速成長的動力
隨著LED背光源在大尺寸液晶面板中滲透率的快速提升和LED照明市場的超預(yù)期發(fā)展，整個LED行業(yè)將會出現(xiàn)加速增長勢頭。LED背光和LED通用照明是增長快的兩個領(lǐng)域，背光源和照明將成LED市場后續(xù)高速成長的動力。
8、背光LED市場需求
LED背光源包括小尺寸背光源、中尺寸背光源以及大尺寸背光源，其中小尺寸背光源主要應(yīng)用于手機、MP3、MP4、PDA、數(shù)碼相機、攝像機和健身器材等；中尺寸背光源，主要用于筆記本電腦、上網(wǎng)本、計算機顯示器和監(jiān)視器等；大尺寸主要應(yīng)用于液晶電視等。
不同尺寸液晶屏對LED背光源的數(shù)量及性能要求如下：
9、照明LED市場需求
LED照明較普通照明具備節(jié)能、環(huán)保、響應(yīng)時間短、使用時間長等優(yōu)勢，決定了它是理想的替代光源。目前其使用成本偏高，其大力推廣受到了制約，但是隨著LED成本的逐步降低，同時在各國政府致力推廣節(jié)能政策、全球范圍內(nèi)逐步淘汰白熾燈的推動下，LED照明將帶來巨大的發(fā)展機遇。LED照明應(yīng)用市場主要可分為室外景觀照明（護欄燈、投射燈、草坪燈等）、室內(nèi)普通照明、裝飾照明、專用照明（路燈、手電筒、頭燈、閱讀燈等）、特種照明（軍用、醫(yī)用照明、生物專用燈等）和車燈照明等。
隨著白熾燈泡的禁用，10W以下的LED燈泡商機涌現(xiàn)。依現(xiàn)階段照明占全球電力消耗的比重達19%，耗能總量達到2651TWH。如果能夠?qū)F(xiàn)有的光源替換成節(jié)能光源，預(yù)計將可以省下30%能源消耗。若再進一步將節(jié)能光源與感測器、智能電網(wǎng)等相關(guān)應(yīng)用作結(jié)合，預(yù)計還可以再節(jié)省30%的能源消耗。如果到2030年能夠節(jié)省50%的能耗，相當(dāng)于減少20億桶石油的二氧化碳排放量。
全球白熾燈泡的年平均消耗量在200億只，LED在白熾燈照明領(lǐng)域滲透率每提升一個百分點，就會帶來32億顆LED封裝器件的增量需求。
10、中國大陸LED封裝行業(yè)競爭格局
這四大區(qū)域一直是中國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)所在，也是LED產(chǎn)品應(yīng)用推廣的主要地區(qū)。其中珠三角地區(qū)是中國LED封裝企業(yè)集中，封裝產(chǎn)業(yè)規(guī)模大的地區(qū)，企業(yè)數(shù)量占全中國的一半左右，該區(qū)域匯聚眾多封裝物料與封裝設(shè)備的生產(chǎn)商與代理商，配套為完善，其他3個地區(qū)企業(yè)規(guī)模較小。長三角地區(qū)，以上海、杭州、揚州、寧波為產(chǎn)業(yè)聚集中心，投資環(huán)境較好，為中國的LED產(chǎn)業(yè)第二大封裝基地，產(chǎn)業(yè)鏈上下游較平衡。閩贛地區(qū)主要是以廈門、泉州、南昌、景德鎮(zhèn)為產(chǎn)業(yè)聚集中心，為中國大的外延、芯片制造基地，因臨近臺灣，具有優(yōu)越的LED產(chǎn)業(yè)對接優(yōu)勢。環(huán)渤海地區(qū)是以北京、石家莊、沈陽、大連、山東濰坊為產(chǎn)業(yè)聚集中心，其特點是科研單位、研究所和大學(xué)眾多，因此在LED制程技術(shù)、LED設(shè)備研究方面一直走在中國前列。
11、產(chǎn)業(yè)鏈概述
LED產(chǎn)業(yè)具有典型的不均衡產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，一般按照材料制備、芯片制備和器件封裝與應(yīng)用分為上、中、下游，雖然產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)不多，但其涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，技術(shù)工藝多樣化，每一領(lǐng)域的技術(shù)特征和資本特征差異很大。
LED產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈主要可分四部分：即LED外延片生長、芯片制造、器件封裝和應(yīng)用產(chǎn)品及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)，分為上游、中游和下游。半導(dǎo)體襯底材料、外延晶片的制造是上游產(chǎn)業(yè)，芯片制造是中游產(chǎn)業(yè)，器件封裝及基于LED器件的應(yīng)用產(chǎn)品制造是下游產(chǎn)業(yè)。
12、生產(chǎn)工藝流程
白光LED的封裝工藝的實現(xiàn)是采用高精度全自動化生產(chǎn)設(shè)備，封裝環(huán)境為萬級無塵車間。
A、背光LED器件生產(chǎn)工藝流程圖
B、照明LED器件生產(chǎn)工藝流程圖
（1）大功率（含0.5W及以上）照明LED
13、環(huán)境保護
生產(chǎn)過程中不存在高危險或重污染的情況，所生產(chǎn)產(chǎn)品亦為節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。主要污染源和污染物為：生活廢水、一般廢氣、有機廢氣、噪聲源和固體廢物，其中，噪聲源來自切割機、焊線機等工藝設(shè)備和冷凍機、各種泵、冷卻塔和空調(diào)機組，固體廢物為生產(chǎn)過程產(chǎn)生的邊角料。
14、安全生產(chǎn)衛(wèi)生
（1）在工藝設(shè)計中采用合理的生產(chǎn)組織，先進的生產(chǎn)流程及生產(chǎn)技術(shù)，將危險和有害因素減至低程度。
（2）生產(chǎn)中產(chǎn)生的有害氣體的工藝設(shè)備設(shè)局部排風(fēng)裝置，并處理達標后再排放，確保生產(chǎn)人員的身體健康。
（3）所有用電設(shè)備、配電設(shè)備設(shè)安全接地，配電系統(tǒng)設(shè)短路保護、過電流保護等措施，保證用電安全。對高大建筑物采用避雷針方式。380/220V供電系統(tǒng)采用接零保護，防止出現(xiàn)電擊事故。
（4）主要建筑物設(shè)避雷網(wǎng)。
（5）廠房出入口及潔凈區(qū)內(nèi)有應(yīng)急照明、安全出口供疏散使用。發(fā)生事故時，人員可迅速撤離。
（6）對風(fēng)機、泵等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲采取一系列降低噪聲措施，例如選用低噪聲設(shè)備，采用減振基礎(chǔ)、消聲器等保證室內(nèi)噪聲符合國家規(guī)范要求。
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