微电子封装论文

LED 应用发展现状和发展趋势

摘要：近年来，LED技术与产业发展迅速,成为半导体制造行业的最大亮点。本文就LED的特点、应用，以及发展现状和未来发展趋势进行简要介绍。

关键词：LED；LED产业；应用；现状；前景

LED application development present situation and

development trend

Abstract:In recent years, LED technology and industry is developing rapidly, and become a highlight of the semiconductor manufacturing industry. In this paper, the characters of leds, the application, and development present situation and future development trends are introduced briefly.

Key words: LED；The LED industry；application；prospects

引言

近年来白光LED技术和市场都呈加速发展之势,随着LED光效的提高、成本的降低,在不远的将来, LED必将取代传统的白炽灯、荧光灯和卤素灯成为照明的新型光源,并且随着其应用领域的扩大, LED市场的竞争也必将更加激烈。本文就LED的特点、应用，以及发展现状和未来发展趋势进行简要介绍。

1．LED介绍

发光二极管LED(light emitting diode) 是一种能够将电能转化为光能的固态的半导体器件，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等优良的特点。第一枚LED于20世纪60年代初期诞生于美国，颜色为红色。随着半导体材料、工艺、制造、封装等一系列技术的发展，作为第四代光源的LED已从光色、功率及亮度方面有了开创性的进展。目前LED己有红、橙、黄、绿、蓝、紫、白等各种光色，类型不仅有高亮度、低功率、中功率的，还再向高功率型转变。单个LED芯片功率也越来越丰富，从0.03W至1W都渐渐俱全。相较其他照明方式，发光效率提高了很多，白炽灯、卤钨灯可见光效率为12一24 lm/W，荧光灯可见光效率为30一70 lm/W，钠灯可见光效率为90一140 lm/W,至2012为止,LED 的发光效率从0.l lm/W已发展到208 lm/W[1]。

2．LED的产业链

LED产业链主要包括4个部分：LED外延片、LED芯片制造、LED器件封装和LED产品应用。一般来说，LED外延片属于LED产业链的上游，芯片属于中游，封装和应用属于下游。上游属于资本、技术密集型的领域，而中游和下游的进入门槛则相对较低。LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。当前，能用于商品化的衬底只有蓝宝石和碳化硅，其他诸如GaN、si、ZnO衬底，还处于研发阶段，离产业化仍有一段距离[2]。LED芯片是一种固态的半导体器件，其主要功能是把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，另一端是

N型半导体，这两种半导体连接起来的时候会形成一个PN结。当有电流通过PN结时，电子和空穴复合后有光子产生，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成PN结的材料决定的。LED封装是指发光芯片的封装，与集成电路封装有较大不同，不仅要求能够保护灯芯，而且还要能够透光，既有电学参数，又有光学参数的设计及技术要求，且对LED封装材料有特殊要求。LED封装包括引脚式封装、表面贴装封装、功率型封装等多种形式[3]。

3．LED的应用

3.1LED产业是带动相关产业发展的重要引擎

LED产业是目前全球公认和竞相发展的具有广阔市场前景的新兴产业，同时由于应用领域广泛，对平面显示、数字家电、汽车电子、节能环保等高新技术产业具有强大的技术渗透性和产业拉动性，对于提升我国产业自主创新能力和产业竞争力，推进节能减排，打造低碳经济，加快建立现代产业体系和转变经济发展

方式具有十分重要的意义。2012年，我国半导体照明产业整体规模达到了1,920亿元，近5年的增长速度分别为35%（2008年），27%（2009年），45%（2010年），30%（2011年）和23%（2012年），属于高成长性行业，其发展壮大对相关行业的带动作用明显[4]。

3.2LED产业具有广泛的应用和需求增长空间

LED的应用领域非常广，包括通信、消费性电子、汽车、照明、信号灯等。目前，LED 以其功耗低、体积小、寿命长的特点，已成为各种电子设备指示灯的首选产品，在景观照明、汽车市场、背光源市场、交通灯市场、户外大屏幕显示等领域应用也非常广泛。在军工领域，由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好、便于携带等特点，被广泛应用于防爆、雷达、通信、航空航天等特殊领域。此外，LED还可用于玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品之中。我国作为全球轻工产品的重要生产基地，对LED有着巨大的市场需求（如图1）。

3.3LED产业对于促进技术升级具有重要意义。

LED产业发展涉及的关键技术较多，如LED芯片、衬底材料、封装及其电路驱动、二次光学设计等，涵盖了半导体材料、微电子技术、光电子、电学、热学等诸多领域，代表着当前信息技术最前沿的发展方向之一，特别是光电子技术将会成为支撑未来信息技术的重要领域。LED已成为第三代半导体技术发展的切入点，也是发展光电子产业的突破口。其技术发展对于增强自主创新能力、抢占信息技术战略制高点具有重要战略意义。

4 LED的当前水平及发展趋势。

(1) 发光效率不断提高

从LED技术发展来看，欧美及日系厂商仍是重要竞争者。就技术水平而论，目前以美国Cree公司最为领先。2010年Cree公司的白光LED的实验室光效已提高到208 lm/W，这是目前的最高水平[5]。Cree公司于2009年第三季度开始量产目前业界最高水平(光通量达139 lm、发光效率为132 lm/W)的产品。预期一年内将开始量产161 lm/W的高效能LED。2010年初Cree推出突破性照明级LED,亮度高达1 500 lm,光效75 lm/W,采用了突破性的紧凑型12 mm×13 mm封装设计，是业内最小封装。大小只有与其相当的LED器件的28%。这是已经商业量产的产品[6]。Cree称2010年将继续聚焦于照明和显示屏两大领域，每周将供应数百万颗100 lm/W以上的LED器件。

欧司朗、Lumileds、日亚公司的白光LED光效都经突破140 lm/W，商业量产产品也都在100 lm/W以上。LED的光效已是白炽灯的5倍以上。

首尔半导体的主打产品Acriche是世界上唯一可以在交流电源下无需直流交流转换器就能驱动的半导体光源，比直流LED更加节能和更具成本效益。2010年2月份实现了发光效率达100 lm/W、使用寿命超过35 000 h的Acriche LED， 4月已开始投入量产，同时发光效率超过150 lm/W的LED也已研制成功。将在今年年底之前投入量产[7]。

(2)成本不断下降

成本高是LED推广应用的障碍。产生1000 lm的光通量，白炽灯的成本小于1美元，荧光灯的成本小于2美元。而LED光源产生1000 lm的光能量，使用十颗大功率LED的成本超过了20美元。LED的成本问题是与LED技术层面瓶颈的解决紧密相连的。图1为DOE对白光LED成本的预测。预计到2015年白光LED的成本将可与荧光灯相当[8]。