产业与发展2013年讲解课件

2019/3/23,系列讲座-LED,LED照明基础,江门职业技术学院 唐幸儿（备份）,2019/3/23,一,二,LED产业链及发展应用现状,四,半导体绿色照明及其产业现状,LED制造技术概况,2019/3/23,一 半导体绿色照明及其产业现状,半导体绿色照明与LED的概念 LED产业背景及产业链 国内外扶持LED产业的政策和现状,固体（态）照明（Solid State Lighting）？,照明技术： 在可见光光谱范围(380nm780nm)内作为阳光替代品的技术 .,能源问题越来越严重 办法 开源、节流,1. 半导体绿色照明与LED的概念,半导体（Semiconductor）,绿色照明（Green Lighting）,2019/3/23,城市照明是现代化的重要标志之一。目前世界上的电能五分之一用于照明。,2019/3/23,照明要使用多少能源？,中国使用的电力约1.65万亿度/2002，1.91万亿度/2003，2.19万亿度/2004。其中照明用电约2.6千亿度。 2020年我国的电力需求为4.6万亿千瓦时，其中年照明用电量约占总发电量的15，为6.9千亿度 (8个三峡的总量） 三峡装机容量980万千瓦,一年不停机,可发电0.86千亿度。,2019/3/23,LED仅使用传统照明1/10的电力 LED是目前照明灯具10倍以上的寿命(10年) 白光LED商品化,固态照明照明技术的革命！,中村修二,LED是如何诞生的? 它有怎样的发展历程？,LED 发展历程,1. 1907 碳化硅里观察到电致发光(黄光太暗)。 20年代晚从锌硫化物与铜提炼的黄磷光(发光暗淡) 2. 50年代使用半导体砷化镓,发明第一个具有现代意义的 LED(红外光)。 3. 60年代砷化镓上用磷化物,第一个红光问世.甚至产生橙色。 4. 70年代用金刚砂制造出黄光和绿光。 5. 80年代砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度LED的诞生。 6. 90年代初铟铝磷化镓生产出橘红 、橙、黄、和绿光LED 。 第一个有历史意义的蓝光也产生。 90年代中出现了超高亮度蓝光铟氮化镓LED发光芯片，在其抹上荧光磷，然后荧光磷吸收来自芯片上的蓝光再转化成白光。,2019/3/23,LED（Light Emitting Diode）： 发光二极管，是一种固态的半导体器件， 它可以直接把电转化为光。,LED的心脏： 是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个 支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。,主要材料： 二元芯片(GaP) 三元芯片(GaAsP) 四元芯片(InGaAlP) 蓝、绿芯片（InGaN） 白光芯片(InGaN)+荧光粉,（1）什么是LED,2019/3/23,（2） 发光二极管的工作原理,半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。这两种半导体连接起来的时候，它们之间就会形成一个结区，叫“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量（发射光子）。,2019/3/23,系列讲座-LED,发光二极管是由半导体材所制成的发光元件，元件具有两个电极，在两电极间加上顺向电压，通入极小的电，经由电子空穴的结合可将剩余能以光的形式激发释出，此即LED的基本发光原,如图示：,2019/3/23,（3）. 按光分类的LED,一般亮度,短波長紅外光,高亮度,長波長紅外光,可見光,不可見光,LED,波長380780nm,光波長8501550nm,850950nm,9501550nm,目前LED的发展以高亮度白光LED为主流,2019/3/23,（4）LED（芯片）灯的颜色,二极管晶圆制造过程中所添加的金属元素不同,成分比例不同,发出的光波长不同。 460nm发蓝光, 520nm发绿光, 570nm发黄光, 630nm发红光。,蓝光及绿光价格较高,每一颗蓝绿光的LED晶片都是在蓝宝石基片上制成。,2019/3/23,如何发出白光呢？,LED只能发出蓝、绿、黄、红四种颜色的光。要发出白光需要用互补原理产生白光 目前采用蓝光芯片激发黄色 (YAG yttrium aluminum garnet 钇铝柘榴石 )荧光粉来制造. 专利被日本(日亚)绑住，白光价钱最高.,色坐标,2019/3/23,（5）LED灯的寿命？,LED灯的寿命在100000小时以上； 环境温度高于80度会显著减低使用寿命； LED有正负极性分别,如果正负极接 错点亮可能会造成LED灯泡烧毁； 使用电压过高或是电流过大,LED会 产生逆向电流造成二极体雪崩而烧毁。,2019/3/23,缺点： I.热影响较大 J.具有衰减性 K.易受静电损伤,（6）LED的基本特点,a.体积小 b.寿命长 c.驱动电压低 d.耗电量低 e.反应速率快 f.耐震性好 g.单色性佳 h.无污染,优点,2019/3/23,A.指示灯 B.汽车光源 C.交通信号灯 D.显示看板 E.背光源,（7）LED的应用范围,F.特殊光源 G.普通灯饰 H.激光唱机 I.光通信 K.农业、渔业 ,2. LED产业背景及产业链,（1）LED产业背景,芯片- 封装- 应用,2019/3/23,（2）LED的产业链,上游：外延片生产 中游：芯片制造、芯片封装 下游：LED应用,LED产业链 LED产业链大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，LED中游产业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。,1、原材料 LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是IIIV族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上,2、LED上游产业 主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成分割检测。,3、LED中游产业 是指LED器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。,4、LED下游产业 是指应用LED作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用产业有LED显示屏、LED交通信号灯、LED航标灯、 LED景观灯饰、液晶背光源、LED车灯、LED特殊照明等。,水立方景观照明,2019/3/23,外延工艺：衬底 结构设计 缓冲层生长 N型层生长 发光层生长 P型层生长 退火 检测 外延片 芯片工艺：外延片 设计、加工掩模版 光 刻 离子刻蚀 N型电极 P型电极 划片 分检 包装 封装工艺：扩晶 固晶 烘烤 焊线 封胶 前切脚 排测 后切脚 测试 包装,2019/3/23,常见几种芯片,目前是以蓝光LED为主，未来 厂商要走向白光LED以及可 光LED几个方面发展。,高功紫外光(InGaN)LED 、 高蓝绿光(InGaN)、绿光LED 、 单一半导体型白光(InGaN) LED,2019/3/23,各種白色光源特性比較,2019/3/23, Year 2007 Mid.,HB-LED & SSL 主要应用示例及演进趋势,2019/3/23,白光应用发展趋势,2019/3/23,LED及SSL半导体照明 全球知名企业,2019/3/23,三,(4)LED产品应用图例,建筑 景观装饰 显示屏 背光源 交通信号 指示 汽车照明等,2019/3/23,功率型LED制造的上海通用别克君威概念车灯，跑车试验,LED车灯在汽车上的广泛使用,2019/3/23,LED景观照明 与显示,2019/3/23,2019/3/23,白色LED照明灯,地砖灯,礼品灯,手电筒,2019/3/23,2019/3/23,太阳能LED 庭院景观,LV饭店,日本企业公司,2019/3/23,道路安全警示,太阳能交通信号,太阳能LED路灯,2019/3/23,LED灯条,2019/3/23,3. 国内外扶持LED产业的政策和现状,2019/3/23,(1)、各国和地区政府计划,日本“21世纪光计划” 美国“国家半导体照明研究计划”估计10年后相关产业 将达500亿美元 欧盟“彩虹计划” 韩国“GaN半导体开发计划” 我国台湾地区“次世代照明光源开发计划” 2003年6月启动“国家半导体照明工程” ： 科技部、信息产业部等8个部门和16家地方政府参与； 15家研究机构和50多家企业。,2019/3/23,系列讲座-LED,LED产业是世界未来20年内最具有发展前景的朝阳产业。 2009世界总产值约为540亿美元，2010年超过700亿美元。 中国LED产业总值大约占世界的33%。2010年1260亿。 台湾的LED产产值2009就接近90亿美元。 中国政府把发展LED绿色光源产业作为国家重大发展战略。 广东省（广东2010年853亿,67.7%) 也把半导体LED绿色照 明产业作为政府十二五规划的重要内容，并在政策、资金、 项目等多方面将给与大力扶持。,（2）、国内外LED产业现状,2019/3/23,世界LED产业分布,2019/3/23,世界主要LED企业,2019/3/23,国家的几个主要LED产业基地,2019/3/23,中国大陆的LED重点企业,2019/3/23,2019/3/23,系列讲座-LED,（3）、江门市周边城市LED发展状况,中山市：2009年全市LED及相关配套产业实现产值65亿元，增速达30%. 封装企业规模继续保持较快增长，照明产品及应用取得较大进展，并拥有了较强的市场优势，产业规模仅次于深圳居全省第二。,佛山市：是国内重要的传统照明光源生产与研发基地，2009年产值超100亿元，拥有庞大的照明产业集群，目前相关上中下游企业超过400家，电光源产业的高新技术企业达45家，占全市高新企业总数的9.5%;,深圳市：2009年LED产业产值突破200亿元，同比增长超过30%,2019/3/23,（4）. 江门市的优势与劣势,服务内容,2019/3/23,江门的优势,现有企业：近300家，已形成较为完整的产业链 2010年：电子信息产业产值超137亿元 2012年：绿色（半导体）光源产业产值达300亿元 2018年：信息产业实现产值1000亿元,1)、良好的产业基础和产业优势,江门市的优势,建设广东省（江门）绿色（半导体）光源产业基地，核心园区4平方公里,江门市信息产业化和工业化融合实施方案,2019/3/23,珠江三角洲地区改革发展规划纲要(2008-2020年)： 重点发展新型平板显示、半导体照明等产业；加强行业 公共技术平台建设和创新服务体系建设 江门市自主创新总体规划实施方案： 加快发展绿色（半导体）光源产业，加快检测中心建设 江门半导体绿色照明产业化发展规划： 将江门市打造成为国内和国际半导体绿色照明产业核心 集聚区，2018年半导体绿色照明产业规模超过1000亿元,2)、产业扶持政策,江门市的优势,2019/3/23,研究生：稀土发光材料、大功率白光LED材料、薄膜芯片材料等相关研究方向 本科/大专生：应用物理光电子、电子信息工程(光电工程）专业，培养光电子材料与器件、LED芯片、LED封装、光电检测、光电显示、光机电一体化等领域专门人才，满足珠三角乃至全国急需的LED绿色照明光电子产业的工程技术人才 人才培养特色：LED上游产品LED封装中游产品LED下游工程,人才培养- 江门市”十百千万“人才计划,五邑大学的优势,2019/3/23,正在建设“国家（江门）半导体光电检测重点实验室”和“江门市绿色（半导体）光源LED研究院” 支持平板显示、半导体照明材料等研究 支持相关企业LED芯片开发与封装、半导体发光材料、集成电路封装测试等研发和生产,五邑大学的优势,2019/3/23,江门市最新出台的江门市高新技术产业开发区LED产业发展优惠暂行办法优惠措施，吸引了一批海内外LED业界知名企业的关注，一批规模较大的投资项目正在洽谈落实中。 江门LED产业起步早，已基本形成从外延、芯片、封装、应用的由上游到下游的较完整的产业链。,2019/3/23,20101月24日，由中国电子技术标准化研究所、工业和信息化部半导体照明技术标准化工作组等联合主办的2010年全国半导体照明电子行业标准发布及宣传贯彻大会在广东省江门市召开，标志着我国LED产业发展进入一个新的历史时期。 后续又有部分标准出台。,新出台的9项国家标准 半导体光电子器件功率发光二极管空白详细规范、 半导体发光二极管测试方法、 氮化镓基发光二极管用蓝宝石衬底片、 半导体发光二极管用荧光粉、 功率半导体发光二极管芯片技术规范、 半导体发光二极管芯片测试方法、 半导体光电子器件小功率发光二极管空白详细规范、 半导体发光二极管产品系列型谱、 LED照明名词术语,（5）LED标准,2019/3/23,二、LED制造技术概况,2019/3/23,系列讲座-LED,1,3,主要内容,4,LED芯片的制造技术概括,LED芯片封装制造工艺概括,LED应用产品开发技术概括,LED应用产品的类型和市场,LED应用开发对产业发展的影响,2,2019/3/23,系列讲座-LED,1. LED芯片的制造技术概括,LED外延设备 LED芯片制造设备 LED芯片结构,2019/3/23,系列讲座-LED,LED 芯 片 工 艺 流 程 图,2019/3/23,（1）.LED芯片外延设备,2019/3/23,磊晶设备MOCVD主要品牌,MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 金属有机化学气相沉积,2019/3/23,1968年由洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术MOCVD（Meltal-Organic Chemical Vapor Deposition）诞生 。 生产外延片的技术要求极高、难度极大。目前多数企业生产LED外延片都采用MOCVD这一专业设备。 设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体. 技术集成度高，尖端光电子专业设备。,MOCVD,2019/3/23,MOCVD的产能,一台MOCVD月产外延片2000片； 真明丽公司现有19台MOCVD，其月产能可达30000多片； 真明丽计划将引进60台MOCVD，届时一个月生产120000片外延片！,2019/3/23,LED产业链条的上游部分外延片的制程,外延片的生成制作过程非常复杂。Al2O3衬底放入外延炉，通入，族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸汽与非金属（或族金属元素）的氢化物（或烷基物）气体，在高温下，发生热解发应，生成-或-族化合物沉积在衬底上，生长出厚度为几微米的化合物半导体外延层。 长有外延层的GaN片也就是常称的外延片，长完外延片，对外延片做测试，符合要求的就是良品，其余为不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。,2019/3/23,MOCVD内部反应过程 族的(CH3)3Ga TMGa (三甲基镓) 、(CH3)3In TMIn (三甲基铟)等，与族特殊气体如：AsH3 (arsine) 砷化氢、PH3 (phosphine)磷化氢、NH3等。 通过特殊载体气流送到高温的GaAs晶片、人造蓝宝石等晶片上，在Reactor反应器內的高温下，這些材料发生化学反应，並使反应物沉积在晶片上，而得到磊晶片上形成一层半导体结晶膜。,MOCVD反應原理,2019/3/23,Recipe（处方） MOCVD设备 = 磊晶結果,基本化学反应式： 四元 TMGa(g) + AsH3(g) GaAs(s) +CH4(g) 蓝光 TMGa(g) + NH3(g)GaN(s)+CH4(g)+N2(g)+H2(g),2019/3/23,MOCVD设备及其系統,反应腔 Reactor,气体传输系統 gas mixing system,电控系統 E -Control unit,Cooling unit,Heater unit,Temp. control unit,Pressure control unit,Glovebox,后端管路抽气系統 Exhaust system Filter Butterfly valve Vacuum Pump,gas supply,power,Control computer,PLC,SLC,Safety control system,Cooling supply,气体探测器,2019/3/23,MOCVD 薄膜生长过程,incorporation and growth,wafer surface,gas phase,2019/3/23,（2）、LED芯片的制备,2019/3/23,芯片制程,一：芯片前段制程 1.化学区清洗和湿法刻蚀制程：用化学药品对晶片进行有机 物和其它颗粒的去除，以及有些膜层的化学腐蚀 2.蒸镀和干法蚀刻制程：在晶片上制作可以导入电流的引线电极。 3.黄光室制程：利用光刻胶的特性把图形转移到晶片上。 二：芯片后段制程 点测：将每个LED器件的特性进行量测(Vf Iv d Ir) 研磨切割：2”外延片约切割成20,000个至50,000个LED器件 分类：将特性一样的LED器件分成同一类 目检：将外观异常的LED器件挑除,2019/3/23,真明丽晶片厂,2019/3/23,LED完整产业链条分为LED外延片、LED芯片、LED封装、LED应用。 晶片厂成立于2008年，公司所有技术人员120人（比例1/3)。 公司拥有千级无尘室500平方米，万级无尘室3500平方米，配备有世界先进的生产设备。 如：MOCVD、X-ray、PL、可见光光谱仪、ICP、PECVD、激光切割机、进口金相显微镜等等。,2019/3/23,主要设备,MOCVD（有机气相外延设备） ICP-RIE（电感偶合等离子刻蚀机） PECVD （等离子薄膜沉积设备） 高精度曝光机 等离子薄膜蒸發台 高精度激光划片机 研磨机,2019/3/23,ICP-RIE,（电感耦合反应等离子刻蚀机）,2019/3/23,PECVD,2019/3/23,高 精 度 曝 光 机,2019/3/23,等离子 薄膜 蒸发台,2019/3/23,各种大宗气体设备,除MOCVD等设备外，还配备有生产所需的各种大宗气体设备，如氮气、氨气、氢气等等。,2019/3/23,等离子薄膜車間 PECVD,研磨切割車間,2019/3/23,（3）发光二极管及芯片基本结构,球透镜,环氧树脂,P层,有源层,N层,发光区,(a)正面发光型,微透镜,P型限制层,有源层,波导层,N型限制层,(b)侧面发光型,2019/3/23,提高白光芯片光效的方法,专利保护的背反射镜的示意图,2019/3/23,LED分类,1、 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和 纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 2 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。 3 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 4 按发光强度和工作电流分 、普通亮度的LED（发光强度100mcd）； 、高亮度发光二极管。（发光强度10100mcd ）； 、一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在 2mA以下。,2019/3/23,系列讲座-LED,1 产品封装结构类型 2 引脚式封装 3 表面贴装封装 4 功率型封装,led光谱,2. LED芯片封装制造工艺概括,2019/3/23,84,LED封装形式: LED封装形式可以说是五花八门，根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸，散热对策和出光效果。LED按封装形式分类有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。,LED封装任务: 是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。,2019/3/23,系列讲座-LED,2019/3/23,LED 封装设备,全自动固晶机,全自动焊线机,2019/3/23,多晶圆环固晶机,全自动焊线机,2019/3/23,2019/3/23,全自动贴片机,2019/3/23,全自动回流焊机,点胶机,2019/3/23,3. LED应用产品开发技术概括,（1）LED产品应用的种类,（2）LED产品开发应用中的几大技术难题,（3）LED产品开发的新技术应用,2019/3/23,93,（1）LED产品封装类型,1）直插式LED产品的封装 2）数码管类产品的封装 3）大功率LED产品的封装,2019/3/23,94,LED封装的种类,2019/3/23,95,LED构造,2019/3/23,96,2019/3/23,97,SMD LED生产流程,2019/3/23,98,数码管 LED生产流程,2019/3/23,99,2019/3/23,100,LED封装的主要技术工艺,1）固晶工艺； 2）焊线工艺； 3）调胶工艺； 4）胶封工艺； 5）调色工艺；,无论哪个工艺，都需要根据你制备产品的需求来进行工艺设计和调试。,2019/3/23,LED产品开发应用中的几大技术难题,2019/3/23,大功率芯片的贴片技术与稳定性问题； 温度引起的量子效率降低问题； 荧光粉的封装与质量稳定问题； 光学设计与散热问题； 驱动电路的耐久性问题； 综合性能设计问题。,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,散热问题,2019/3/23,LED产品开发的新技术应用,（1）光机电一体化设计； （2）大功率贴片技术与稳定性设计； （3）光污染控制问题； （4）智能化设计； （5）大尺寸背光源与直接贴片； （6）光通信与特出光源替代。,2019/3/23,1.室内装饰与照明,4. LED应用产品的类型和市场,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,2.外部景观与显示,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,3.路灯,2019/3/23,系列讲座-LED,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,系列讲座-LED,4. 背光源,2019/3/23,2019/3/23,2019/3/23,大功率白光LED技术,2019/3/23,LED 白 光 照 明,三种方法,紫外LED激发白光光源,三基色白光光源,蓝光LED激发白光光源,与日光灯的白光合成原理类似，也可用不同颜色的半导体发光合成白光,2019/3/23,2019/3/23,大功率贴片,2019/3/23,2019/3/23,系列讲座-LED,5. LED应用开发对产业发展的影响,各国及地区半导体照明研发计划表 （单位：lm/w）,2019/3/23,全球LED市场规模与增长率 单位：百万美元,在2008年，NB背光源、汽车照明市场、LED路灯等新应用将持续带动LED产业成长。预期在2010年以后，将由半导体照明应用为LED带来另一波成长的契机。,2019/3/23,全球白炽灯禁用时间表,2019/3/23,全球白炽灯禁用时间表,2019/3/23,近2-3年半导体照明重点工程,室内外照明 2008年中国路灯市场规模大约1,500万盏左右，其中LED路灯的装置数量大约在50万盏。 2009年中国LED路灯市场的装置数量预计将高达250万盏左右。 广东省2年内在10个城市实现“千里十万工程” 瓦房店市7万盏LED路灯，年节约电费500多万元 潍坊 2万盏LED路灯 天津工业大学实现5000盏LED路灯,来源LEDinside,2019/3/23,*专利保护的树枝电极结构,提高白光功率芯片光效的方法,大功率芯片图形,2019/3/23,提高芯粉结合技术,白光LED的四大类发光材料： 石榴石结构的稀土掺杂的复合氧化物 发光