（电磁场与微波技术专业论文）通用低成本高亮度大功率白光led封装技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭由电太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 蓑呜 签字日期： 。多年p 多月；p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞邮电态堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权重麽邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：关呜导师签名：董会宁 签字日期：沙髫年口夕月；口日 签字日期： 西口年，月多。日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 在全球能源短缺，环保意识逐渐加强的今天，白光l e d 由于具有寿命长、耗 电量低、控制容易、外形尺寸灵活、环保、坚固耐用等优点，被喻为“绿色照明 光源，在照明市场的应用前景受到全球瞩目，被认为将在未来1 0 年内取代白炽 灯、钨丝灯和荧光灯在照明领域的地位。 本文首先简单介绍l e d 的概念、发展以及国内外研究的进展和趋势。由现阶 段大功率l e d 的材料和封装结构入手，详细分析了不同制造技术的特点，给出了 大功率白光l e d 的实现方案，提出了当前存在的包括散热及发光取出效率等一系 列问题。接着依此对其结构材料、封装结构以及工艺技术进行了改进，提出了一 种热传导率高、热膨胀匹配良好、低成本、大功率、高亮度的l e d 封装技术。 该技术采用低热阻率、高导热性能的材料，将背面出光的蓝光l e d 芯片倒装 焊接在具有双向浪涌和静电保护电路的硅基板上；设计二次散热装置，在芯片下 部加铜或铝质热沉，来降低器件的热阻；并采用半包封结构，加速散热。除此之 外，材料的热胀冷缩也是l e d 封装的一个值得考虑的问题，l e d 外延材料与封装 材料之间热膨胀系数的差异可能导致l e d 芯片和封装之间的开裂，进而导致发光 失效或导热减弱。器件的内部，在封装时引入了热膨胀过渡层一填充透明度高的 柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内( 一般为4 0 2 0 0 ) ，胶体不会因温度 骤然变化而导致器件开路和出现变黄现象，保证了良好热膨胀匹配的同时，减小 了热阻。零件材料也充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。 经由实际测量可以看出，采用本结构封装的大功率l e d ，在很短的时间内便 可达到稳定，光通量基本保持不变，因热应力导致的光衰在多次开关后没有出现。 试验结果表明：本文提出的大功率白光l e d 封装设计，结构适用、工艺简便、器 件稳定、可靠性高；在硅基板上制造双向对称浪涌电流限制和静电保护电路，有 效地利用了硅基板材料，降低了成本；采用金球凸点和低热膨胀系数、高导热率 的过渡热沉，保证了器件特性，工艺简便易行，重复性好，可靠性高；由于本封 装技术利用硅片的平整性和集成性，以及硅片和热沉之间良好的热膨胀匹配特性， 因此很好地解决了大功率l e d 的散热和静电保护问题，提高了器件的寿命。 该技术也可以非常容易地实现l e d 多芯片集成封装，是一种低成本、通用性、 大功率、高亮度的l e d 封装技术。 关键字：大功率l e d ；白光l e d ；l e d 封装；热膨胀匹配；热阻 a b s t r a c t i nm eg l o b a le n e r g ys h o n a g e ，c n v i r o m e n t a l 抓瞰e n e s st 0s t r e n g t l l e ng r a d u a l l yt o d a y b e c a u s eo faw h i t el e dl o n gl i f e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s yt 0c o n t r o l ，士。咖t a c t o r f l e x i b i l i 饥e n v i r o i l l i l e n t a lp r o t e c t i o n ，d u r a b l ea d v a l l t a g e s ，k 1 1 0 w n 嬲m e ”g r e e nl i g h t s o u r c e ，”i i lt 1 1 el i g h t i n gm a r k e ta p p l i c a t i o no ft l l ep r o s p e c t sf o rg l o b a l a t t e n t i o n i ti s c o n s i d e r e dt l l a ti t 、析l lr e p l a c ei n c 锄d e s c e n tl 锄p ，t u n g s t e nl 锄pa i l dn u o r e s c e n tl 锄pi n t l l ea r e ao f t l l ep o s i t i o ni nm em x t1 0y e a r s t h i sp 印e rb r i e n yi n 臼0 d u c e st h ec o n c e p t ，d e v e l o p m e n ta i l dp r o g r e s si nd o m e s t i c 锄di n t e m a t i o n a lr e s e a r c h 锄dn c n d so fl e d f r o mt l l em a t e r i a l 锄d 心l n i n gw i t ht h e s t m c t u r ep a c k a g eo fh i g l l - p o w e rl e da t t l l i s s t a g e ，a d e t a i l e da 1 1 a l y s i so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i f l e r e n tm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e s ，g i v e nt h ea c h i e v e m e n to fm e h i 出p o w e rw h i t el e d ，as e r i e so fp r o b l e m si n c l u m n gt h ec u r r e n te x i s t e n c eo ft h e c o o l i n ge m c i e n c ya n de x t r a c t i o ne 伍c i e n c y t h e ni m p r o v e di t s s t n l c t u r em a t e n a l s ， p a c k a g i n gs t n l c t u r e ，a n dt e c h n o l o g y ；p r o v i d e dal e d p a c k a g i n gt e c h n o i o g yw i mh i g h m e 肌a lc o n d u c t i v i 锣觚dm e m a le x p a n s i o nm a t c l l i n gw e l l ，l o w - c o s t ，h i 曲。p o w e r l l i g h - b r i g h t i l e s s t h et e c h l o l o g y 邯e sm a t e r i a l sm a th a v e1 0 wr a t eo fr e s i s t a n c e ，l l i g ht h e m a l c o n d u c t i v i t ) rp r o p e n i e s ，t h eb l u el e dc l l i pl i g h t i n gf r o mb a c k 谢un i p 。w e l d i n gi n a 似d w a ys u r g ea n de l e c 们僦i cp r o t e c t i o no f 吐l es i l i c o n - b 嬲e dc i r c u i tb o a r d d e s i g n s e c o n d a r ) rc o o l i n gd e v i c e s ，趾dc o p p e ro ra l 哪i i l i 啪h e a ts i n kt 0r e d u c et l l ed e v i c e s r e s i s t a 】e u s es e m i e n c 印s u l a t i o ns 仇l c t u r es p e e du pt l l eh e a t i na d d i t i o n ，t l l el e d p a c k a g em a t e r i a le x p 锄d 嬲t l l et e m p e r 砷姗：i n c r e a s e sa n dc o r 灯a c tw h e nt h e y a r ec o o l e d i saq u e s t i o nw o r t hc o n s i d e r i n g ，l e d se p i t a x i a lm a t e r i a l sa i l dp a c k a g i n gm a t e r i a l s b e t w e e nt h ec o e m c i e n to ft h e m l 2 l le x p a n s i o nm a yl e a d t oc r a c k ，m u sl e a d i n gt 0 l u m i n e s c e n c ef a i l u r eo rt l l e 肌a lc o n d u c t i v i t yw e a l ( e n e d i i lt 1 1 ei n t e m a ld e v i c e ，w h e n t h ep a c k a g eo fm e 肌a le x p 觚s i o n 廿觚s i t i o nl a y e rf i l l e d 谢mh i 曲t r a i l s p a r e n c yo f n e x i b l es i l i c o n em b b e r w h i c hb e 盯i nt h et e m p e r 砷l l r er 觚g e ( t y p i c a l l y 一4 0 2 0 0 ) ， c o l l o i d a lw i l ln o tl e a dt 0c h 锄g e si nt e m p e r a t u r es u d d e n l yt h ed e v i c ea p p e a r st 0t 啪 y e l l o w 觚dp a v et l l ew a yp h e n o m e n o n ，a l l de n s u r eag o o dm e m l a le x p 肌s i o nm a t c ha t t h es 锄et i m e ，r e d u c et 1 1 et l l e m l a lr e s i s t 趾c e p a n sm a t e r i a l sa l s og i v e 如l lc o n s i d e r a t i o n t 0i t st l l e 肌a lc o n d u c t i v i t ) ，a n dt i l e m a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t 0g e tag o o do v e r a l lt h e m a l n 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t c h a 】r a 【c t e r i s t i c c a l lb es e e nt h r o u 曲m ea c t u a lm e 嬲咖e n t ，u s i n gt h es 饥l c n 鹏o ft h eh i g h p o w e r p a c k a g el e d ，i nav e 巧s h o r tp e r i o do ft i m ec 锄a c h i e v es t a b i l i t y l 啪i n o u s f l u ) 【 e s s e n t i a l l yu n c h a i l g e d ；b e c 叭s eo fh e a ts 仃e s sc a u s e db yb a dl i g h ta r e rt h es w i t c hd i d n o t 印p e 龇o nm a r 】i yo c c a s i o n s t h er e s u l t ss h o 、e dt l l a t ：t h ep r o p o s e dh i g h - p o w e rw h i t e l e dp a c k a g ed e s i g i l ：s 仃u c t u r e 印p l i c a b l et e c h n o l o g yi ss i m p l e ，d e v i c es 协b i l i 劬h i g h r e l i a b i l i 够s i l i c o nb a s e db o a r dm 锄u f a c t i l r e 谢t 1 1t 、) i ，o - w a ys y 删【1 1 e t r i ci n r u s hc u r r e m l i m i t i n ga n ds t a t i ce l e c t r i c i t ) rp r o t e c t i o nc i r c u i t ，e a e c t i v eu s eo fm a t e r i a l s ，r e d u c i n gc o s t s a s i l k yb 啪pa i l dl o wh e a te x p 姐s i o nc o e m c i e n t ，h i g l lm e h n a lc o n d u c t i v i t ) ，o ft h e 仃肌s i t i o nh e a ts i i l kt 0e n s u r et l l a tt l l ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l e ，r e p e 撕b l e ，h i g h r e l i a b i l i 够a st t l e u s eo fs i l i c o nc h i pp a c k a g i n gt e c h n o l o g y 锄dt i l ef o n t l a t i o no f i j l t e 伊a _ t i o n ，嬲、l l 舔s i l i c o n 锄dag o o dh e a ts i n kb e t 、e e nt l l em e n n a le x p a i l s i o n m a t c h i n gc h 盯a c t e r i s t i c s ，s oag o o ds o l u t i o nt o t l l e l l i g l l - p o 、e r l e dc 0 0 1 i n ga i l d e l e c 臼o s t a t i cp r o t e c t i o ni s s u e s ，e r l l l a n c em ed e v i c e sl i f e t i l et e c h n o l o g yc 趾a l s ob ev e 巧e a s yt oa c h i e v el e d m u l t i - c h i pi m e 伊a t e dp a c k a g e ， i sal o w - c o s t ，嘶v c 瑙a 1 ，h i g l l - p o w c r ，l l i g l l - b r i g h m e s sl e d p a c k a g i n gt e c l u l o l o 盱 k e y w o r d s ：h i g h p o w e rl e d ；w k t e l i g h t l e d ：l e d p a c k a g i n g ； t h e 棚1 a l e x p a n s i o nm a t c l l i n g ； h e a tr e s i s 伽c e n i 一里塞! ! 皇盔兰堡主笙塞 箜堕室一 - _ - _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ l - - _ _ - _ _ _ _ i - - - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ - - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ 一一 l e d o l e d s h d h u v l e d r g b 搦g t l p f c e s d m o c v d t c l h b m m i s m b e m c i 缩略表 l i g h te m i n i n g d i o d e o r g a n i cl i g h te m i t t i n g d i o d e s i n g l eh e t e r o j u n c t i o n d o u b l eh e t e r o j u i l c t i o n u l t r a v i o l e t l i g l l te m i t t i n g d i o ( 1 e r e d ，c h 吼，b l u e y t t r i u 】 i la l 啪i r l u 】【i l g 剐m e t 1 i n m c a t e di n v e n e d p y r a m i d f l i pc l l i p e l e c 臼ds t a 【t i c d i s c h a r g e m e t a l o r g 撕c c h e m i c a j v a p o u rd e p o s i t i o n t h n s p a r e n tc o n t a c tl a y e r h u m 肌b o d y m o d e l m e t a li n s u l a t o rs e m i c o n d u c t o r m o l e c u l a rb e 锄e p i t a ) 【y m i n o r i 锣 c a 盯i e r i n j e c t i o n i v 里鏖坚皇奎堂堡主迨壅 旦 - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ _ i _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - l _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一。一 目录 摘要l a b s t r a c t i i 缩略表i v 目录”v 第一章绪论1 1 1引言1 1 2l e d 的发展历史“l 1 3l e d 的优点3 1 4大功率l e d 的国内外研究状况3 1 5大功率l e d 的研究阶段和研究趋势5 1 6大功率l e d 的发展前景7 1 7本课题的主要工作8 1 8本章小结8 第二章大功率l 印的理论基础1 0 2 1l e d 技术的发展过程1 0 2 2大功率白光l e d 技术的现状1 l 2 3材料技术1 2 2 3 1材料晶格匹配1 2 2 3 2s i c 材料1 4 2 3 3z n s e 材料。l 5 2 3 4g a n 材料1 6 2 3 5白光l e d 实现的方案1 8 2 4封装和结构2 0 2 4 1提高白光l e d 组件取出效率的方法2 0 2 4 2封装形式和结构2 2 2 5本章小结2 3 第三章器件结构的设计2 5 3 1大功率l e d 芯片外延衬底材料2 5 v 重庆邮电大学硕士论文 目录 3 1 1蓝宝石衬底过渡法2 5 3 1 2a l g a i l l n 碳化硅( s i c ) 2 6 3 2 3 2 1 3 2 2 3 3 3 3 1 3 3 2 3 3 3 3 4 3 4 1 3 4 2 3 4 3 3 4 4 3 4 5 3 4 6 基础封装结构2 6 传统的正装结构2 6 倒装结构2 7 大功率l e d 芯片的制造2 7 加大尺寸法2 8 硅底板倒装法2 8 陶瓷底板倒装法2 8 结构设计与材料选用2 9 散热2 9 出光。：3 0 电气保护3 l l e d 芯片3 2 硅基板3 2 过渡热沉3 3 3 5本章小结3 3 第四章工艺流程与控制3 4 4 1工艺流程3 4 4 1 1 4 1 2 4 1 3 4 2 硅基板3 4 l e d 芯片3 4 倒装焊3 5 工艺控制3 5 4 2 1硅基板3 5 4 2 2p 型基区扩散及电压保护3 5 4 2 3金凸点制作3 6 4 2 4 热沉选择3 6 第五章分析比较与试验结果3 7 5 1 5 2 5 3 5 4 v i 7 7 8 o ，j 3 3 4 较 p l 匕 乜匕 白月 性 一 一 一 j _ ) 蕊日 匹算果结胀计结小膨阻验章 l ， ，k ， 热热试本 重庆邮电大学硕士论文目录 第六章结论4 1 致谢4 2 参考文献4 3 附录4 7 攻读硕士学位期间发表的论文4 7 攻读硕士学位期间申请的专利4 7 攻读硕士学位期间参加的项目4 8 v i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 l e d 取自l i g h te m i t t i n gd i o d c 三个单词的缩写，中文译作“发光二极管”。 发光二极管是由i i i v 族化合物，如g a a s 、( h p 、姨s p g a a l a s 、i n g a a l p i 、 g a n 等半导体制成，其核心是p n 结，因此它具有一般p n 结的特性，即正向 导通反向截止和击穿特性。此外，当电流顺向通过半导体p n 结时，它还具有发 光特性，由一部分正流子( 少子) 与多数载流子( 多子) 复合而发光。所以发光 二极管是一种可以将电能转化为光能的具有二极管特性的电子器件。 不同的发光二极管可以发出从红外到蓝色之间不同波长的光线，目前，发出 紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。除此之外，在蓝光l e d 芯片上涂黄色 荧光粉，可将其发出的蓝光转化成白光，从而制成白光l e d 。 在全球环保意识逐渐加强的趋式下，白光l e d 具有低电压、低能耗、长寿命、 高可靠性、易维护等优点，被喻为“绿色照明光源 ， 有可能成为替代白炽灯、 荧光灯的新型固体光源( s o l i d s t a ：t el i g h t i n gt e c h n o l o g y ) 【2 1 ，因此成为未来一般照 明市场的主要光源是其必经之路。白光l e d 具有省电、环保、寿命长等优点，可 广泛应用于通讯、电子、汽车、光电显示等产业，亦将逐渐取代传统照明设备， 因此可望成为未来照明市场的耀眼明星。 早期的l e d 由于发光效率不高，使它的应用受到了很大的限制，在它3 0 多年 的发展历史中，一直主要作为指示应用，随着2 0 世纪9 0 年代固体物理学的高速 发展和新半导体材料突破性的发现，l e d 技术取得了突飞猛进的发展，在一些照 明领域开始局部的应用，逐渐开始应用于移动设备背光源、交通信号灯、汽车用 灯、白光照明等领域。随着l e d 的发光亮度和效率的进一步提高，半导体照明成 为2 1 世纪最具发展前景的高新技术领域，大功率l e d 作为新一代的电光源将逐 渐成为室内和家用照明的主流产品。因此，各国政府、照明企业和公司注入极大 的资金、人力、物力去研究和开发白光l e d 光源。 1 2l e d 的发展历史 自1 8 8 2 年爱迪生发明白炽灯以来，人造照明光源经历了三个发展阶段：白炽 灯、霓虹灯、气体放电灯。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 早在1 9 0 7 年开始，人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有 发光的物理现象，应用半导体p n 结发光原理制成l e d 问世于2 0 世纪6 0 年代 初。1 9 6 4 年首先出现红色发光二极管，如图1 1 所示，但生产出具有一定发光效 率的红光l e d 已是1 9 6 9 年了，之后才出现了黄色l e d 。直到1 9 9 3 年由日本n i c h i a c o 公司( 日亚) 首先在蓝色g a n 发光二极管上获得技术突破，并于1 9 9 6 年实 现白光l e d ，在1 9 9 8 年实现了真正商品化。以白光l e d 为主的半导体照明光源 登上了历史舞台，人造照明光源迈进了照明光源的第四个发展阶段半导体照 明时代。 图1 1 传统式发光二极管的元件结构图 通常，我们将采用了l e d 、o l e d ( o r g a m cl i g h te m i t t i n g d i o d e ) 或其 它发光聚合物技术的照明应用称作半导体照明。由于半导体材料将电能直接转化 为光，所以半导体照明与传统照明光源最大的不同在于它的光线不会产生热量， 半导体照明是近百年来照明技术的真正革命。 l e d 从诞生初始就以其固有的寿命长、省电、冷光源、耐震动、响应速度快 等特点，广泛应用于我们的日常生活中，如指示灯、显示屏、信号灯、景观照明 等领域，在家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等处处可 见。但由于其亮度差、价格昂贵等条件限制，无法作为通用照明光源作推广应用。 近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，l e d 制造工艺的不 断进步和新材料( 氮化物晶体和荧光粉) 的开发和应用，各种颜色的超高亮度l e d 取得了突破性进展，其发光效率提高了近1 0 0 0 倍，色度方面已实现了可见光波段 的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光l e d 的出现，使l e d 应用领域跨越至 高效率照明光源成为可能。毫不夸张的说，高亮度l e d 将是人类继爱迪生发明白 炽灯泡后最伟大的发明之一。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3l e d 的优点 与传统电光源的发光基理有所不同，被称为“绿色光源的l e d 利用了半导 体p n 结的发光原理，工作采用低压直流供电，使它天生就具有寿命长、低功耗、 光色纯、光效高、可控性强、稳定性高、安全性好、无辐射、抗震、耐击打等优 点。在照明行业中，将其与传统光源比较分析，不难发现其表现出来的传统光源 难以替代的优点： ( 1 ) 寿命长：在恰当的电流和电压下，l e d 的使用寿命可达1 0 万小时，2 4 小时连续 点亮可用1 4 年； ( 2 ) 耗电量低：一般来说l e d 的工作电压是2 3 6 v ，工作电流是0 0 2 0 0 3 a ，这 就是说，它消耗的电不超过o 1 w ，光效为7 5 h i l w 的l e d 较同等亮度的白炽 灯耗电减少约8 0 ； ( 3 ) 亮度和色彩的动态控制容易：可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩 动态变换和数字化控制； ( 4 ) 颜色：鲜艳饱和、纯正，无需滤光镜，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜 色，可实现多变、逐变、混光效果，显色效果极佳； ( 5 ) 外形尺寸灵活：l e d 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它 非常的小，非常的轻，可实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果； ( 6 ) 环保：无有害金属汞，不像荧光灯含水银会造成污染，同时l e d 也可以回收再 利用，无红外和紫外线辐射； ( 7 ) 坚固耐用：l e d 是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固， 灯体内也没有松动的部分，这些特点使得l e d 是不易损坏的。 综合考虑，很多场合使用l e d 还是节约了大量成本，集这么多优点于一身， 更让我们感受到大力推广使用l e d 是一项很有价值的工作p 】o 1 4 大功率l e d 的国内外研究状况 各国政府都高度重视，相继推出半导体照明计划，已形成了世界性的半导体 照明技术研究浪潮。 ( 1 ) 美国：2 0 0 0 年美国政府启动“国家半导体照明研究计划”，并于2 0 0 1 年7 月由能源部提出“新一代照明光源计划 ，已有1 6 家厂商参与攻关和市场应 用研究，总计将投入5 亿美元，时间从2 0 0 0 年至2 0 l o 年，计划于2 0 0 2 年达到2 0 l m w ，2 0 0 7 年7 5 l m w ，2 0 1 2 年1 5 0 l m w o 预计到2 0 2 5 年，半导体照明光源的 使用将使照明用电减少一半。从2 0 0 0 年至2 0 2 0 年，累计的功效和节约潜力就可 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 以达到减少2 5 8 亿吨炭污染物的排出，少建1 3 3 座1 0 0 0 w 的电站，累计节约财政 开支1 1 5 0 亿美元，形成一个新的每年产值超过5 0 0 亿美元的光源产业，还会带来 数以百万计的工作机会【4 j 。 ( 2 ) 日本：1 9 9 6 年日本日亚化学工业株式会社( n i c h i a ) 发布利用蓝光l e d 涂上黄色荧光粉( y a gy t t r i 啪a 1 u m i n u mg 锄e t 钇铝石榴石用于产生激光 束的氧化铝合成晶石) 激发产生人眼可见的白光l e d 后，白光l e d 正式进入商业 化，并使该公司在全球白光l e d 市场占有率高达7 0 。由于白光l e d 具有省电、 环保、寿命长等优点，可广泛运用于通讯、电子、汽车、光电显示等产业，亦将 逐渐取代传统照明设备，因此可望成为未来照明市场的耀眼明星。其政府于1 9 9 8 年制定“2 1 世纪光计划 ，从1 9 9 8 年到2 0 0 2 年间已投资5 0 亿日元进行了白光l e d 的开发研究，完成了“二十一世纪照明发展计划的第一期目标，目前正处于商 品化市场推广阶段。其组织实施的第二期计划，计划到2 0 1 0 年，l e d 的发光效率 达到1 2 0 l m w o 日本的“2 1 世纪的照明计划 还将耗费6 0 亿日元用于推行半导 体照明，其目标是在2 0 0 6 年用白光l e d 替代全国5 0 甚至更多的传统照明1 5 j 。 ( 3 ) 韩国：韩国政府从1 9 9 9 年至2 0 0 4 年投资4 0 亿韩元进行l e d 光源的开 发研究。其“半导体照明计划 已经政府审议批准，2 0 0 4 2 0 0 8 年国家投入l 亿 美元，企业提供3 0 的配套资金，三星公司也与台湾展开积极的合作投资。 ( 4 ) 德国：s i e m e m 光电公司和世界第三大光源灯具厂商o s r 锄g b h 于1 9 9 9 年1 月合资成立o s r a mo p t 0s e m i c o n d u c t o r s 公司，进行白光l e d 和l e d 光源 的开发研究工作1 6 j 。 ( 5 ) 欧盟：全球最大的照明光源厂商p 1 1 i l i p sl i 曲t i n g 公司，于1 9 9 9 年7 月 与美国h pa 西l e n t 技术公司合作投资1 5 亿美元，成立了l 啪i l e d s 公司，致力于 白光l e d 研发工作。欧共体各国相继提出合作研发计划，名为“彩虹计划”，已 在2 0 0 0 年7 月启动，通过欧共体的资助，推广应用白光l e d 照明。 ( 6 ) 中国：中国对发展白光l e d 高度重视，科技部有“8 6 3 、“9 7 3 计划研 究篮光、白光l e d 材料，“十五 期间国家几个部委联合推出“半导体照明工程 并于2 0 0 3 年6 月1 7 日，由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家 半导体照明工程协调领导小组，o 从协调领导小组成立起，到2 0 0 5 年年底之前的 这段时间将是半导体照明工程项目的紧急启动期，以半导体照明工程的产业化为 目的，以应用促发展，培育有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业，加快照明 工业转型的步伐。从2 0 0 6 年的“十一五 开始，把半导体照明工程作为一个重大 工程进行推动。2 0 0 4 年2 0 l m w ，2 0 0 5 年3 0 1 m w ，2 0 0 8 年6 0 i m w ，2 0 1 0 年1 0 0 l m w ，2 0 2 0 年2 0 0 l m w 。在中国，l e d 目前仅处于照明应用的初级阶 段，要使l e d 真正进入照明领域，l e d 产业界和照明产业界要做的工作还有很多， 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 要走的路还很长。面对挑战，我们要对困难有清醒和足够的认识，同时也要坚信， 只要我们不懈地努力，一定能在不远的将来，在中国实现人类历史上又一伟大创 举，用半导体l e d 固态光源全面替代传统照明光源。我国的半导体l e d 产业链经 过多年的发展已相对完善，具备了一定的发展基础。同时，我国又是照明灯具产 业的大国，只要政府和业界适当协调整合好，发展半导体l e d 产业是大有可为的。 ( 7 ) 台湾地区：在业者积极扩产下，2 0 0 3 年下半年篮光l e d 芯片产能，已 超越日本成为世界第一，而产值则仅次于日本成为世界第二。因此，台湾业者凭 借着完整的l e d 产业量产体系及低成本的劳动力之优势，再加上亿光及光宝科技 陆续取得德国欧司朗( o s r 锄) 的授权，已正式进军白光l e d 市场。其推动的“次 世纪照明光源开发计划”投资约合6 _ 1 0 亿新台币【，未来台湾厂商在白光l e d 领域的表现值得期待。 1 5 大功率l e d 的研究阶段和研究趋势 2 0 0 3 年彩色手机市场需求快速增温，使得白光l e d 需求提升。除此之外，白 光l e d 尚可应用于照相手机及数字相机闪光灯市场、l c d 背光源及车用照明等， 并且有希望替代现有照明设备。因此预估未来几年白光l e d 将成为l e d 应用市场 的主流，也是l e d 产业中的佼佼者。依台湾工研院i e k 资料，2 0 0 3 年全球手机用 白光l e d 的市场规模达9 8 3 百万美元，较之2 0 0 2 年成长4 1 6 。2 0 0 4 年以来， 由于在台湾厂商进入手机用白光l e d 市场，单价呈现下滑，不过在手机彩色化持 续攀升，以及照相手机所带动白光l e d 闪光灯的增加下，预测整体市场仍将成长 2 8 2 ，t 达到1 2 6 0 百万美元，可见其颇具成长性【引。 从其应用发展来看，l e d 产业的发展历程依次可分为大致以下三个阶段： ( 1 ) 信号指示阶段：所有电子设备的功能指示、交通信号灯等； ( 2 ) 显示应用阶段：指示牌、广告牌、大屏幕显示等； ( 3 ) 照明应用阶段； 下面就其在照明应用领域的不同分布做详细的说明： 1 背光照明：彩色手机、普通电子设备功能、显示背光源、笔记本电脑背光源、 大尺寸l c d 显示器背光源等； 目前白光l e d 最大应用市场为彩色手机屏幕及按键的背光源，根据电子时报 引用市调机构i s u o o l i 数据指出，受彩色手机换机潮出货高涨所赐，2 0 0 4 年全球手 机出货量至6 2 5 亿部规模，预估全球彩色屏幕手机比重达6 7 ，彩色手机产量将 可望冲破4 亿部，达到4 2 亿部；每部彩色手机屏幕背光源约需2 3 颗的白光l e d ， 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 如以平均2 5 颗计算，2 0 0 4 年白光l e d 应用在彩色手机屏幕背光源的需求将达到 1 0 5 亿颗。以每部手机而言，按键须用高亮度l e d 平均约8 1 2 颗，由于在成本 考虑下，目前使用白光l e d 比重仍偏低。依台湾工研院i e k 资料，2 0 0 3 年白光、 黄绿光、蓝光l e d 三者用于手机按键背光源市占率分别为1 ：6 ：3 ，预估未来在 蓝光及白光l e d 价格下跌影响下，黄绿光l e d 市占率将会下滑，将有利于白光 l e d 市场需求之增加一j 。 2 照相手机及数码相机闪光灯、投影光源、投影仪用r g b 光源等； 照相手机用的闪光灯，为白光l e d 新的应用市场，依市调机构i s u p p l i 资料， 2 0 0 4 年照相手机占整体全球手机比重的2 5 ，市场规模达到1 5 6 亿部，而根据台 湾工研院i e k 资料，照相手机在2 0 0 3 年搭配白光l e d 闪光灯的比重为4 5 ，2 0 0 4 年将成长为6 5 ，使白光l e d 闪光灯市场呈现大规模成长。目前每部照相手机约 需3 4 颗的白光l e d 作为闪光灯光源，2 0 0 4 年白光l e d 应用于照相手机闪光 灯上的需求在3 亿颗以上【1 0 1 。至于数码相机闪光灯，目前绝大多数仍以氮气闪光 灯为主，不过随着省电的诉求及轻薄短小的设计，未来数字相机厂商会越来越多 采用白光l e d 做为闪光灯的来源。 3 液晶显示器面板的背光源； 市场液晶显示器( l c d ) 是非自发光的显示器，白光l e d 作为l c d 光源，具 有省电、体积小、环保等优点，且欧盟于2 0 0 6 年起禁止使用含汞的c c f i ( 冷阴 极管) 及相关产品，使得白光l e d 将成为未来的主要背光源，但l e d 背光模块的 成本仍高，加上发光效率仍有待提高。因此，除目前己广泛使用于行动电话、p d a 、 数码相机、数字摄录像机等小尺寸l c d 面板背光源的运用外，中