———————————————————————————————————————
LED 衬底、外延、芯片及封装产业
技术发展动态
彭万华（福建省光电行业协会厦门市光电子行业协会）二O 一四年四月 衬底、外延、芯片及封装产业简况
衬底、外延及芯片、封装、技术指标等四部分
摘要
———————————————————————————————————————
1、LED衬底、外延、芯片及封装产业简况
1.1 LED衬底简况
目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石（Al
O3）、SiC、Si和GaN，
2
Cree公司用SiC衬底，全球很多公司正在开发Si衬底，东芝已宣布投产8″Si
衬底，其余的蓝宝石为主，全球生产蓝宝石衬底有130多家，其中80多家是
近二年加入的。全球2012年需求量约9600万片（以2″计算），其中图形化
衬底（PSS）占70~80%，目前以2″和4″衬底片为主，几年后将以6″为主。
有人预测2016年蓝宝石、Si和GaN这三类衬底将各占三分之一。近几年全球
正在研究开发很多LED新衬底，并取得突破性进展。
中国开发、生产蓝宝石衬底的企业约50家，其中已投产约20家左右，我
国生产能力已超过1亿片/年（以2″计算），超过全球的需求量，而且蓝宝石
企业直接生产PSS衬底的不多，目前蓝宝石国产化约50%，企业的竞争力较
差，走向转型、整合、兼并是必然的。另外，南昌晶能采用Si衬底量产
LED，国内还有很多研究所、企业正在开发同质衬底、复合衬底和SiC衬
底，并取得很大成果。
———————————————————————————————————————
1.2 LED外延及芯片产业简况
全球从事LED外延及芯片研发生产单位约169家（另有报导为142家），
共有MOCVD设备约3000台（另有报导为2800台），其生产能力以4″计算为
200万片/月，其中比例为：中国25.8%、台湾21.8%、日本19.2%、韩国
17.3%、美国11%、欧洲2.8%。2012年产量为950亿只，当年生产过剩达
35%，目前以2″和4″园片为主，预测几年内将以6″为主，会达到50%以上。
中国LED外延及芯片企业约50多家，其中投产的约30家，2013年MOCVD 设备将达1100台，开工率为50~60%，产量超过1000亿只（含小芯片和四元
系芯片），产值达84亿元（另有报导为105亿元）。由于国内上游企业过多，
大部分企业规模偏小，走向整合、兼并是必然的。另外国内有16家企业正在
研发制造MOCVD设备，有的已在上游企业试用，预计2014年将有国产
MOCVD设备正式投产。还有外延用的MO源：三甲基（镓、铟、铝、锑）、
三乙基（镓、锑）、二甲基锌、二乙基（锌、碲）等国产化率已达60%。
1.3 LED封装产业简况
据Stra tegies Unlimited报导：2012年全球LED封装产值为137亿美
元，其中照明占23%、背光源占22%、移动显示为19%、标牌为13%、
汽车为10%、其他为13%。2013年为144亿美元，今后五年将以二位数
增长至2018年达259亿美元。据台湾PIDA报告，2013年全球封装产值为
148亿美元。另据Yolo Developement报导，2013年全球封装产值为139
亿美元，预测到2017年由于价格大幅下降，其产值为170亿美元。
我国LED封装产值据有关报导2012年为320亿元，台湾PIDA报告，
大陆封装产值为10亿美元，相差颇大。2013年为403亿元（另有报导为
473亿元）。我国LED封装产品齐全，封装技术水平较高，与国外比较相
差很少。全国封装企业有1000多家（另有报导超过3000家），由于企业
数量过多、规模偏小，走向重组、整合、兼并、转产等是必然的。
———————————————————————————————————————
1.4 LED主要技术指标
日亚、飞利浦、欧司郎等几个大企业实验室水平，光效均超过
200lm/w，Cree公司实验室光效达276 lm/w。首尔半导体称为
“npolo”LED，在1mm2芯片上要实现1000光通量，三菱化学同样提出也达
1000lm光通量，称为LED光源的终极目标。日本田村制作提出在2mm见方
芯片要实现2000~3000 lm光通量，美国加洲大学圣巴巴拉分校提出光效要
达到300 lm/w，美国Soraa公司采用GaN-on-GaN技术制作LED替代灯，使
每盏灯用一只LED器件，谱写了LED技术新篇章，即LED2.0版。美国SSL
计划修定中提出LED光效产业化水平达266 lm/w为终极目标。目前全球
LED产业化光效水平为120~150 lm/w。
2、LED衬底、外延及芯片技术发展动态
———————————————————————————————————————
2.1.2 纳米柱PSS
英国塞伦公司的新技术，在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光
刻技术，形成表面的纳米柱，在此衬底上外延生长可缓解应力
85%，从而大幅度减少缺陷，可提高发光亮度达80~120%，LED
光效的产业化水平达200 lm/w，并改善Droop效应，衰减减缓约
30%，现在中国寻找合作者。
小结：PSS能较大提高LED发光效率，特别是纳米级nPSS能
更大提升LED发光效率，PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。
对PSS在降低成本方面有不同看法。
2.2 同质衬底
同质衬底是以GaN作衬底，生长GaN衬底有多种方法，一般采用HVPE（氢化物气相外延）或钠流法，生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题，衬底厚度
约400~500μm，现可产业化。GaN衬底的优点：位错密度低（105~106个/cm2），
内量子效率可达80%以上，生长时间短约2小时，节省大量原材料，可大幅度降低成
本。
2.2.1 实现高亮度LED
丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片，其面积为1mm2，可实现400 lm光通量。
2.2.2 HVPE生长GaN衬底产业化
三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底，厚度
450μm左右，位错密度（106~107个/cm2），三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬
底，并计划2015年将成本降至目前的十分之一。东莞中镓(北大)可批量生产GaN衬底。
2.2.3 提高内量子效率
日本碍子公司采用钠流法生长GaN衬底，低缺陷密度，内量子效率达90%，在200mA下，其光效达200 lm/w，2012年可提供4″GaN衬底，正在加速开发低缺陷
的6″衬底。
———————————————————————————————————————
2.2.4 大尺寸GaN衬底
住友电工和Soitec合作开发4″和6″GaN衬底，采用晶园制造技术和智能剥离层转移技术生产超薄高品质GaN衬底，具有低缺陷密度，并宣布可提供
GaN衬底。
2.2.5 LiGaO
2
衬底
华南理工大学研发在LiGaO
2
衬底上采用激光分子束外延生长非极性GaN衬底，厚度2μm，作为复合衬底生长GaN芯片，要求达到位错密度为
1×106/cm2，内量子效率85%，转换效率为65%。
2.2.6 获奖产品
美国Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技术制作LED替代灯，被
SVIPLA评为“过去30年半导体材料科学取得最重要成就之一”。其LED晶体完
整性提高1000多倍，使每盏灯使用一个LED器件成为可能。
小结：采用GaN-on-GaN同质衬底生长LED，其缺陷密度达（105～
106/cm2），可极大提升LED发光效率，而且加大电流密度时Droop不明显，使
普通照明实现采用单芯片LED光源，将LED核心技术推向新台阶。用中村修二
的话来小结：我们相信有了GaN-on-GaN LED，我们已经真正地谱写了LED技
术新篇章，即LED2.0版。
2.3 非极性、半极性衬底
蓝宝石（Al
2O
3
）晶面有极性C面、半极性M面、R面和非极性A面。采用
非极性或半极性衬底，生长难，可大幅度降低缺陷密度。采用非极性衬底生长LED，可作显示屏、电视、手机等背光源，没有取向性，不要外置扩散片，并可用于录光、激光、太阳能板。
2.3.1 非极性、半极性蓝宝石衬底
英国塞伦光电采用非极性蓝宝石上生长LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光转换效率可提高7倍，大幅度提高亮度而有效改善美元/流明值。
2.3.2 “npolo”LED
首尔半导体采用非极性GaN衬底生长LED称为“npolo”LED，在1mm2芯片上实现500 lm光通量，首尔半导体CEO李贞勋说：同一表面的亮度大幅改善5倍，未来可提高10倍以上，是LED光源的终极目标。
———————————————————————————————————————
2.3.3 非极性GaN衬底
三菱化学采用非极性GaN衬底生长蓝光LED，其缺陷密度最少仅为
1×104/cm2。计划目标，在1mm2芯片发光亮度可达1000 lm光通量，并准
备于2013年3月投产。
2.3.4 非极性、半极性GaN衬底产业化
住友公司宣布已开发半极性、非极性GaN衬底材料，可提供制作白光
LED的半极性、非极性衬底。
2.3.5 紫外LED采用非极性衬底
首尔半导体采用非极性GaN衬底开发紫外LED并与R、G、B荧光粉组
合可实现高显色指数的白光照明和色彩表现范围大的背光源。
小结：采用半极性、非极性蓝宝石和GaN衬底生长LED的核心技术，已
取得突破性进展，有可能在1mm2芯片上实现1000 lm光通量，采用单芯片
作为一盏LED灯的光源成为可能。
2.4 芯片新结构
LED核心技术，还有LED芯片结构新技术。芯片结构设计主要是考虑如何
提高外量子效率，即芯片的光萃取效率，提高芯片散热性能以及在降低成本上进
行采用新结构新工艺。芯片有很多种新结构。
2.4.1 六面体发光芯片
六面体发光芯片指芯片的六个面全部出光，采用多面表面粗化技术，减少界面对光子的反射，提高光萃取率。
2.4.2 DA芯片结构
Cree公司利用SiC衬底优势，已推出的DA系列产品，采用SiC透明衬底作为
发光面，在SiC衬底上制作3D结构，即在SiC基板的外侧设置V字形沟槽，从V字
沟槽一侧发光，以增强高折射率SiC衬底的光萃取效果，而且是大电流倒装芯
片，发光层一侧与封装接合，获得高质量的散热性，采用共晶焊、无金线，面积
几乎是原来的一半，显著降低成本，实现双倍性价比。并在第三代碳化硅技术
SC3平台上，采用匹配的最新封装技术，宣布获得光效达276 lm/w。
———————————————————————————————————————
2.4.3 单芯片白光技术
三星公司采用纳米级的六角棱锥结构技术做出白光LED ，可以实现半极性、非极性衬底上生长GaN ，有利于光萃取的提升，因纳米结构微小能有效降低应变，达到更佳的晶体质量，而且散热性能好。同时发绿光、黄光、红光，其内量子效率分别为61%、45%、29%。实现单芯片发多色光
组合白光LED ，取得突破性进展。将会提高光色质量和避免波长转移引起
光能损失，并可减少封装工艺，提高封装可靠性和降低封装成本，成为实
现白光LED 的另一条技术路线。
小结：LED 芯片结构研发方面不断有新结构出现，在提高光效、散热
性能、降低成本上不断有所突破。更要关注单芯片发多色光组合成白光
LED 的研发进展，将是LED 照明技术发展中另一条可行的技术路线。
2.5 衬底、外延新技术
以下介绍几种在LED 衬底、外延核心技术研究中的新技术是具有开创性。
2.5.1 外延偏移生长技术
美国加州大学采用掩膜及分层偏移技术生长低位错GaN ，如图所示。
示意图中SiO 2厚200nm ，SiN X 厚120nm 。先低温530℃生长25nm 成核层，之
后在1040℃下外延GaN ，进行偏移生长，阻档位错生长，可获位错密度为7×105
个/cm 2，可极大提高内量子效率，减少Droop 效应。在外延上采用创新技术，取
得突破性进展，将极大提高LED 性能指标。
———————————————————————————————————————
2.5.2 3D 硅基GaN 技术Aledia 公司发布采用3D 硅基GaN microwire 技术，制造3D 硅基LED 芯片的成本仅为传统2D 平面LED 的五分之一。该技术基于升级了
microwire 生产工艺，采用大尺寸园晶和低成本材料的解决方案，该技
术已在法国LETI-CEA 公司开
2.5.3 氧化镓β-Ga 2O 3衬底
氧化镓Ga 2O 3具有多种结构形式：α、β、γ、δ、ε等，其中β
结构最为稳定，禁带宽度为4.8~4.9ev ，现已做出高品质、低缺陷密度
Ga 2O 3MOSFET ，具有优异器件潜力。
日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga 2O 3衬底生长GaN 蓝光
加荧光粉，芯片尺寸2mm 见方，加6A 电流，其可获500 lm 光通量，计
划目标达2000~3000 lm 。
2.5.4 稀土氧化物REO 复合衬底
据《半导体化合物》2013年7月报导:在Si 基上生长REO 复合衬
底，并生长大面积GaN 园片，并具有消除应力、减少翘度，可大面积生
长，REO 性能稳定，减少成本，并具有更高DBR 反射效应。已生长氧
化钆,氧化铒等复合衬底，取得很好成果。
2.5.5 介质复合衬底
上海蓝光最近发布：通过缓冲层与介质衬底的组合技术，使各项参
数达到或超过蓝宝石PSS 衬底的水平，取得突破性的成果。
小结：上述介绍几种新技术研究成果，是具有开拓性的创新成果，
一旦产业化，将是颠覆的技术突破，开辟了LED 照明技术发展上另一条
重要的技术路线。
———————————————————————————————————————
2.6 发光新材料
将来有可能进入照明领域，与LED照明竞争。以下简要介绍几种新
发光材料。
2.6.1 有机发光二极管
目前OLED有效的光效一般在30~60 lm/w，将在特种照明领域获得应
用。据国外相关机构预测：OLED照明市场于2021年将达400多亿美元，
另一机构预测于2018年达400亿美元。现阶段主要问题除某些技术外，价
格偏高，但前景是乐观的。
2.6.2 量子点发光技术
量子点（Quantun Dot简写QD）是用纳米技术制作的，QD颗粒一般在2~12nm之间，量子点发光体由发光核、半导体壳、有机配位体组成，在电或短波光的激发下会发
射不同波长的光，接近连续可见光光谱，例如CdSe（硒化镉）当颗粒2.1nm时发蓝光，
当5nm时发射绿光，接近10nm时发射接近红光，其优点：发光稳定、内量子效率高。
目前量子点发光效率接近OLED水平，QD发光具有广泛应用，除了在显示及照明领域外，还可应用于蓝光激光、光感测元件、单电子晶体管、记忆储存...等，现阶段QD主
要在显示应用上取得显著效果，将最有希望替代OLED。在照明方面与LED结合产生色
彩丰富，十分明亮的暖白光。
2.6.3 超薄非结晶电介层发光芯片
美国德洲农机大学化学工程系开发一种发光芯片、采用在硅晶园上进行室温溅射沉积方法，制成电介质膜，其中有纳米晶层，可提升发光密度，在工艺中可与硅IC兼容，
工艺简单，是个新的纳米发光材料技术。虽然目前发光寿命较短，但将来会更长。
小结：上述几种发光新材料，OLED迟早会进入照明领域，而且会在特殊照明领域中占有一定比例。至于量子点及超薄介质中的发光层均为纳米级量子层，是纳米发光新
材料。应要高度重视纳米发光技术的研究和开发，将来有可能进入照明领域，并替代
LED照明产品。
———————————————————————————————————————
3、LED 封装技术发展动态
3.1.1 提高出光效率
LED 封装的出光效率一般可达80~90%。
1）选用透明度更好的封装材料：透明度≥95%（1mm 厚度），折射率大
于1.5等。
2）选用高激发效率、高显性的荧光粉，颗粒大小适当。
3）装片基板（反射杯）要有高反射率，出光率高的光学设计外形。
4）选用合适的封装工艺，特别是涂覆工艺。
3.1.2 高光色性能
LED 主要的光色技术参数有：高度、眩光、色温、显色性、色容差、光闪
烁等。
显色指数CRI ≥70（室外）、≥80（室外）、≥90（美术馆等）
色容差≤3 SDCM
≤5 SDCM （全寿命期间）
封装上要采用多基色组合来实现，重点改善LED 辐射的光谱量分布SPD ，
向太阳光的光谱量分布靠近。要重视量子点荧光粉的开发和应用，来实现更好
的光色质量。
———————————————————————————————————————
3.1.3 LED器件可靠性
LED可靠性包含在不同条件下LED器件性能变化及各种失效模式机理
（LED封装材料退化、综合应力的影响等），这是主要提到可靠性的表征
值—寿命，目前LED器件寿命一般为3~5小时，可达5~10万小时。
1）选用合适的封装材料：结合力要大、应力小、匹配好、气密性好、
耐温、耐湿（低吸水性）、抗紫外光等。
2）封装散热材料：高导热率和高导电率的基板，高导热率、高导电
率和高强度的固晶材料，应力要小。
3）合适的封装工艺：装片、压焊、封装等结合力强，应力要小，结
合要匹配。
3.2 LED光集成封装技术
LED光集成封装结构现有30多种类型，正逐步走向系统集成封装，是未来封
装技术的发展方向。
3.2.1 COB集成封装
COB集成封装现有MCOB、COMB、MOFB、MLCOB等30多种封装结构形
式，COB封装技术日趋成熟，其优点是成本低。COB封装现占LED光源约40%
左右市场，光效达160~178 lm/w，热阻可达2℃/w，COB封装是近期LED封装发
展的趋势。
3.2.2 LED晶园级封装
晶园级封装从外延做成LED器件只要一次划片，是LED照明光源需求的多系
统集成封装形式，一般衬底采用硅材料，无需固晶和压焊，并点胶成型，形成系
统集成封装，其优点是可靠性好、成本低，是封装技术发展方向之一。
3.2.3 COF集成封装
COF集成封装是在柔性基板上大面积组装中功率LED芯片，它具有高导热、
薄层柔性、成本低、出光均匀、高光效、可弯曲的面光源等优点，可提供线光源、
面光源和三维光源的各种LED产品，也可满足LED现代照明、个性化照明要求，
也可作为通用型的封装组件，市场前景看好。
———————————————————————————————————————
3.2.4 LED模块化集成封装
模块化集成封装一般指将LED芯片、驱动电源、控制部分（含IP地址）、零件等进行系统集成封装，统称为LED模块，具有节约材料、降低成本、可进行标准化
生产、维护方便等很多优点，是LED封装技术发展的方向。
3.2.5 覆晶封装技术
覆晶封装技术是由芯片、衬底、凸块形成了一个空间，这样封装出来的芯片具有体积小、性能高、连线短等优点，采用陶瓷基板、覆晶芯片、共晶工艺、直接压
合等来达到高功率照明性能要求。用金锡合金将芯片压合在基板上，替代以往的银
胶工艺，“直接压合”替代过去“回流焊”，具有优良的导电效果和导热面积。该封装
技术是大功率LED封装的重要发展趋势。
3.2.6 免封装芯片技术
免封装技术是一个技术的整合，采用倒装芯片，不用固晶胶、金线和支架是半导体封装技术70种工艺形成中的一种。PFC免封装芯片产品的光效可提升至
200lm/w，发光角度大于300度的超广角全周光设计，不要使用二次光学透镜，将减
少光效的耗损与降低成本，但要投入昂贵的设备。PFC新产品主打LED照明市场，
特别是应用在蜡烛灯上，不仅可以模拟钨丝灯的造型，同时可以突破散热体积的限
制。
3.2.7 LED其他封装结构形式
1）EMC封装结构：是嵌入式集成封装形式（Embedded LED Chip）不会直接看到LED光源。
2）EMC封装技术：（Epoxy Molding Compound）以环氧塑封料为支架的封装技术，具有高耐热、高集成度、抗UV、体积小等优点，但气密性差
些，现已批量生产。
3）COG封装：（Chip On Glass）将LED芯片放在玻璃基板上进行封装。
4）QFN封装技术：小间距显示屏象素单元小于或等于P.1时，所采用的
封装形式，将替代PLCC结构，市场前景看好。
5）3D封装技术：以三维立体形式进行封装的技术，正在研发中。
6）功率框架封装技术：（Chip-in-Frame Package）在小框架上封装功率LED芯片，产业化光效已达160~170 lm/w，可达200 lm/w以上。
———————————————————————————————————————
3.3 LED封装材料
LED封装材料品种很多，而且正在不断发展，这里只简要介绍。
1）封装材料：环氧树脂、环氧塑封料、硅胶、有机硅塑料等，技术上对折射率、内应力、结合力、气密性、耐高温、抗紫外线等有要求。
2）固晶材料：固晶胶：树脂类和硅胶类，内部填充金属及陶瓷材料。
共晶类：AuSn、SnAg/SnAgCu。
3）基板材料：铜、铝等金属合金材料。
陶瓷材料：Al
O3、AlN、SiC等。
2
铝系陶瓷材料：称为第三代封装材料AlSiC、AlSi等。
SCB基板材料：多层压模基板，散热好（导热率380w/m.k）、成本低。
TES多晶质半导体陶瓷基板，传热速度快。
4）散热材料：铜、铝等金属合金材料。
石墨烯复合材料，导热率200~1500w/m.k。
PCT高温特种工程塑料（聚对苯二甲酸1，4-环已烷二甲脂），加陶瓷纤，耐高温、低吸水性。
导热工程塑料：非绝缘型导热工程塑料，导热率14w/m.k。
绝缘型导热工程塑料，导热率8w/m.k 。
4、结束语