【产业研究报告】LED专题一（原理、结构及封装）
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日常生活中，我们经常见到“LED”。例如LED路灯，LED显示屏（银行、证交所大厅显示屏，商场显示屏等），车用LED（汽车的尾灯、刹车灯、方向灯、倒车灯），LED背光源（电视背光源、手机背光源、笔记本背光源）……
为何LED与“光”如此密切？
它的原理是什么？
它的结构又是什么？
LED芯片是一种能将电能转化为光的半导体器件。将LED芯片封装并通过其他器件组合，就能得到我们常见的LED照明灯。为什么LED芯片能够发光？每一个LED芯片，都含有一个正极(P极)和一个负极（N极）。P极材料里含有类似带正电的空穴（Hole），N极含有带负电的电子，当给P极通正电，N极通负电时，N极的负电荷电子受负极的排斥向P极移动，形成电流，当电子与带正电荷的空穴相遇时，该特殊的半导体材料会以光和热的形式转换电能。
LED不仅发光效率比传统照明灯高，使用寿命还非常长。与传统照明灯相比，LED不含任何有毒物质。虽然反应速度和显色指数并没有绝对的压倒优势，但表现也较为出色。
LED芯片是LED灯发光的核心组件，制作步骤和传统的电子行业的芯片有很大相似之处，LED芯片的组成部分主要为：衬底、外延片、P极和N极。
LED芯片的结构主要有L型和垂直型两种，差别主要在于电极的位置不同，L型的P极和N极皆在其表面，而垂直型的电极分别在芯片的上部和下部。
a）衬底制作
制作芯片的时候，第一步是选取合成半导体晶体的衬底，主要有三种选择：蓝宝石（Al2O3）、硅(Si)、碳化硅（SiC）。蓝宝石是综合各种因素考虑后，应用最多的衬底。蓝宝石衬底的生产技术较成熟，物化性能稳定，抗高温和高压，易于处理和清洗。但由于蓝宝石是一种绝缘体，电阻较大，通常只能制作L型芯片而不能制作垂直型芯片。垂直型芯片的电极在上下两端，底部不能采用不导电的蓝宝石做衬底。碳化硅是性能最佳的材质，但是其成本昂贵，目前只有 Cree公司采用其生产高端LED芯片。
b）外延片制作
制作LED 芯片的第二步，是在衬底材料上合成外延片，即所谓发光的半导体材料，由多层结构组成，主要包括N极层、发光层、P极层。合成外延片的技术过程被称为MOCVD。该技术有相当高的精确要求，较难掌握。所以通常将MOCVD指代生产外延片的设备，以及将其台数直接用来指代产能的多寡。
c）制作PN结
LED芯片的发光需要将P极和N极连接起来通电，因此需要将P极和N极暴露出来，再采用金线将两极分别与线路板连接起来，起到通电的作用。PN结对LED器件十分重要，不同功率的LED，电极结构会有微妙的不同。
LED芯片的参数主要有它的面积大小(mil)，输入电流(mA)、输入电压(w)、发光强度(mcd)、封装方式和光通量（流明/lm）构成。通常，LED芯片的面积越大，其可承载的输入功率（W数）越大，发光就越强，但是当LED芯片面积超过一定尺寸后，发光强度会下降，所以未来大功率的LED一定是由多个小面积的LED芯片合成组成，而非不断加大芯片面积，同时未来的方向是不断提升发光效率，即每W可以导出的光通量（lm/W）。
LED芯片制作好以后，要对两个电极进行焊接，从而引出正、负电极并且对电极进行保护，这就涉及到了封装环节。
a）引脚式封装
对于正装芯片来讲，最常见的封装方式是引脚式封装，如下图所示，芯片的正极用金丝线连到阳极支架上，负极粘结在支架的反射杯内，或用金丝线与反射杯引脚相连，然后顶部用环氧树脂包封。反射杯的用途即为将朝下发出的光子给反射出来。下面左图是一个封装好的二极管的构造，右图是简单版的封装的三部分的示意图。
b）SMD（Surface Mounted Devices）
即表面贴装二极管，是一种将多个芯片同时进行封装的一种方式，大致分为两类，一种为支架式，一种为PCB式。前者是将芯片安装在一排连接在一起的支架上，后者是将芯片一片一片地贴在一整块底座上面。
（支架式）
（PCB式）
c）COB封装
板上芯片(Chip On Board, COB)工艺过程，首先在基底表面用导热环氧树脂覆盖硅片安放点，然后将半导体硅片直接安放在基底表面，热处理至硅片牢固地固定在基底为止，随后再用丝焊的方法在硅片和基底之间直接建立电气连接，最后做成一块大的含有多个小硅片的大芯片。
COB和SMD的区别在于，SMD是将小的芯片制作好后，再挨个贴到基板上，而COB是将多个小半导体硅片贴在基板上后做成一个大的芯片。
d）大功率LED封装
LED朝着大功率、高光效方向发展是行业的趋势，如何封装以达到高光效和长寿命是封装行业所追求的目标。以美国CREE公司的1W大功率芯片为例，它先在底衬上镀一层金属如金锡合金，然后在底座（称为热沉）上也镀一层金锡合金，然后将芯片底部的金属和热沉上的金属熔合在一起，称为共晶焊接，在控制好金锡比例的条件下，这种方法做出的LED热阻较小、散热性好、光效高。
e）倒装封装
为了克服传统正装LED芯片对整个器件的出光率和热性能问题，美国 Lumileds Lighting公司发明了倒装芯片技术（Flip chip）。倒装芯片即是将正装芯片倒置，并与硅地板焊接，封装厂家只需将硅底板与热沉底板用热导胶粘结或者共晶焊接的方式连接起来。
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