LED芯片行业供需调研投资展望分析报告.docx
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LED芯片行业供需调研投资展望分析报告
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图表目录
16年LED产业链增速回升，照明、显示应用占比提升
LED的能量转换效率高、寿命长
LED是发光二极管（LightEmittingDiode）的英文缩写，是一种固态的半导体器件，可以将电转化为光。
LED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，其中，核心部分是由P型、N型半导体组成的芯片，当PN结施加电压时，P区中多数的空穴与N区中多数的电子复合，以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。
图表1：
LED发光原理示意图
图表2：
典型的直插式封装LED结构示意图
从能量转换来看，白炽灯将5%的电能转换为光能，95%的电能转换为热能；而LED照明可实现将30%的电能转换为光能，70%的电能转换为热能，转换效率更高，是公认的绿色光源。
从灯具寿命来看，白炽灯1000小时光衰大约为30%，而LED白光的5000小时光衰为30%。
白炽灯、荧光灯、卤钨灯是采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧，具有热沉积、光衰减等特点。
而LED灯体积小，重量轻，可承受高强机械冲击和震动，使用寿命可达到5万小时。
图表3：
LED照明是人类照明技术的第三次革命
蓝光LED的出现是全彩显示和白光照明的基石
根据LED发光颜色的不同，可以将LED光源分为红光、橙光、绿光、蓝光灯。
由LED的发展历史可见，蓝光LED技术的成熟是推动LED显示及照明革命性变化的前提和基础。
在显示领域：
蓝光LED的出现一方面可以实现全彩显示，一方面作为背光可以实现轻薄、低能耗；在照明领域：
一方面由于红、绿光LED的显色指数都很低；另一方面由于红、绿光LED的禁带宽度太小，发光效率低，耗电量高。
因此蓝光LED在照明和显示领域具有无可替代的重要性，其发明者赤崎勇、天野浩和中村修二荣获2014年诺贝尔物理学奖。
图表4：
LED的发展历史
RGB三原色是全彩LED显示的基本原理
借助不同的半导体材料可以实现不同光色的LED，基于RGB三原色基本原理，对红、绿、蓝LED施以不同电流控制亮度，进而实现三原色组合，便可达到全彩显示的效果，这是目前LED大屏幕所普遍采用的方法。
图表5：
不同LED材料对应的光色
图表6：
三基色混合示意图
在RGB全彩显示方案中，每个像素点都包括3个RGB-LED芯片，一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板相连。
之后使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制（PWM）驱动电流，PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。
图表7：
RGB全彩色显示的单像素布局示意图
转换型是实现白光LED的主流方案
白光LED主要有多芯片组合型和光转换型白光LED两种。
在多芯片组合型白光LED当中，使用最多的为RGB多芯片技术：
即使用三基色LED芯片按照一定的排列方式集合成一个白光LED模块，实现白光输出。
但是芯片性能的差异性会导致输出光的稳定性差，需要复杂的控制电路和较高的封装成本。
此外，还有双芯片混合型和多芯片混合型等不同的组合方案，但是显色性差，只在对显色性要求不高的场合有用。
图表8：
白光LED的实现方案
光转换型白光LED是目前使用最多、应用范围最广的白光LED。
它是利用蓝光（或者近紫外光）LED芯片发出蓝光（或近紫外光），激发其他荧光材料产生黄光、红光复合而形成白光。
图表9：
多芯片组合型白光LED示意图
图表10：
光转换型白光LED示意图
LED的应用领域多样，16年通用照明、显示屏应用占比提升
自20世纪60年代LED诞生以来，应用领域得以不断拓宽，一开始仅作为指示光源应用于仪器仪表等设备，后来随着各种光色的LED器件相继出现和LED发光效率的不断提升，使其在交通信号灯、汽车照明、大尺寸显示屏等领域得以广泛应用，并且逐步进入照明领域取代原有的白炽灯、荧光灯等老一代照明产品。
根据国家半导体照明工程研发及产业联盟数据，2014年国内LED应用市场中，通用照明占比41%、景观照明占比17%、背光应用占比16%、显示屏占比11%、汽车照明占比仅为1%。
相比之下，2016年通用照明和显示屏的占比明显上升，市占比分别达到47.6%、12.8%，较14年分别提升6.6pct、1.8pct。
图表11：
2014年国内LED各细分市场市占比情况
图表12：
2016年国内LED各细分市场市占比情况
国内LED产业链各环节高速成长，16年应用产值已达3697亿元
LED作为半导体产业的重要分支，其产业链同样可以分为上游衬底制备、外延片生长和芯片制造；中游芯片封装，下游应用产品开发三个部分。
图表13：
LED产业链构成
根据高工LED数据，2016年国内LED芯片、封装、应用的产值分别为145亿元、734亿元、3697亿元，同比增长率分别为11.54%、14.33%、15.71%。
其中芯片产值和封装产值在经历了15年的大幅下滑之后，同比增速开始平缓回升，16年的同比增长率分别较15年提升3.21pct、1.3pct。
图表14：
国内LED产业链中芯片、封装、应用产值情况
LED芯片加工流程是典型的半导体制造工艺
由于LED是一种固态的半导体器件，其加工过程与常规的半导体晶圆加工流程一致，具有较高的技术壁垒和资金壁垒。
由于不同光色的LED芯片所使用的材料不尽相同，所以在衬底、结构的选择上也有所差异。
下面主要以应用最为广泛、在显示、照明应用中地位重要的GaN蓝、绿光LED为例简单介绍LED芯片的加工流程。
图表15：
不同亮度的LED主要应用领域
蓝宝石仍是GaNLED的主要衬底材料
衬底是外延层生长的基板，在生产和制造过程中，起到支撑和固定的作用。
一个良好的衬底必须具备以下特性，晶格常数、热膨胀系数和外延生长的薄膜必须有良好的匹配且能大尺寸和大量生产。
目前技术较为成熟的GaNLED衬底材料有蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）、硅（Si）三种。
其中蓝宝石是外延生长最常使用的材料，其主要的特点是透明并且在高温条件下稳定。
尽管碳化硅衬底在导电、晶格常数匹配度上的表现要更好，但是由于其成本较高且专利垄断在Cree公司，所以并未得以大范围应用。
图表16：
三种GaNLED衬底材料的优缺点对比
PSS的商业化进一步提升蓝宝石衬底竞争力
PSS（图形化蓝宝石衬底）是指在常规的蓝宝石平片衬底表面进行刻蚀处理，制作出具有周期性的细微结构图形的一种新型衬底。
图形化蓝宝石衬底的一种典型制备方法是预先在蓝宝石衬底表面制作掩模层，然后利用标准光刻工艺将蓝宝石衬底表面的掩膜刻出细微图形，用感应耦合等离子体刻蚀或湿法刻蚀技术刻蚀蓝宝石衬底，在除去掩膜后即可得到具备微结构图形的蓝宝石衬底。
国内的LED外延片、芯片龙头企业三安光电、澳洋顺昌等均已具备相关技术。
图表17：
图形化蓝宝石衬底工艺示意图
PSS工艺相对于普通蓝宝石衬底的优势主要有三点：
一、SS可以提高LED光提取率。
PSS上的细微图形可使光线从外延层入射到图形衬底形成反射，使部分被局限在GaN内部的光被提取出来；
图表18：
PSS可以提高LED光提取率
二、SS可以减少LED外延层的位错密度。
使用图形化衬底进行GaN外延生长可以使GaN的生长模式从纵向转变为横向，减少反向漏电流，延长LED寿命；
三、SS可以通过降低外延层应力改善晶体生长质量。
在横向生长过程中GaN与蓝宝石衬底之间的失配应力降低。
MOCVD是在衬底上实现外延生长的核心技术
MOCVD是在气相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术，LED的MOCVD外延生长是以氢气和氮气为承载气体将反应原料带进反应腔，将三甲基镓及氨气作为氮化镓反应原料，借以在高温环境下进行化学反应制成LED外延片的过程。
由于LED外延片是LED芯片的上游原料，因此MOCVD设备的数量就成为衡量外延片、芯片厂产能的直观指标。
图表19：
基于MOCVD工艺的GaN生长过程示意图
LED芯片前段制程需要无尘环境，后段制程注重静电防护
LED芯片的制程可大致分为金属电极制作的前段制程与将器件从外延片分离为独立芯片的后段制程两部分。
前段制程如图20所示，可分为切割纹道、平台刻蚀和制作透明电极三个环节：
切割纹道：
目的是为了增加切割合格率，将芯片图形所需区域外的部分进行干法刻蚀，这样在完成芯片切割过程中只需要切割蓝宝石衬底即可；
平台刻蚀：
因为蓝宝石衬底不导电，因此GaNLED的P电极及N电极制作于同一平面，所以需要进行刻蚀制程。
主要目的为对表层特定区域的P型GaN进行刻蚀，使下层的N型GaN材料漏出，以利于N型GaN上的欧姆电极制作。
欧明电极制作：
目前GaNLED的透明电极主要分为两大类：
即金属透明电极TCL、氧化铟锡透明电极ITO。
透明电极主要是作为组件表面电流扩散层，由于覆盖整个组件表面因此必须透光，但是TCL的透光率仅达到75%，ITO便成为良好的替代。
图表20：
GaNLED芯片制作的前段制程
由于前段制程包含光刻、蒸镀、刻蚀、剥离，所以需要无尘室洁净等级的制程环境进行。
芯片的后端制程包括减薄（研磨抛光）、测试、切割、分类等制程，主要目的是将正片外延片制作成独立且分离的LED芯片，以便下游进行封装，由于GaNLED的衬底为不导电的蓝宝石，电极为共平面设计，容易导致电荷累积，所以后段制程注重静电防护。
垂直型和倒装型是LED芯片级封装的主流技术路径
倒装技术主要是为了克服共平面电极正面的两焊垫对于LED芯片光取出量的限制。
如图21所示，将传统LED芯片以正面朝下的方式将芯片的焊垫与衬底上的焊锡凸块（solderbump）联结，衬底多为散热效果良好的硅材料，再加以封装。
在倒装结构中，原本P型GaN的透明欧姆电极需要改为光反射电极，使得光由芯片背面取出，从而避免了传统结构P型GaN焊点的遮光问题，同时因为衬底的导热性更好，散热效果也较传统结构更为优良，可增加器件寿命。
倒装结构的劣势在于增加了芯片整体的面积和厚度，且发光层仍需要制作刻蚀平台而损失部分面积。
图表21：
垂直型和倒装型是高功率LED芯片级封装的两大技术路径
垂直型LED芯片又称薄膜GaNLED，结构如图21所示，直接以激光方式移除不导电的蓝宝石衬底，改用导电衬底。
其制作流程为先在P型GaN上制作高反射率的欧姆电极，然后以黏合或电镀方式增加厚度150-200μm的置换衬底，通常选取铜、硅等导热性好且价格低廉的衬底材料，再以激光将蓝宝石衬底与N型GaN剥离，以刻蚀方式取下后再制作电极。
由以上介绍可见，产生倒装型、垂直型封装的主要原因是蓝宝石的不导电性，而对于可生长在导电衬底材料上的LED芯片而言，如生长在GaAs衬底的AlGaAs、AlInGaP或是生长在GaP衬底上的GaP、GaAsP等LED一般均直接采用垂直式的电极结构。
COB和SMD是LED阵列封装的主流技术路径
COB（ChipOnBoard）板上芯片直装技术，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互联的封装技术。
COB技术主要用于大功率、多芯片阵列的LED封装。
SMD（SurfaceMountedDevices）即表面贴装器件，它是SMT元件器中的一种，自2002年SMDLED逐渐被市场接受，并在后续兴起的小间距LED显示屏中得到大范围应用，16年初SMD约占小间距LED器件封装市场产值的60%。
图表22：
SMD和COB在性能指标上各有优劣
单就LED显示端的应用而言，SMD可实现三种不同颜色的LED芯片封装在同一个胶体内，得出的效果没有颗粒状、匀色性好，饱和度高。
而COB封装
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