学习单元2 LED制作与封装

2）发光效率还不是足够高 目前白光LED的发光效率的实验室水平早已超过lOOlm/W
芯片的内量子效率已经接近10%的极限
可采用覆芯片化封装方式，并整合芯片表面的加工工艺
3）高质量荧光粉的开发及其涂敷工艺控制
对荧光粉的基本要求是： A 能被与其相配的蓝光或紫外芯片有效激发。 B 具有较高的量子效率。 C 化学性能稳定，光衰小。
4) 显色性和空间色度均匀性控制 5) 芯片光电参数的配合 6) 建立照明用功率型白光LED的测试标准
LED芯片电流的扩展
2.4 LED的封装技术
提纲
1 LED的封装形式与结构 2.功率型LED封装技术
1 LED的封装形式与结构 1） Lamp-LED封装
Lamp-LED早期出现的是直插LED，它的封装采用灌封的形式。
2） SMD封装 表面贴装技术(SMT)应用于LED生产 始于20世纪80年代，表面贴装是LED 一种重要的封装形式。 表面贴装LED与其他表面贴装器件 (SMD)一样，适合于自动化大规模生 产，并且适应电子整机产品轻薄短小 的发展要求。
•
2. LED衬底材料的种类
• 蓝宝石 • 硅 • 碳化硅
蓝宝石
• 蓝宝石衬底
蓝宝石衬底有许多的优点：首先， 蓝宝石衬底的生产技术成熟、器 件质量较好；其次，蓝宝石的稳 定性很好，能够运用在高温生长 过程中；最后，蓝宝石的机械强 度高，易于处理和清洗。因此， 大多数工艺一般都以蓝宝石作为 衬底。
提纲
1. LED对外延材料的基本要求
方大集团于2001年9月在国内第一个生产出GaN基LED外延片
10
对LED芯片外延材料的基本要求及选择考虑通常有以下几点： • • • • 1.要求有合适的带隙宽度Eg 2.可获得高电导率的P型和N型晶体，以制备优良的PN结 3.可获得完整性好的优良晶体 4.发光复合概率大
1可见光光谱与白光LED的关系
2人造白光的合成
白光的合成
3白光LED的实现方法 1）荧光粉转换(PC) LED
蓝光InGaN LED的结构
InGaN/YAG白光LED的结构
InGaN/YAG白光LED制作工艺流程
20mA、250C时的白光LED的光谱 白光LED和其他可见光LED的色坐标
蓝光LED芯片配合YAG荧光粉获得白光LED的方法的 优点是：结构简单，成本较低，制作工艺相对简单，而且YAG 荧光粉在荧光灯中应用了许多年，工艺比较成熟。 该实现方法的缺点主要有： （1）因蓝光LED的效率还不够高，致使白光LED的光效较低。 （2）用短波长的蓝光激发YAG荧光粉产生长波长的黄光，存 在能量损耗。 （3）荧光粉与封装材料随着时间老化，导致色温漂移和寿命 的缩短。 （4）难以实现低色温（白光偏向暖色），显色指数一般较低 (70～80)。 （5）光色随电流变化，易出现月晕现象。 （6）功率型白光LED还存在空间色度均匀性等问题。
• 碳化硅衬底
碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为 衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。 采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有 利于做成面积较大的大功率器件。
三种衬底性能比较
三种衬底性能比较
2.2 LED外延工艺技术
1 LED对外延材料的基本要 求 2.几种主要的外延材料 3.LED芯片的外延技术及外延设备 4.外延技术和设备的发展趋势
3) 双反射(DR)和分布式布拉格反射(DBR)结构
DR LED的结构
DBR LED的结构
4) 倒装芯片(Flip-chip)技术
传统蓝宝石衬底GaN基LED芯片的结构
倒装芯片结构
5 ) 表面粗糙化纹理结构
芯片表面纹理结构
纹理表面的取光模式
6) 微芯片阵列 7) 异形芯片技术
不同光引出结构的异形芯片技术
t P
A
1W 20K
20um 1W / K m 1m m1m m
相同的芯片，通过银胶与封装基板连接，银胶层厚度20um， 热导率6W/K*m，计算该上下面温度差。
t P A
20um 1W 6W / K m 1m m1m m 3.3K
封装基板 目前常见的大功率LED封装基板有PCB、MCPCM金属覆铜 板、Al2O3陶瓷和AlN陶瓷。
1206
6
8
11.2
13.6 侧光型、 高亮度型
表面贴装LED的有关尺寸
3) 多芯片集成封装
目前大尺寸芯片还存在散热和发光均匀 性及发光效率下降等问题。由于小芯片 工艺相对成熟，将多个小尺寸芯片高 密度地集成在一起封装而成的功率型 LED，可以获得较高的光通量。
2.功率型LED封装技术
功率型LED
2.几种主要的外延材料
1）AlInGaP外延材料 2）GaN外延材料 3 ）AlInGaN外延材料 4 ）AIGaAs外延材料 5 ）其他新型外延材料
3 LED芯片的外延技术及外延设备 1）VPE设备
VPE设备工作原理
2）MOCVD设备
MOCVD设备工作原理 MOCVD设备
外延片在光电产业中扮演了一个十分重要的角色，而 MOCVD外延炉是制作外延片的不可缺少的设备。有些专 家经常用一个国家或地区有多少台MOCVD外延炉来街量 这个国家或地区光电行业的发展规模，这巳充分说明了 MOCVD外延炉的重要性。根据生长的需要，MOCVD外 延炉一次可以制出11片或15片外延片，有时也可以制出
2.3 LED的芯片技术
提纲
1 优化芯片发光层能带结构 2.提高光引出效率的芯片技术 3.电极及电流扩展技术
1 优化芯片发光层能带结构 1） 双异质结
双异质结能带图
2） 量子阱结构
量子阱结构能带图
高亮度LED所采用的发光层结构及其外量子效率
材料
ALGaAs AlInGaP
颜色
红 红 红 橙 橙 琥珀 黄 黄绿 绿 绿 绿 蓝 紫外
封装形 外形尺寸 最小间距 最佳观察 式 距离（m ） 3.2 X lO 17 PLCC-2 3.0 3.2 X 5 8.5 PLCC-4 2.8 0603 1.7 X 0.9 2.1 x 1.35 3.1 X 1.7 5 8.5
说明
单芯片有 利于散热 双色和三 色组合封 装 向0402 发展
0805
24片外延片。
4.外延技术和设备的发展趋势
1) 外延技术的发展趋势 A 选择性外延生长或侧向外延生长技术 B 悬空外延技术 C 多量子阱型芯片技术 D “光子再循环”技术 E 研发短波长紫外(UV)LED外延材料 F 氮化氢汽相外延(HVPE)技术
2) 外延设备的发展趋势
A 大型化，以提高生产能力 B 专用化 C 低成本化 D 多工艺、多技术集成化 E 对紫外LED专用MOCVD设备的需求将急剧增加
AlInGaN
峰值波长 发光层结 外量子 构 效率 650 DH 8％ 650 DH-TS 16％ 636 MQW-TS 32％ 610 TIP-MQW- 30％ 607 TS 16％ DH-TS 90 DH-TS 10％ 585 DH 5％ 570 DH-TS 2％ 525 SQW-TS 6.3％ 570 DH-TS 2％ 520 SQW-TS 11.6％ 460 SQW-TS 15％ 405 MQW-TS 28％
2.提高光引出效率的芯片技术
传统LED的结构
1）在芯片与电极之间加入厚窗口层
芯片与电极之间加入厚窗口层
2）剥离与透明衬底技术
A 在外延表面沉积键合金属层(例如lOOnm的Pd)， 再在键合衬底(如Si衬底)表面积一层1 000nm的铟； B 将外延片低温键合到衬底上； C 用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石衬底底面，再加热到约40℃ 使蓝宝石与GaN层脱离。
学习单元2 LED的制造与封装
2.1 LED的衬底材料
2.2 LED的外延工艺
2.3 LED的芯片技术 2.4 LED的封装技术 2.5 白光LED技术 2.6 LED的散热技术
1Leabharlann 2.1 LED的衬底材料提纲
1 LED衬底材料的选择要求 2.LED衬底材料的种类
1. LED衬底材料的选择要求
1)．衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构 相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；
功率型LED封装技术
功率LED的热学计算
LED芯片
芯片粘接剂
热沉
• 热传导理论
t P A
电路基板
• 其中Δt为温度差，P为流过介质热量，λ为热导 系数，Α为热导面积，δ为介质厚度
温度计算 一颗1mm*1mm*0.1mm的LED芯片，热功率为 1W，通过硅 胶与封装基板连接，硅胶层厚度20um，热导率1W/K*m，求 硅胶上下面温度差。
•
•
2)．衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重 要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质 量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；
3)．衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳 定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延 膜的化学反应使外延膜质量下降； 4)．材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需 要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于 2英寸。
两种白光LED的注入 电流与色度的依存关系
3）多芯片(MC)白光LED（三基色RGB合成）
除了利用蓝光LED配合红色 、绿色荧光粉产生白光外， 也可以将RGB三基色LED芯 片封装在一起来产生白光， 还可以利用红、绿、蓝、黄 橙四色LED来产生白光，构 成多芯片白光LED。其中， 三芯片RGB三基色合成白光 技术最具有代表性。 RGB三基色LED的发光光谱
3.电极及电流扩展技术
电极是LED的重要部件。为降 低器件的光损耗，提高光效， 电极的设计必须满足3个方面 的要求： 一是要求尽可能低的接触电阻 ，二是要求电流能分散到芯片 截面积上尽可能大的区域，三 是要求电极对光遮挡的损耗最 小。
高亮度HBLED的电极图形
新型高效率LED与传统LED的结构比较
4白光LED存在的问题及对策
芯片 封装 效率 · 大电流下 · 探索能提高光提取 的效率 效率的封装材料和 · 光提取效 提高效率的封装结 率 构 · 正向电压 · 白光技术 · 荧光粉效率 系统 · 光学结构 和二次光 学 元件 的设计与 使用 · 高效电源 变换与驱 动 技术 寿命 · 减少缺陷 · 稳定的封装材料 · 混色的反 · 荧光粉的进展 馈控制 · 芯片的散热技术 · 稳定可靠 价格 · 改善衬底 · 功率型和功率型密 · 廉价的驱 质量 度下的散热技术 动电路 · 大规模化 · 工业化简单易行的 外延生长 白光产生技术
1）散热问题
A 加速器件老化，缩短使用寿命，严重时会导致芯片烧毁。 B 使蓝光LED的波长发生红移，并对白光的色度和色温等 产生重要影响。如果波长偏移过多，偏离了荧光粉的吸收峰，将 导致荧光粉量子效率降低，影响出光效率。 C 温度对荧光粉的辐射特性也有很大影响，随温度的上升， 荧光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生改变， 致使白光LED的色温、色度发生变化。
•
硅衬底
目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极 可采用两种接触方式，分别是L接触和 V接触。通过这两 种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也 可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了 LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是 热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延 长了器件的寿命。
2)三基色荧光粉转换(PC) LED 三基色PC LED能在较高发光效率 的前提下，有效地提升LED的显色 性。三基色光源的最佳组合波长为 450nm、540nm和610nm，这一 组合可以通过部分被吸收的 AlInGaN芯片的蓝光和适当 的绿光和橙黄光两种荧光粉来实现。
LED的发光频与电流关系
类型 热导率 W/mk 膨胀系数 ppm/K 耐热性能 300℃/120s 288℃/30s 500℃ 500℃
PCB
金属覆铜板
0~3
1~5
15
22
陶瓷 基板
氧化铝
氮化铝
~20
~180
各类封装基板比较
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2.5 白光LED技术
1可见光光谱与白光LED的关 系 2人造白光的合成
提纲
3白光LED的实现方法 4白光LED存在的问题及对策 5荧光材料 6白光LED的特性