何谓发光二极体

何謂發光二極體一個典型的發光二極體，包含晶粒、封裝體、金線、支架等，主要發光的部分則是封裝體裡面的晶粒。

封裝體的主要成分是環氧樹酯，用來固定支架，且可以把封裝體的頂端製成可聚光的透鏡，以控制LED 的發光角度。

金線是把電流由支架導入發光晶粒，聚光碗杯則是把LED 發出的光線反射至上方出光，以增加發光效率。

隨著應用的不同，封裝體可以任意改變成為不同的型態。

一顆LED 的主要發光源是晶粒，而晶粒依材料不同會發出不同波長，也就是不同顏色的光。

可見光的波長範圍從400 奈米到700 奈米，依序是紫、靛、藍、綠、黃、橙、紅。

以氮化鎵LED 為例，它可以發出藍光或綠光，鋁銦鎵磷LED 則可以發出紅光、綠光或黃光。

諸如此類，可以利用材料的選擇製作出不同色光的發光二極體。

LED的發光原理LED是利用電能轉化為光能的方式發光。

發光二極體晶粒的組成材料是半導體，其中含有帶正電的電洞比率較高的稱為P 型半導體，含有帶負電的電子比率較高的稱為N 型半導體。

P 型半導體與N 型半導體相接處的接面稱作PN 接面。

在發光二極體的正負極兩端施予電壓，當電流通過時，會使得電子與電洞結合，結合的能量便以光的形式發出，依使用材料的能階高低決定發光的波長，因此就會發出不同顏色的光。

大多數的發光二極體歸類於三五族半導體，因為它們的組成元素屬於周期表中的三族及五族，三族元素如鋁、鎵、銦等，五族元素如砷、氮、磷等。

磷化鎵與鋁砷化鎵，因為亮度低，開發時間早，且內含2種或3 種元素，多稱為傳統二元或三元LED。

而鋁銦鎵磷因發光亮度較高，且由4種元素組成，多稱為四元LED。

氮化鎵材料則因為可以發出以上材料不能發出的藍光，一般另稱為氮化物LED。

LED的製作方法發光二極體主要由晶粒發光，在此以氮化鎵LED 為例，簡介其中晶粒的製作方法發光二極體是半導體材料，需要先進行磊晶成長，也就是在基板上成長P型及N型半導體。

氮化鎵LED 多成長在藍寶石基板上，成長的方法以有機金屬化學氣相沉積法（metal organic chemical －vapor deposition,MOCVD）為大宗。

MOCVD是用來沉積出薄膜的技術，這薄膜可能是介電材料（絕緣體）、導體或半導體。

在進行化學氣相沉積時，把含有被沉積材料的氣體，導入受到嚴密控制的反應室內。

當這些氣體在受熱的基板表面上起化學反應時，會在基板表面產生一層固態薄膜。

成長完氮化鎵磊晶片後，需要進行晶粒製程，把磊晶片製成一顆顆的發光二極體晶粒供下游封裝。

晶粒製程可分為電極製作的前段製程，以及把磊晶片分割為獨立晶粒的後段製程兩部分。

前段製程包含許多黃光、蒸鍍、蝕刻、剝離等製程，因此需要在無塵室等級的環境下製作。

而後段製程需要避免製作過程中的靜電損傷元件，因此特別注重靜電防護的問題。

晶粒製程流程圖（1）中的磊晶結構圖（2）中的高台（或高原mesa）蝕刻，再如圖（3）所示鍍上透明電極，其中TCL 是透明導電層（transparent conductor layer）的縮寫，最後如圖（4）所示加上保護膜和金屬接墊。

製作完成的發光二極體晶粒由於體積相當小，無法單獨拿取保存，因此多使用膠膜做為晶粒的承載物氮化鎵LED 使用的基板材料是藍寶石，因為藍寶石不導電，無法在上面製作電極，必須利用較複雜的技巧把正負兩電極製作在同一平面上，使得製程較為繁雜。

一般做法是使用乾式蝕刻機把表面的P型半導體部分區域挖除，露出底下的N 型半導體，再在P及N型半導體上製作電極，使得電流可以導通而發光。

氮化鎵發光二極體磊晶片成長流程，圖中MQW是multiple quantum well（多量子井）的縮寫，PL（photo luminescene）是光激發光譜儀，用來量測待測材料結構的發光光譜。

片成長完畢進行測試的氮化鎵磊晶片用氮化鎵(GaN)形成的藍光LEDLED製程在LED工廠生產中主要步驟是：清洗－裝架－壓焊－封裝－銲接－切膜－裝配－測試－包裝。

其中封裝工藝尤為重要一、晶片檢驗鏡檢：材料表面是否有機械損傷及細微的坑洞。

二、擴片由於LED晶片在劃片後依然排列緊密間距很小（約0.1mm），不利於後工序的操作。

我們採用擴片機對黏結晶片的膜進行擴張，是LED晶片的間距拉伸到約0.6mm。

也可以採用手工擴張，但很容易造成晶片掉落浪費等不良問題。

三、點膠在LED支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。

（對於GaAs、SiC導電襯底，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠晶片，採用銀膠。

對於藍寶石絕緣襯底的藍光、綠光LED晶片，採用絕緣膠來固定晶片。

）製程難點在於點膠量的控制，在膠體高度、點膠位置均有詳細的製程要求。

四、備膠和點膠相反，備膠是用備膠機先把銀膠塗在LED背面電極上，然後把背部帶銀膠的LED 安裝在LED支架上。

備膠的效率遠高於點膠，但不是所有產品均適用備膠製程。

五、手工刺片將擴張後LED晶片（備膠或未備膠）安置在刺片台的夾具上，LED支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將LED晶片一個一個刺到相應的位置上。

手工刺片和自動裝架相比有一個好處，便於隨時更換不同的晶片，適用於需要安裝多種晶片的產品。

六、自動裝架自動裝架其實是結合了沾膠（點膠）和安裝晶片兩大步驟，先在LED支架上點上銀膠（絕緣膠），然後用真空吸嘴將LED晶片吸起移動位置，再安置在相應的支架位置上。

自動裝架在工藝上主要要熟悉設備操作編程，同時對設備的沾膠及安裝精度進行調整。

在吸嘴的選用上儘量選用膠木吸嘴，因為鋼嘴會劃傷晶片表面的電流擴散層。

七、燒結燒結的目的是使銀膠固化，燒結要求對溫度進行監控，防止批次性不良。

銀膠燒結的溫度一般控制在150℃，燒結時間2小時。

根據實際情況可以調整到170℃，1小時。

絕緣膠一般150℃，1小時。

銀膠燒結烘箱的必須按工藝要求隔2小時（或1小時）打開更換燒結的產品，中間不得隨意打開。

燒結烘箱不得再其他用途，防止污染。

八、壓焊壓焊的目的將電極引到LED晶片上，完成產品內外引線的連接工作。

LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。

壓焊是LED封裝技術中的關鍵環節，工藝上主要需要監控的是壓焊金絲（鋁絲）拱絲形狀，焊點形狀，拉力。

九、封膠LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種。

基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點。

設計上主要是對材料的選型，選用結合良好的環氧和支架。

1.點膠：TOP-LED和Side-LED適用點膠封裝。

手動點膠封裝對操作水準要求很高，主要難點是對點膠量的控制，因為環氧在使用過程中會變稠。

白光LED的點膠還存在螢光粉沉澱導致出光色差的問題。

2.灌膠封裝Lamp-LED的封裝採用灌封的形式。

灌封的過程是先在LED成型模腔內注入液態環氧，然後插入壓焊好的LED支架，放入烘箱讓環氧固化後，將LED從模腔中脫出即成型。

3.模壓封裝將壓焊好的LED支架放入模具中，將上下兩副模具用液壓機合模並抽真空，將固態環氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中，環氧順著膠道進入各個LED成型槽中並固化。

十、固化與後固化固化是指封裝環氧的固化，一般環氧固化條件在135℃，1小時。

模壓封裝一般在150℃，4分鍾。

後固化是為了讓環氧充分固化，同時對LED進行熱老化。

後固化對於提高環氧與支架（PCB）的粘接強度非常重要。

一般條件為120℃，4小時。

十一、切筋和劃片由於LED在生產中是連在一起的（不是單個），Lamp封裝LED採用切筋切斷LED支架的連筋。

SMD-LED則是在一片PCB板上，需要劃片機來完成分離工作。

十二、測試測試LED的光電參數、檢驗外形尺寸，同時根據客戶要求對LED產品進行分選。

十三、包裝將成品進行計數包裝。

超高亮LED需要防靜電包裝。

藍光與白光發光二極體自LED面世後，相隔多年仍未能製造出能產生藍光的LED，由於藍色是三原色之一，以當時其他LED所能產生的光波長較藍光長，因此未能以其他已有的LED間接製造出藍光來，缺少了藍光LED也導致不能製造出同白光LED。

藍光LED1993年，當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化鎵（InGaN）的具有商業應用價值的藍光LED，這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。

白光LED紅綠藍系統(RGB system)有了藍光LED之後，結合原有的紅光LED和綠光LED便可產生白光，這樣產生的白光LED有很廣的色域，但由於成本相當高，大部份白光LED很少採用這方法，現在只有只有在高檔次、有高要求的產品中使用。

磷光劑白光LED現在大部份的白光LED都採用單一發光單元發出較短波長的光，再用磷光劑把部份或全部光轉化成一或多種其他顏色的光(波長較長的光)，當所有光混合起來後，看起來便像白光。

這種光波波長轉化作用稱為螢光，原理是短波長的光子（如藍光或紫外光）被螢光物質（如磷光劑）中的電子吸收後，電子被激發（跳）至較高能量、不穩定的激發狀態，之後電子在返回原位時，一部份能量散失成熱能，一部份以光子形式放出，由於放出的光子能量比之前的小，所以波長較長。

由於轉化過程中有部份能量化成熱能，造成能量損耗，因此這類白光LED的效率型都較低。

發光單元有採用藍光LED的，也有採用紫外光LED的。

日亞化工開發並從1996年開始生產的白光LED採用藍光LED作發光單元，波長450 nm 至470 nm，磷光劑通常是摻雜了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+:YAG)(實際上單晶的摻鈰(Ce)的YAG被視為閃爍器多於磷光體。

)。

LED發出的部份藍光由螢光劑轉換成黃光為主的較寬光譜（光譜中心約為580nm），由於黃光能刺激人眼中的紅光和綠光受體，加上原有餘下的藍光刺激人眼中的藍光受體，看起看起來就像白色光，而其所呈現的色澤常被稱作「月光的白色」。

若要調校淡黃色光的顏色，可以把摻雜在Ce3+:YAG 中的鈰(Ce)換作其他稀釋金屬，例如鋱或釓，甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的模式做到。

而基於其光譜的特性，紅色和綠色的物件在這種LED照射下看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明。

另外由於生產工藝的波動，這種LED的成品的色溫並不統一，從暖黃色的到冷的藍色都有，所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。

而這種LED的結構是把藍光LED封進混入了磷光劑的環氧樹脂中而造成，但也有較複雜的方法，由Philips Lumileds取得專利的方法便是把磷光劑塗在LED 上，值由控制磷光劑的厚度增加效率。

另一種白光LED的發光原理跟螢光燈是一樣的。

發光單元是紫外光LED，外面包著兩種磷光劑混合物，一種是發紅光和藍光的銪，另一種磷光劑是發綠光的銅和鋁摻雜了硫化鋅(ZnS)。

內裡的紫外光LED發出的紫外光被外層的磷光劑轉換成紅、藍、綠三色光，混合後就成了白光。