LED基础知识-LED光源的封装(讲义)

AlGaInP 南大光电：MO 源
中科嘉浦、深 圳淼浩：蓝宝 石 GaN 南大光电：MO 源
大连光明化工、 大连科利德： 高纯氨气
北京睿源
佛山国星、 北京利 厦门华联、 亚德、 宁波升普、 西安青 深圳量子、 松、上 河北鑫谷、 海三思、 江苏伯乐 南京洛 达、江苏 普、深 稳润、天 圳海洋 津天星、 王、深 江苏奥雷、 圳珈伟、 杭州创元、 厦门通 福日科光 士达、 江苏伯 乐达、 江苏鸿 联
LED分类
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数码管 (Display)
普通LED (P2)
食人鱼 (P4)
贴片 (SMD)
大功率 (High Power Led)
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1.7 LED产业链 • LED设备，原材料：MOCVD，激光划片机，检 测设备 • 上游：材料生长，结构设计；亮度，波长，正向 电压，可靠性；外延片2” • 中游：芯片制备；正向电压，出光，可靠性；芯 片：0.3mm-1.5mm • 下游：封装；出光效率，正向电压，可靠性，散 热；LED lamp, SMT, high power，数码管等 • 应用产品：灯具，工程；出光效率，散热，美学 设计，建筑，文化等；装饰照明，路灯，LCD背 光，车灯，太阳灯，普通照明，特种照明
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1.1 LED基本概念
• LED是发光二极管LIGHT EMISSION DIODE ; LIGHT EMITTING DIODE . • LED是通过半导体PN结把电能转化成光能的器件
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1.2 LED的基础知识：基本原理
其核心是PN结。因此它具 有一般P-N结的I-N特性，即 正向导通，反向截止、击 穿特性。在正向电压下，电 子由N区注入P区，空穴由P 区注入N区。进入对方区域 的少数载流子（少子）一部 分与多数载流子（多子）复 合而发光。 量子阱把经过结区的电子空 穴限制住，提高复合效率。
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• 光通量与光强的关系
– LED的光强与角度有关系，而光通量与角度无 关；发光角度为一半光强所夹的角（15o，30o， 60o，90o，100o，120o，150o，180o）
0 330 30
若LED作为点光源，光通量F与光 强IV的关系
F= IV *2p*（1－cosq1/2) 若60度发光角度光强为2000mcd, 则光通量约为1.68lm 但是光强随着角度变化并不是常数， 90 以上公式只能近似的计算光通量， 实际的情况是光强随着角度增大而 减少。具体的数值需要通过配光曲 线计算得到。
寿命的测试方法
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• LED的光衰一般遵循以下规律： I=I0*EXP（-t/t） 时间常数t与温度有关系，在一定的时间内分别测 得温度T1对应的时间常数t1，T2对应的t2。我们 把LED失效的因素归结于一个激活能Ea，则有 t=t0* EXP（-Ea/KT） 根据上面T1，T2对应的两个时间常数t1， t2则可 得到t0与Ea的值，这样我们就可以求得一定结温 下的寿命值。以上的温度均指结温。
节能: 10倍白炽灯;2倍日光灯,一年节约一个 三峡的发电量:870亿度
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环保
• • • • 减少温室气体排量:减少CO2排量1.12亿吨/年. 减少水银等有害废弃物对环境的污染 无频闪(直流工作) 无红外\紫外线成分
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安全低电压、节能
• 手机、笔记本等移动电器的背光源 • 与太阳能电池合用，不需要高压逆变器（庭 院灯，草坪灯，缺电地区照明） • 矿灯 • 矿井坑道灯 • 特殊环境：监狱，精神病院
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ITO contact layer
N-GaN
InGaN/GaN MQW P-GaN Transparent ohmic contact Ag Reflector Cu Heat Sinking
1.6 LED分类
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按发光颜色分：可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯 绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜 色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射 四种类型。 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面 安装用微型管等。 圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及 φ20mm等。 从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。半值角为5°～ 20°或更小。 （2）标准型。其半值角为20°～45°。 （3）大角度。 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座 环氧封装及玻璃封装等结构。 按发光强度和工作电流分 :有普通亮度的LED（发光强度<10mcd）；超高亮度的LED（发光强度 >100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。
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其他可靠性测试： 恒温恒湿：高温高湿测量其对高湿环境下的可靠性 高低温循环：测试LED对昼夜和四季的适应性 冷热冲击：测试其开关特性 高温工作：加速老化，测试寿命 过锡试验：深加工耐温能力 大电流老化测试：比加温更苛刻的老化条件，考虑 结温分布不均匀性 ESD抗静电击穿能力：抗静电能力
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5、1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度蓝色发光二极 管。 用途：由于蓝光LED的出现，人们首次实现红黄蓝LED的全色显示， 从90年代中期开始，许多广告、体育和娱乐场所开始应用LED大屏 幕显示。 6、1997年，中村修二和美国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二 极管激发黄光荧光粉得到白光LED，效率不足10lm/W。 7、2000年，日亚报道了15lm/W白光LED， 8、2003年，日亚报道的光效达到60lm/W， 2006年3月，其光效达到 100lm/W， 9、2006年7月，Cree公司报道了130lm/W白光LED， 10、2006年11月，日亚报道的光效达到150lm/W，其效率已经超过 节能灯，实现了真正意义上的照明。 11 、2007年3月，美国CREE公司光效达到157lm/W，目前LED的效 率向200Lm/W前进。
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LED基础知识/白光LED封装
陈志忠 2007/8/31
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伯乐达做的LED是A级！
江苏伯乐达光电科技有限公司 JIangsu Bright Optoelectronic Technology Co.Ltd
伯乐达－Bright！
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实现白光的四种方式：
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4、直接发白光的 技术
图 15. 级 联 型 GaN 基 白 光 LED 的设计结构
图16.级联型级联型GaN基白 光LED的电致发光光谱
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2.2 白光LED照明的优势
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发光功率（Po，mW)，光通量（Lf，lm）发光效率（Le， lm/W） 当Lf=632∫ V （l） Po （ l ）d l ,当电功率 全部转化成光功 率,最大的发光效率为632lm/W,若蓝光激发荧光粉或三色LED 混合得到白光,其效率小于300lm/W. 发光强度(Iv,Lop，mcd）:单位立体角内的光通量. 照度(illumination， lm/m2 ,Lx）:单位面积上光通量，被照表 面的明亮情况。 亮度（luminance，Cd/m2)：单位面积上的发光强度。光源的 明亮情况。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、白光LED封装
白光LED的概念， 白光LED的优点 白光LED基本参数 白光LED封装的基本工艺 白光LED的封装技术
2.1 白光LED的概念
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三基色通过适当的混合能产生所有的颜色，同样绝大多 数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这就是色度 学中最基本原理——三基色原理。
1.5 LED结构
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Lumileds Packaging
GaN-LED芯片的基本结构
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p-electrode (Ni/Au) p-electrode (Ni/Au) p-GaN layer
InGaN MQW active layer
n-GaN layer GaN buffer layer n-electrode(Ti/Al)
Sapphire substrate
芯片基本结构:flip-chip
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芯片基本结构:SiC 垂直结构
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芯片基本结构:金属衬底、垂直结构
N-electrode pad
PN结－》量子阱
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1.3 LED的基础知识：历史
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1、1965年，全球第一款商用化发光二极 管诞生 ，效率0.1lm/W,比白炽灯低100倍， 售价45$/只。 2、1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工 艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、 橙光和黄色光。 3、1971年，GaP绿色芯片LED。 用途：指示用，长寿命10万小时，可靠 4、80年代AlGaAs技术使得LED效率达到10流明/瓦， 90年代的AlGaInP技术使得LED效率达到100流明/瓦。 用途：显示，信号用。用于室外的运动信息发布以及汽车的 高位刹车灯。
产业链 材料体系
上游 衬底等原材料 中科镓英： GaAs 外延
中游 芯片
下游 江苏伯乐达光电科技有限公司 封装 应用
厦门三安、山东华光、河 北汇能、广东福地、广东 普光、北京圣科佳 南昌欣磊、 上海金桥大 晨、深圳奥 伦德、河北 立德 厦门三安、上海蓝光、深 圳方大、大连路美、江西 联创、上海蓝宝、北京长 电、广东福地、广东普光
120 60
300
270
900 600 300 0 300 600 900 Luminous Output (mcd)
240
1.4.3 热学参数与可靠性
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LED的结温定义为LED的PN结的温度，通常芯片具有很小的 尺寸，因此通常把芯片的温度等效结温。 结温高将使得LED性能变差，失效。 影响结温的因素： 1）不良的器件结构，大的串连电阻发热； 2）封装材料的热阻，大的热阻导致散热的困难，材料 和导热途径； 3）发光效率低下，30％的电能转化成光能，其他转化 成电能； 4）环境的温度和联结材料，工艺。 降低结温与耐热封装材料是高可靠性LED的保证。
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LED寿命
LED作为电子－空穴对复合发光，对半导体而言，理 论上它的寿命是无限长的。10万-100万小时的寿命概 念源于半导体的性能。 使用寿命则是指能够发挥作用的寿命，一般当光衰超 过50％,LED的寿命就到期了。 浴盆效应：初期和后期失效率较高，初始工作还会出 现性能高低起伏的退火期,而中间期大多数器件能够正 常工作。 在同一批LED样本中，统计失效率来评价整体器件水 平。在规定时间内，失效率越低，可靠性越好。
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1.4.1 基本参数－电学参数
• 正向工作电压 Vf@If • 反向漏电流Ir@Vr • 功率P=Vf*If • 测量方法
If
Vr Ir
Vf
1.4.2 光学参数
• • • 峰值波长（lp，nm），半峰宽（FWHM，nm） 色纯度：反应了单色光和白光的比例 主波长（ ld，nm） ，视觉函数（V（l））
提纲
LED基础知识
LED的概念， LED的发光原理 LED的历史 LED的基本参数， LED的结构， LED的产品分类， LED的产业链，
白光LED封装
白光LED的概念， 白光LED的优点 白光LED基本参数 白光LED封装的基本工艺 白光LED的封装技术