LED基础知识-LED光源的封装(讲义)

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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。
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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
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
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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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• 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。
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
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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。
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
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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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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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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。
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
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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。
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
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。