大功率LED封装的材料技术

按尺寸大小分：6mil、8mil、9mil、10mil、12mil、13mil、
14mil、15mil、20mil、28mil、40mil、6X8mil、10X12mil等 按功率：小功率 <100mA(20mA); 大功率 >150mA，350mA
21
1.3 晶片的分类和主要技术参数
1.3.1 LED晶片的主要技术参数：
26
③ 碳化硅衬底
碳化硅衬底的优点：
① 导热性能好(碳化硅的导热系数为490 W / (m.K))要比蓝宝
石衬底高出10倍以上；
②碳化硅衬底的芯片电极为V型，两个电极分布在器件的表面 和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出； ③碳化硅衬底不需要电流扩散层，光不会被电流扩散层的材料 吸收，出光效率高；
48
PCB支架主要有CEM-3、FR-4、BT、金属基、陶瓷基等板材，其 中前三种板材主要用于小功率LED，分为捞槽和钻孔两个系列， FR-4、BT板较为常用，由基板铜箔镀镍后镀银或再镀金成型；金 属基和陶瓷基板则主要用于对散热有较高要求的大功率LED。 CEM-3 覆铜板是一种性能水平、价格介于CEM-1和FR-4之间的 复合型覆铜板，它以环氧树脂玻纤布基粘结片为面料、环氧树 脂玻纤纸基粘结片为芯料，单面或者双面覆盖铜箔后热压而成。
1.2 晶片的制造工艺和流程
光刻胶 ZnO p-GaN MQW n-GaN 蓝宝石衬底
国产匀胶台
Fra Baidu bibliotek
负性光刻胶：负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。 正性光刻胶：正性光刻胶曝光后软化变得可溶
1.2 晶片的制造工艺和流程
光源
光刻板
光刻胶 ZnO p-GaN MQW n-GaN
蓝宝石衬底
1.2 晶片的制造工艺和流程
2.2 表贴式（SMD）LED支架
2.3 大功率（HI-Power）支架
38
39
2.1 直插式（Lamp）LED支架：
直插式支架材料：铁或铜，表面镀银。 直插式支架种类：碗杯型、平头型和特殊型 。 • 碗杯型支架：利用凹镜原理，使晶片发出的
点光源聚集成一束平行光射出，视角小，光
线集中；
• 平头型支架：晶片发出的光是点光源，光线
比较发散，视角大。
40
2 PIN, 3 PIN,4 PIN 几种类型
41
上Bar
焊线区
功能区
支架碗杯
下Bar
42
食人鱼支架
43
3 PIN带杯支架
3 PIN侧光支架
44
4 PIN带杯支架
4 PIN侧光支架
45
A、2002杯/平头：此种支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其
Pin长比其他支架要短10mm左右。Pin间距为2.28mm B、2003杯/平头：一般用来做φ 5以上的Lamp，外露pin长为 +29mm、27mm。Pin间距为2.54mm。 C、2004杯/平头:用来做φ 3左右的Lamp。Pin长及间距同2003支架D、 2004LD/DD：用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线.杯较深 E、2006：两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。 F、2009：用来做双色的Lamp，杯内可固两颗晶片，三支pin脚控制极性。 G、2009-8/3009：用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支pin脚。 H、724-B/724-C：用来做食人鱼的支架。
FR-4 覆铜板（环氧玻纤布覆铜板）强度高、耐热性好、介电性 能好，基板通孔可以镀金属（俗称孔金属化），实现双面或多 层印制板层与层之间电路导通
BT（Bismaleimide Triazine）板，全称BT树脂基板材料，如： BT树脂基覆铜板，是重要的用于PCB（印制电路板）的一种特 殊的高性能基板材料。
碳化硅衬底的缺点：
•碳化硅制造成本比蓝宝石衬底较高。
27
两种不同衬底材料的晶片结构示意图
28
② 硅衬底
硅衬底的优点：
① 工艺成熟，质量高，成本低，尺寸大，导电性优良等；
② 可以湿法腐蚀去除，适合剥离衬底，制备大功率垂直结构
芯片；
③ 导热性能好，封装后热阻小，节温低，器件的寿命长，适
合大电流驱动； ④ 可制备L电极和v电极。
导热性一般，使得芯片工作结温较高，发光效率降低。 不导电，使得P、N两层的电极只能在同一个面上，导致电流分 布不均，必须利用干法刻蚀为n层开出窗口，发光面积减少，生 产成本增加；
25
蓝宝石衬底的缺点：
由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明
电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明
1.2 晶片的制造工艺和流程
ZnO p-GaN MQW n-GaN
蓝宝石衬底
刻蚀完毕后利用去胶剂（stripper）、丙酮、IPA 进行去胶
1.2 晶片的制造工艺和流程
ZnO p-GaN MQW n-GaN 蓝宝石衬底
第二次光刻：采用涂胶光刻显影工艺在ZnO 透明导电层上定义p 型电 极的区域及图案，同时也在 n 型GaN 层上定义n 型电极的区域及图 案。
② MBE (molecular-beam epitaxy) 分子束外延；
生长最慢，可生长高质量InGaN和InN，成长周期长，产能 低。 ③ MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition 金属有机化学气相沉积。 生长适中，可制备GaN、 InGaN 、 AlGaN，广泛应用。
光刻胶 ZnO
p-GaN
MQW n-GaN 蓝宝石衬底
利用湿法刻蚀工艺刻蚀掉露出的ZnO 基透明电极，露出p 型GaN 层。
1.2 晶片的制造工艺和流程
干法刻蚀过程示意
离子轰击
光刻胶 ZnO p-GaN MQW
n-GaN
蓝宝石衬底
再利用ICP 干法刻蚀将这部分露出的p 型GaN层刻蚀至n 型GaN 层。
4
（1）外延片 wafer
• 外延（Epitaxy）是指在特定的衬底材料上按照晶 体取向关系进行的晶体生长。 • 外延片：利用外延技术生长的特定结构的晶片。
5
（2）外延片的制备方法：
① HVPE (hydride vapor-phase epitaxy) 氢化物气相外延； 生长快，制备大块GaN，做同质衬底材料。
31
晶 片 电 极 结 构
32
部分芯片结构：
15A 芯片 尺寸：13mil*15mil
13A 芯片 尺寸：12mil*13mil
P3大功率芯片 尺寸：
1000um*1000um
33
圆正方负
34
35
1.5 晶片的检测
1.外观 2.电性能 3.光色性能 4.光效与功率
36
1.6 晶片使用注意事项
1.2 晶片的制造工艺和流程
ZnO p-GaN MQW n-GaN 蓝宝石衬底
利用电子束蒸发制备蒸镀p 型跟n 型的电极。
1.2 晶片的制造工艺和流程
ZnO p-GaN MQW n-GaN 蓝宝石 衬底
用去胶剂，丙酮，异丙酮进行剥离，再利用合金炉在氮气氛围中 进行合金，合金温度为250 摄氏度，合金时间15min。
49
50
51
2.3大功率（HI-Power）支架
大功率（Hi-Power）支架一般是PPA塑胶反射杯+铜
柱散热结构，铜柱为红铜+镀镍+镀银，主要作为功率
大功率LED封装的材料
1
目录
1
2 3 4
LED晶片（芯片）基础
LED导线架（支架）
LED封装用荧光粉
LED封装胶水 LED封装键合线
2
5
第一部分 LED晶片（芯片）基础
• 1.1 晶片的结构、组成及作用 • 1.2 晶片的制造工艺和流程 • 1.3 晶片的分类和主要技术参数 • 1.4 晶片的检测
1. 晶片的存储：常温、垂直放置
2. 使用：避免刮擦、损伤
3. 防静电损伤、包装袋和操作 4. 使用前一定要抽样检测
37
第二部分
LED导线架（支架）
支架（Lead Frame）、导线架、引线架，
由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、
银这五层所组成。
作用：导电、支撑和散热作用。
2.1 直插式（Lamp）LED支架
8
1.2 晶片的制造工艺和流程
MOCVD外延生长
ZnO p-GaN MQW n-GaN
蓝宝石衬底 GaN-LED 外延结构生长： 先利用丙酮和异丙醇对蓝宝石衬底进行有机超声清洗，去除表面有机物，进行吹干， 再利用（ H2SO4 :H2O2 = 2 :1, HCl :H2O2 =3:1 ）进行无机清洗，去除表面氧化物。吹干 后放入MOCVD 设备中依次生长半导体外延叠层。生长的半导体叠层依次包括N型GaN 层、MQWS层、P 型GaN 层。 将上述样品取出，再次重复上述方法进行有机跟无机清洗吹干 ，放入生长 ZnO 的 MOCVD 设备中外延生长ZnO基透明导电薄膜层。
• 1.5 晶片使用注意事项
3
1.1 晶片的结构、组成及作用
1.1.1 晶片的结构
芯片电极接触方式：
① L接触(Laterial-contact 水平接触)， L型电极，电流横向流动；
② V接触(Vertical-contact 垂直接触)，V型电极，电流纵向流动，发光面积增大 ，出光效率提高。
电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳
定、机械强度较高,不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要
较好的设备，这将会增加生产成本。 硬度非常高，在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切
割(从400nm减到100nm左右)，添置完成减薄和切割工艺的设备
又要增加一笔较大的投资。
23
① 蓝宝石衬底
蓝宝石衬底的优点： ①生产技术成熟、器件质量较好； ②稳定性很好，能够运用在高温生长过程中； ③机械强度高，易于处理和清洗； ④透明度高，出光效率高； 通常 GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝 宝石衬底上。
24
蓝宝石衬底的缺点：
晶格失配，在外延层中产生大量缺陷，发光效率降低；
• 发光波长（WD,WLD）。单位是：nm
• 正向电压（VF），单位为：V
• 光功率（PO，IV），
单位为：mW
22
1.4 衬底材料：
常用衬底材料：
蓝宝石 Al2O3；碳化硅 SiC；硅 Si。
其它衬底材料：
砷化镓 GaAs； 氮化铝AlN；氧化锌ZnO
良好衬底特点：
晶格常数匹配，热膨胀系数匹配，化学性质稳定，尺寸大 ，易于大量生产等。
6
（2）外延片的制备方法：
材料制备
MOCVD机台
7
（2）外延片制备方法：
MOCVD制备GaN：
•反应方程式： Ga(CH3)3+NH3→GaN+3CH4
•原料： ⅢA族金属：Ga(CH3)3、Al(CH3)3 、In(CH3)3 、 Ga(CH3CH2)3 等； ⅤA族元素：NH3 P型杂质Si：硅烷（SiH4） n型杂质Mg：二茂镁 [Mg(C5H5)2 ] 生成的GaN薄膜吸附在衬底上，CH4排出。
层厚度为>0.348um.
47
在支架的众多因素中，除冲压件的设计和性质外，白色高温塑 胶料是影响LED质量和稳定性的一个重要因素。用于TOP支架的 塑胶料主要是solvay的白色PPA材料，耐高温焊接，高反射，与 硅胶的结合性好，长期性耐度也不错。
2810支架 5050支架 3528支架
几种TOP支架外观
29
② 硅衬底
硅衬底的缺点：
① 热膨胀率和晶格常数同GaN失配大（56%和17%），易形成缺陷
，是发光效率降低； ② 硅的晶格常数大于GaN的晶格常数，表现为GaN受到张应变，容 易拉伸照成裂痕； ③ 硅的带隙较小，容易吸收量子阱发光，使出光效率降低。
30
三种衬底的性能对比
• GaAs、AlN、ZnO等材料也可以作为衬底。
46
2.2 表贴式（SMD）LED支架
SMD支架分类：TOP支架、PCB片式支架两大类型
TOP支架组成：
铜材度银结构+PPA （苯丙醇胺）塑胶反射杯。
铜材作用：连接电路，反射，焊接等作用；
塑胶作用：反射，提供与胶水结合的界面等作用；
目前支架铜材一般为C194红铜，一般厚度为0.2mm,镀
1.2 晶片的制造工艺和流程
划片
18
1.2 晶片的制造工艺和流程
裂片
19
1.2 晶片的制造工艺和流程
通过高温划片，再用裂片机剁成若干个所要的小chip.
1.3 晶片的分类和主要技术参数
1.3.1 LED晶片的分类 按结构划分：单电极、双电极、倒装芯片、垂直结构芯片等。 LED晶片按照组成成分的不同，可以分为二元（GaP、 GaAS）、三元（GaAlP、GaAsP）、四元晶片（InGaAlP）和 氮化物晶片。 按晶片发光颜色（波长）：红外线、红、橙、黄、绿、蓝、 紫全波段。