第一章LED封裝概述

封裝技術(shù)LED2023/2/31LED優(yōu)點(diǎn)高光效高節(jié)能光源方向性好光色多安全性高環(huán)保壽命長光源快速響應(yīng)燈具結(jié)構(gòu)合理運(yùn)行成本低

2023/2/321.1LED的基本概念一、LED基本結(jié)構(gòu)和發(fā)光原理1.LED的結(jié)構(gòu)2023/2/332.LED芯片結(jié)構(gòu)LED芯片有單電極芯片結(jié)構(gòu)和雙電極芯片結(jié)構(gòu)。芯片是單電極還是雙電極取決于芯片結(jié)構(gòu)。二元（GaAs）、三元（GaAsP）、四元（AlGaInP）、SiC材料的采用單電極結(jié)構(gòu)。藍(lán)寶石襯底的，采用雙電極結(jié)構(gòu)。2023/2/34§2.1.1LED單電極芯片圖2.1單電極芯片結(jié)構(gòu)示意圖DEFCAHIBAGGJ電極直徑Jn型結(jié)晶基板E電極厚度In層D芯片高度Hp層C芯片尺寸（長×寬）G發(fā)光區(qū)Bn極金屬層Fp極金屬層A說明代碼說明代碼

單電極芯片結(jié)構(gòu)代碼含義2023/2/35§2.1.2LED雙電極芯片JHIGMNGABCEDFKLHL雙電極芯片結(jié)構(gòu)示意圖芯片尺寸（長）I低溫緩沖層Bn極金屬層H藍(lán)寶石基板A說明代碼說明代碼雙電極芯片結(jié)構(gòu)代碼含義2023/2/36n極電極直徑Np極金屬層Gp極電極直徑M透明導(dǎo)電層F電極厚度Lp型接觸E芯片高度K發(fā)光層D芯片尺寸（寬）Jn型接觸CJHIGMNGABCEDFKLHL雙電極芯片結(jié)構(gòu)示意圖2023/2/373.LED工作原理2023/2/382023/2/392023/2/310LED特性LED的電學(xué)特性LED的光學(xué)特性LED的熱特性

2023/2/311二、LED的常用性能指標(biāo)

I-V特性是LED芯片性能主要參數(shù)。

I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦裕赐饧诱珘罕憩F(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。（1）正向死區(qū)（2）正向工作區(qū)（3）反向死區(qū)。（4）反向擊穿區(qū)2023/2/3122023/2/3131、LED電學(xué)參數(shù)（1）LED電參數(shù)

正向工作電流IF:指LED正常發(fā)亮?xí)r的正向電流值。

正向工作電壓UF：指通過LED的正向電流為正向工作電流時(shí)，在二極管兩極間產(chǎn)生的電壓降。紅黃綠的電壓是1~2.4V；白、藍(lán)、翠綠的電壓是2~3.6V。2023/2/314

反向工作電壓UR：被測發(fā)光二極管器件通過的反向電流為確定值時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。

反向電流IR：加在發(fā)光二極管兩端的反向電壓為確定值時(shí)，流過發(fā)光二極管的電流。2023/2/315（2）極限參數(shù)的意義

允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。

正向極限電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

反向極限電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。

工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2023/2/3162、LED光特性分析①光通量(φ)

:

表征LED總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志器件的性能好壞。F為LED向各個(gè)方向發(fā)光的能量只和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。單位為lm。2023/2/317②發(fā)光強(qiáng)度：簡稱光強(qiáng)，國際單位是candela（坎德拉）簡寫cd。是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重要性能。LED大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強(qiáng)指向性：位于法向方向光強(qiáng)最大，其與水平面交角為90°。當(dāng)偏離正法向不同θ角度，光強(qiáng)也隨之變化。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向。發(fā)光強(qiáng)度的角分布θ是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。它主要取決于封裝的工藝，透鏡的材料，透鏡的曲率，芯片周圍的反光杯。2023/2/318③發(fā)光效率：是指每瓦電功率能發(fā)多少流明的光。通常來說，光效越高越省電，越節(jié)能。LED理論上最大光效：683lm/W；白熾燈光效：6~12lm/W；熒光燈光效：60~100lm/W。2023/2/319LED光特性發(fā)光效率LED效率有兩種

內(nèi)部效率：pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率。內(nèi)部效率只用來分析和評(píng)價(jià)芯片優(yōu)劣的特性

外部效率：輻射到外部的效率。發(fā)光效率：輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比量子效率

η=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)流明效率：LED的光通量/外加耗電功率流明效率是評(píng)價(jià)具有外封裝LED特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。理論計(jì)算中，最大的流明下來率為683lm/W。同此相比，LED未來的發(fā)展前景很廣闊。2023/2/320LED光特性品質(zhì)優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高.LED向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率應(yīng)為η=ηiηcηe

，

ηi向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入效率

ηc為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率

ηe為外部出光（光取出效率）效率。2023/2/321LED光特性由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)（無環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對(duì)光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。2023/2/322LED光特性如何提高外部出光效率ηe？

1.用折射率較高的透明材料覆蓋在芯片表面

2.把芯片晶體表面加工成半球形

3.用Eg半導(dǎo)體化合物能隙大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.4~2.6的低熔點(diǎn)玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。2023/2/323LED光特性⑤發(fā)光峰值波長及其光譜分布

LED的光譜特性參數(shù)主要包括峰值發(fā)射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。單色LED的光譜為單一波峰，特性以峰值波長和帶寬表示，而白光LED的光譜由多種單色光譜合成。LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示，而由LED的光譜功率分布還可計(jì)算得到色度參數(shù)。LED發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。2023/2/324LED光特性發(fā)光峰值波長及其光譜分布如圖1藍(lán)光InGaN/GaN

發(fā)光譜峰λp=460～465nm2綠光GaP:N

發(fā)光譜峰λp=550nm3紅光GaP:Zn-O

發(fā)光譜峰λp=680～700nm4紅外GaAs

發(fā)光譜峰λp=910nm5Si光敏光電管通常作光電接收用6標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2023/2/3252023/2/326GaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAs850nm~940nm紅外線不可見光GaInN/Sapphire455nm~485nm高亮度藍(lán)GaInN/Sapphire490nm~540nm高亮度藍(lán)綠/綠AlGaInP/GaAs高亮度綠GaP/GaP555nm~560nm綠AlGaInP/GaAs高亮度黃綠GaP/GaP569nm~575nm黃綠AlGaInP/GaAs高亮度黃GaAsP/GaP585nm~600nm黃AlGaInP/GaAs高亮度橙GaAsP/GaP605nm~622nm橙AlGaInP/GaAs630nm~645nm高亮度紅AlGaAs/GaAs645nm~655nm紅可見光結(jié)構(gòu)波長顏色類別晶粒種類2023/2/327LED光特性峰值波長：無論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大），與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值（最大光強(qiáng)度）一半的點(diǎn)，此兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。主波長：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長；甚至有多個(gè)峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。如GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長，而主波長只有一個(gè)。2023/2/328LED光特性⑥發(fā)光亮度亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強(qiáng)方向性。其正法線方向的亮度，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為cd/m2

或Nit。LED亮度與外加電流密度有關(guān)，電流密度增加發(fā)光亮度也近似增大。LED亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，復(fù)合效率下降，發(fā)光亮度減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。2023/2/329LED常用詞匯總結(jié)7.經(jīng)濟(jì)壽命：在同時(shí)考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時(shí)數(shù)。室外的光源為70%，室內(nèi)的光源為80%。2023/2/3308.色溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，色溫在3000k以下有溫暖的感覺，達(dá)到穩(wěn)重的氣氛；色溫在3000k-5000k為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000k以上有冷的感覺。單位：K。2023/2/3312023/2/332LED光特性老化：LED發(fā)光亮度隨著長時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)。外加恒流源越大老化越快。壽命：通常把亮度降到初始亮度一半所經(jīng)歷的時(shí)間稱為二極管的壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點(diǎn)燃103~104小時(shí)后，先后測得BO,Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。顯色性：光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準(zhǔn)光（太陽能）照明時(shí)顏色的偏離能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現(xiàn)物體本來的顏色需使用顯色指數(shù)高的光源。單位：Ra。眩光：視野內(nèi)有亮度極高的物體或強(qiáng)烈的亮度對(duì)比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質(zhì)量的重要因素。2023/2/333LED熱學(xué)特性LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20mA長時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或λp

就會(huì)向長波長漂移，BO也會(huì)下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為λp（T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對(duì)于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強(qiáng)、光亮度的設(shè)計(jì)尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設(shè)備、確保LED長期工作。2023/2/334LED熱學(xué)特性LED測量的環(huán)境溫度一般為Tamb＝25oC。隨著溫度的增加，LED波長的中心會(huì)發(fā)生藍(lán)移或紅移隨著溫度的增加，LED的光強(qiáng)將會(huì)減小2023/2/335LED熱學(xué)特性2023/2/336LED熱學(xué)特性2023/2/337LED熱學(xué)特性2023/2/338LED熱學(xué)特性LED散熱結(jié)構(gòu)2023/2/339§1.2LED芯片分類

LED的封裝工藝有其自己的特點(diǎn)。對(duì)LED封裝前首先要做的是控制原物料。因?yàn)樵S多場合需要戶外使用，環(huán)境條件往往比較惡劣，不是長期在高溫下工作就是長期在低溫下工作，而且長期受雨水的腐蝕，如LED的信賴度不是很好，很容易出現(xiàn)瞎點(diǎn)現(xiàn)象，所以注意對(duì)原物料品質(zhì)的控制顯得尤其重要。LED芯片是半導(dǎo)體發(fā)光器件LED的核心部件，它主要由砷(AS)、鋁(AL)、鎵(Ga)、銦(IN)、磷(P)、氮(N)、鍶(Ｓr)這幾種元素中的若干種組成。2023/2/340（1）芯片按發(fā)光亮度分類可分為：☆一般亮度：R(紅色GAaAsP655nm)、H

(

高紅GaP697nm

)、G

(

綠色GaP565nm

)、Y

(

黃色GaAsP/GaP585nm

)、E(桔色GaAsP/

GaP635nm

)等；☆高亮度：VG(較亮綠色GaP565nm)、VY(較亮黃色GaAsP/

GaP585nm)、SR(較亮紅色GaA/AS660nm)；☆超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。（2）芯片按組成元素可分為：☆二元晶片(磷﹑鎵)：H﹑G等；☆三元晶片(磷﹑鎵﹑砷)：SR(較亮紅色GaA/AS660nm)、HR

(超亮紅色GaAlAs660nm)、UR(最亮紅色GaAlAs660nm)等；2023/2/341☆四元晶片(磷﹑鋁﹑鎵﹑銦)：SRF(

較亮紅色

AlGalnP

)、HRF(超亮紅色

AlGalnP)、URF(最亮紅色AlGalnP630nm)、VY(較亮黃色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黃色AlGalnP595nm)、UY(最亮黃色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黃色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔色AlGalnP620nm)、UG(最亮綠色AIGalnP574nm)LED等。（3）發(fā)光二極管芯片制作方法和材料的磊晶種類：1.LPE：

液相磊晶法

GaP/GaP；2.VPE：

氣相磊晶法

GaAsP/GaAs；3.MOVPE：有機(jī)金屬氣相磊晶法)AlGaInP、GaN；2023/2/3422023/2/3434.SH：單異型結(jié)構(gòu)

GaAlAs/GaAs；5.DH：雙異型結(jié)構(gòu)

GaAlAs/GaAs；6.DDH：雙異型結(jié)構(gòu)

GaAlAs/GaAlAs。不同LED芯片，其結(jié)構(gòu)大同小異，有外延用的芯片基板(藍(lán)寶石基板、碳化硅基板等)和摻雜的外延半導(dǎo)體材料及透明金屬電極等構(gòu)成。2023/2/344§2.1.6制作LED磊芯片方法的比較

HB-LEDLDVCSELHBT高亮度LED成本較高良好率低原料取得不易磊晶純度佳磊晶薄度控制佳磊晶平整度佳將有機(jī)金屬以氣體形式擴(kuò)散至基板促使晶格表面粒子凝結(jié)MOCVD有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉漬法傳統(tǒng)LED一般亮度LED磊晶薄度及平整度控制不易磊晶長成速度快量產(chǎn)能力尚可以氣體或電漿材料傳輸至基板促使晶格表面粒子凝結(jié)或解離VPE氣相磊晶法傳統(tǒng)LED一般亮度LED磊晶薄度控制差磊晶平整度差操作簡單磊晶長成速度快具量產(chǎn)能力以溶融態(tài)的液體材料直接和基板接觸而沉積晶膜LPE液相磊晶法主要應(yīng)用缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)特色磊晶方法

制作磊芯片的幾種常用方法2023/2/345（4）芯片按襯底材料分類

對(duì)于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進(jìn)行選擇?！?/p>

藍(lán)寶石（Al2O3）◆

硅

（Si）◆

碳化硅（SiC）一、藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底有許多的優(yōu)點(diǎn)：

1.生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好

;2.穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長過程中;3.機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。

三種襯底材料：2023/2/346藍(lán)寶石襯底存在的問題：1.晶格失配和熱應(yīng)力失配，會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺陷；2.藍(lán)寶石是一種絕緣體，在上表面制作兩個(gè)電極，造成了有效發(fā)光面積減少；3.增加了光刻、蝕刻工藝過程，制作成本高。

藍(lán)寶石的硬度非常高,在自然材料中其硬度僅次于金剛石,但是在LED器件的制作過程中卻需要對(duì)它進(jìn)行減薄和切割(從400nm減到100nm左右)。添置完成減薄和切割工藝的設(shè)備又要增加一筆較大的投資。

藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱性能不是很好(在100℃約為25W/m·K)，制作大功率LED往往采用倒裝技術(shù)(把藍(lán)寶石襯底剝離或減薄)。2023/2/347二、硅襯底

硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。硅襯底芯片電極采用兩種接觸方式:

V電極芯片L電極芯片采用藍(lán)寶石襯底和碳化硅襯底的LED芯片2023/2/348

常用芯片簡圖（在此只給出幾種）一、單電極芯片1.圓電極芯片009UOV008RN010SOTK110DR2.方電極芯片010YGK009UYG113YGUM80SOU2023/2/3493.帶角電極芯片012UY512UOL012UYG012IRA二、雙電極芯片＆幾種雙電極芯片

514GSB4713DC010BLTB024I2023/2/350三、碳化硅襯底

碳化硅襯底（CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片，電極是L型電極，電流是縱向流動(dòng)的。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。

碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/m·K，要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以上。碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。

缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)2023/2/351好高好良-1.4490碳化硅(SiC)好低好良5~20150硅(Si)一般中差一般1.946藍(lán)寶石(Al2O3)抗靜電能力成本導(dǎo)熱性穩(wěn)定性膨脹系數(shù)(×10-6)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)襯底材料

三種襯底材料的性能比較

除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據(jù)設(shè)計(jì)的需要選擇使用。

2023/2/352LED制造工藝三個(gè)階段：前段→上游→材料生長中段→中游→芯片制備后段→下游→器件封裝→外延片襯底及外延層的生長→蒸鍍金屬電極、切割→把做好的LED芯片封裝成各種形式2023/2/353LED襯底生長關(guān)鍵工藝融化頸部生長晶體生長尾部生長切割2023/2/354LED芯片的制作流程擴(kuò)散和鍵合晶粒光刻鍍金晶圓芯片拋光檢驗(yàn)劃片崩裂等離子體刻蝕GaNLED芯片的制作流程綠光晶粒樣品2023/2/355LampLEDTOPLED食人魚LEDSMDLEDPOWERLED2023/2/3562.LED芯片的供應(yīng)商國外LED芯片廠商：

CREE，惠普（HP），日亞化學(xué)（Nichia），豐田合成，大洋日酸，東芝、昭和電工（SDK），Lumileds，旭明（Smileds），Genelite，歐司朗（Osram），GeLcore，首爾半導(dǎo)體等，普瑞，韓國安螢（Epivalley）等。臺(tái)灣LED芯片廠商：晶元光電（Epistar）簡稱：ES、（聯(lián)詮、元坤，連勇，國聯(lián)），廣鎵光電（Huga），新世紀(jì)（GenesisPhotonics），華上（ArimaOptoelectronics）簡稱：AOC，泰谷光電（Tekcore），奇力，鉅新，光宏，晶發(fā)，視創(chuàng)，洲磊，聯(lián)勝（HPO），漢光（HL），光磊（ED），鼎元（Tyntek）簡稱：TK，曜富洲技TC，燦圓（FormosaEpitaxy），國通，聯(lián)鼎，全新光電（VPEC），2023/2/357大陸LED芯片廠商：三安光電簡稱（S）、上海藍(lán)光（Epilight）簡稱（E）、士蘭明芯（SL）、大連路美簡稱（LM）、迪源光電、華燦光電、南昌欣磊、上海金橋大晨、河北立德、河北匯能、深圳奧倫德、深圳世紀(jì)晶源、廣州普光、揚(yáng)州華夏集成、甘肅新天電公司、東莞福地電子材料、清芯光電、晶能光電、中微光電子、乾照光電、晶達(dá)光電、深圳方大，山東華光、上海藍(lán)寶等。華興（LedtechElectronics）、東貝（UnityOptoTechnology）、光鼎（ParaLightElectronics）、億光（Eve