工艺技术_大功率白光led的封装工艺研究论文

1 绪论 1.1 概述 发光二极管Light emitting diode，简称(LED)是在半导体pn结的地方施加正向电流 时发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件。多年来人类一直在寻找和开发固体 发光光源(Solid State Lighting, SSL)，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，在 芯片生长过程中引入了分布式布拉格反射(DBR)的结构、光学微腔(RC)、以及量子阱结 构(QW)等，使得半导体照明用的发光二极管发光效率不断提高1，如图 1.1 所示。随着 对-V族化合物材料的深入研究、金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)生长技术的日趋 成熟、 超高亮发光二极管(HB-LED)和GaN半导体材料工艺的完善， 工业界开发了光电转 换效率非常高的发光二极管，特别是采用氮化物半导体InGaN的蓝色LED的实用化，将 10cd以上的高亮度的蓝色LED与钇铝石榴石荧光粉(YAG：添加Ce的钇、铝石榴石)组合 在一起2，开发出光效达 20lm/W以上的白色LED。 图 1.1.1 LED 发光效率的发展以及与其它光源发光效率的比较 1 白光LED光源研制的成功，为其以后在普通照明领域的应用发展创造了条件，从表 1.1.1 中可以看出，LED光源与白炽钨丝灯泡及荧光灯等传统光源相比3，其最吸引世界 目光的就是节能和环保的特性，与白炽灯相比，白光LED照明可节电 80%90%、与荧 光灯相比可节省 50%的电能；寿命可达 810 万小时，是白炽灯的 2030 倍，是荧光灯 的 10 倍，特别是它与太阳能电池、电磁感应电池联合使用后4，更是一种极具竞争力的 绿色光源， 有望在未来的 1020 年内成为新一代理想的固态节能照明光源5， 为人类照 明史谱写新的篇章。 表 1.1.1 白光 LED 与其他光源特性的比较 照明方式 特 点 白光 LED 具有省电节能，环保(无汞金属等污染)，寿命长(十万小时)，抗震、抗冲 击能力强，反应速度快，体积小等优点 荧光灯 荧光灯省电，寿命 5,000 小时但废弃物有汞污染、易碎等问题。 白炽钨丝灯泡 低效率、高耗电、寿命短（1,000 小时）、易碎。 半导体照明是 21 世纪最引人瞩目的新技术领域一个焦点, 涉及到材料、 器件结构、 光学设计、封装工艺、电源电路、灯具选用、照明效果与视觉匹配等多技术领域6。LED 的研发和产业化将成为今后光电子、材料、能源、半导体行业等发展另一重要方向。迄 今，美、日及西欧竞相投资开发白光LED绿色光源。我国自“八五”期间就十分关注LED 发展，通过“863”科技攻关、高技术创新、产业化资金重点支持，已取得研发成果和诸 多专利，但白光LED核心技术研发及产业化情况与发达国家相比尚有一定差距。 1.2 国内外技术发展 随着半导体节能、环保照明工程的推动，普通照明市场对高亮度LED器件的需求是 巨大的7。 用LED 固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统照明光源已成为本世纪的未来发展 目标。白光LED照明产业的发展将影响到一个国家和地区的能源战略和环保战略，因此 受到各个国家、地区的重视和大力支持8。日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出 国家半导体照明计划，并投入巨资进行研发，如表 2.2.1 所示。 2 表 1.2.1 各地区、国家 LED 光源计划之比较 国家/ 地区 中国 台湾 美国 欧盟 日本 专案 计划 中国国家半导体 照明工程 白光照明光源业 界科专计划 下一代 照明计划 彩虹计划 21 世纪照明 计划 时间 阶段 20032020 20022005 20022020 2000 19982020 发光 效率 100lm/W (2010) 160-200 lm/W (2020) 40lm/W（2005） 200 lm/W 120lm/W HB-LED是未来照明的核心部分，面对巨大的市场机会，世界各大公司加大了对 HB-LED芯片及其封装技术的研发力度， 以期解决两个技术关键： 如何提高发光效率(lm/ W) ；如何提高每一器件(组件)总的光通量9-11。 美国在“下一代照明计划”中宣称，将在 2020 年达到发光效率 200lm/W的目标， 主要投入的LED 厂商有Lumileds 、Cree 、Aglient ，Gelore 等国际大企业。Lumileds Lighting12 公司生产了一系列大功率LED，显示了照明业的潜力，其封装技术的特点在 于采用倒装焊技术以及保形涂粉工艺，最新产品是可以发出 120lm白光的 5W封装的单 管，这种光输出和 15W白炽灯的光输出相当，而封装体积仅相当于白炽灯的 1%，功耗 仅为 1/3。 12 个 120lm的器件足以制成一只用于汽车用的前灯。 最近又有报导美国Agilient 实验室已研制开发成功光效为 100lm/W的有色LED和光效达 4050lm/W的白色LED。 而独家生长SiC 半导体材料Cree 公司13 最新开发的白色LED 发光效率已经达到了 60lm/W。 欧盟各国在 2000 年启动“彩虹计划” ，希望通过应用半导体照明实现高效、节能、 不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标。目前已经有很多公司介入，最大的 LED 生产制造商 OSRAM Opto-Semiconductor 是目前世界 LED 车用灯最大供应商。 日本规划的“21 世纪照明计划”预期要在 2010 年之后达成发光效率 120 lm/W的 目标，并预计到 2010 年白色LED在照明市场普及率将达 13%，知名的LED厂商包括日 3 亚化工、松下电工、丰田合成、SONY、佳友电工等。日亚公司14在LED市场上居于领 先地位，其材料研发、外延、晶粒制作、封装皆自行完成。日亚开发的白光LED样品， 模块的安装面积为 40mm40mm，厚度为 10mm。当输出光束为 1000lm时，耗电量为 30W，发光效率大约为 33lm/W，目前还开发了发光效率为 50lm/W的白光LED模块。 台湾经济部技术处联合台湾 10 多家上、中、下游厂商，共同提出了“白光照明光 源业界科专计划” ，预计 2005 年LED发光效率达到 40lm/W15。 中国大陆在科技部 “863”计划支持下， 在照明领域及时启动了“国家半导体照明工程” 提出了在 2010 年达到 100 lm/W 的目标。 2004 年 4 月， 科技部确定工作重点发展新型 照明行业，并确定福建厦门、上海、大连和江西南昌为首批四个国家半导体照明产业基 地。而且每一区域都初步形成了比较完整的产业链。由于各个地区产业基础、优势的不 同，目前各区域都已经从自己的角度提出了新的发展半导体照明产业的构想。目前国内 具有大功率芯片开发能力的主要有深圳方大、大连路美、厦门安美、上海蓝光科技等公 司，但是对大功率 HB-LED 芯片的封装技术的研发正处于起步探索阶段。 1.3 市场应用前景 最近几年在HB-LED封装技术上突破和材料加工技术的实用化， 连带创造了很多应 用商品，从图1.3.1可以看出其应用的热点主要包括以下几个方面16： 1)显示屏：各种广告牌、金融和交通指示牌等。 2)照明：装饰照明，商业照明、景观照明等。 3) 交通信号灯：包括交通指示灯、信号灯、标识灯，主要用超高亮度红绿黄色。 4)汽车用灯：包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹 车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。 5)背光源：主要是移动电话、液晶LCD显示器上用的背光源。 6)其他应用：包括工艺品市场和特殊工作照明和军事运用。 4 图 1.3.1 LED 的应用场合 2004 年全球HB LED市场规模从 2003 年的 27 亿美元增长到 37 亿美元，增幅达 37 。从表 1.3.1 中可以看出HB LED在手机应用领域达 21.5 亿美元，占整个HB LED市场 的 58，紧随其后的是汽车照明市场和显示屏市场，它们各为 13。在普通照明市场 上，也具有强大的市场潜力17，但是受限于白光LED的发光效率和价格条件，在普通照 明市场的普及还比较低，因为要获得与白炽灯、荧光灯等相同的照度，整个照明系统的 成本上很高。实际应用的照明设备，如照亮写字台、屏幕或房间的光源不仅要求高发光 效率和长的使用寿命，还要具有很高的光通量和可接受的价格。例如：单个 1W的LED 器件，光通量约为 25lm，质量好的售价要超过 50 元，差的也要 20 元。而 25lm的光通 量对于普通照明而言太小了，一只普通的 60W白炽灯的光通量大于 700lm，也就是说， 要代替传统照明需要多个LED器件，还要加上电路、灯壳、灯头以及其他散热处理等， 如此高的成本是白光LED在普通照明中的最大问题。 5 表 1.3.1 2004 年 HB-LED 市场应用分析 HB-LED 市场 应用领域 市场份额 (%) 移动设备 58 显示 13 汽车照明 13 信号 2 普通照明 5 其他 9 照明消耗约占整个电力消耗的约五分之一， 各国的半导体照明计划的首要目标在于 降低照明用电，从而节省能源、减少石油进口、降低温室效应。 美国、日本等国家和 台湾地区对 LED 照明效益进行了预测，如果美国 55%白炽灯 及 55%的日光灯被 LED 取代，每年可节省 350 亿美元电费，减少 7.55 亿吨二氧化碳排 放量；日本 100%白炽灯换成 LED，可减少 12 座核电厂发电量，每年能节省 10 亿公 升以上的原油消耗；台湾地区 25%白炽灯及 100%的日光灯被白光 LED 取代，每年可以 节省 110 亿度电；中国如果在 2010 年 LED 照明能够进入我国 1/3 的照明市场，每年就 可以节约 1000 亿度电，相当于一个多的三峡电站发电量。因为白光 LED 的发光效率要 超过 100lm/W 以上才能进入照明市场，对目前的日光灯（约 60-100lm/W）才有取代的 效果，所以各国均以达到 100lm/W 以上为目标。最近几年商业白色 LED 已取得较大进 展，利用大面积芯片及特殊封装技术可以使每个器件的光输出提高 100 倍，并使每流明 光输出的成本下降 80%。预计在未来 5 年内 LED 在照明市场应用将取得实质性进展。 图 1.3.2 为 LED 发光器件在未来 1020 年每个器件的光通量以及每流明的价格的发展 趋势。 Strategies Unlimited 公司对全球 HB-LED 及其照明市场的发展预测。预计未来整个 HB-LED 市场的年均增长率为 21%，2007 年将达 47 亿美元；而 HB-LED 照明市场年增 长率更将高达 44%，2007 年可望达到 5.2 亿美元。届时，HB-LED 照明市场所占整个 HB-LED 市场的份额将由 2002 年的 5%提升到 11%。 2007 年以后， HB-LED 照明市场仍 将继续增长，过了 2010 年，在世界照明市场上，HB-LED 可占有很大的比重。 另外一个 LED 应用发展最快的就是车用照明，2002 年市场规模为 1.9 亿美元， 2003 年比 2002 年增长 24.2%,市场规模为 2.36 亿美元，2004 年比 2003 年增长 19.1%,市场规 6 模为 2.81 亿美元。随着采用 LED 灯的车辆逐年增加，预计今后每年的增长率为两位数， 2008 年时市场规模将突破 4.5 亿美元。在车用照明中，车头灯由于其需要光通量为汽车 用途中用量最多，潜在规模相当庞大，因此倍受 LED 厂商重视。但也是因为应用技术 门坎较高，并受限于亮度不足，因此，预计到 2008 年时才可能出现 LED 车头灯商品化 的产品。 图 1.3.2 LED 器件光通量以及价格发展趋势 总而言之，目前的白光LED已经在背光源、显示屏、特种照明、信号灯等领域得到 很好的推广，相对于普通照明和汽车前照灯领域而言，还处于刚刚起步的阶段。但是随 着高亮度LED(HB-LED)技术的飞速发展，一旦解决了在性能和成本上的问题18，将会 对传统的照明光源提出挑战，LED成为普通照明光源的时日会越来越近。 1.4 本文研究的内容 本文的主要内容是针对白光 LED 在照明领域的应用市场，研发白光 HB-LED 芯片 的封装技术，重点解决其散热问题，这属于应用型研究课题。在绪论中主要介绍目前白 光 LED 的发展历史和进入照明领域的重大意义，阐述目前国内外白光 HB-LED 芯片的 制作和封装技术的领先水平，同时分析白光 HB-LED 未来发展趋势和市场应用前景；在 第二章中，主要介绍 LED 发光原理、与照明光学相关的一些概念、HB-LED 芯片的制 作工艺流程和芯片电极结构以及封装结构的演变过程。第三章根据 LED 光源传播规律 7 建立光学模型并进行分析；第四章介绍封装散热制冷的原理和方式，利用流体软件建模 并分析；第五章针对大功率芯片结构的不同，研发与其适应的封装工艺，并将倒装焊与 chiponboard 两种技术结合应用与多芯片阵列模块的封装中，并作了相关的一些测 试；最后一章给出了全文总结。 8 2 HB-LED 封装基础 2.1 HB-LED 发光原理以及结构 图2.1.1为LED 发光机理图,在LED 的p - n 结合部有一发光层,当注入电流时，在该 处电子和空穴复合后放出与电子和空穴的能量差相对应的能量h(h为普朗克常数,为 频率) 而发出光子,该能量差相当于半导体材料的带隙能量Eg ( 单位： 电子伏Ev) ,其与发 光波长(单位：m) 的关系为= 1.24/Eg，因此通过选择不同的带隙宽度的材料，其 发光谱可以从红外、可见光、以及紫外波段，而且这类器件的发射光谱与温度有很大关 系19-20。 图 2.1.1 LED 器件的结构和发光原理图 要想得到大功率HB-LED器件，就必须制备合适的大功率LED芯片。随着技术发展， 芯片二维尺寸不断地增大，LED芯片结构设计一个方面是优化其热学、光学性能，一方 面是优化芯片上电极结构使得整个芯片在工作后得到均匀的电流扩散分布。 如果电流分 9 布不均匀， 往往会导致热流密度以及光通量的不均匀分布， 在芯片内部产生局部的热斑， 这样将大大地降低LED器件的效率和可靠性21。 为了减少横向LED芯片中电流不均匀 分布，有效电流路径长度必须很短并且同等， 该长度决定于p电极和n电极的空间距离。 图2.1.2(b)芯片电极通过优化后电流密度在整个 芯片分布的均匀性要比图2.1.2 (a)好。因此对于大芯片LED，单独一个电极设计是不利 于电流扩散，而采用梳状条形交叉电极、梳状条形与点状结合的电极以及米字形的电极 结构设计，可以使得芯片内电流分布比较均匀。目前主流的HB-LED的电极结构主要有 下列几种形式，如图2.1.3所示。 图2.1.2 不同电极结构的电流扩展分布 图2.1.3 大功率HB-LED芯片电极结构 图 2.1.4 为大芯片欧姆接触顶部做成梳状电极的特点：两端各有两个电极用的圆形 接触盘， 通电后条形电极之间的区域将会有光发出， 从而实现由点光源到面光源的过渡， 提高芯片总的光输出通量。 10 图2.1.4 顶面发光大功率LED电极 图2.1.5为梳状条形与多点接触的电极主要是结合在硅片上倒装焊(flip chip)技术， 能 更有效提高HB-LED的取光效率22。 图2.1.5 HB-LED芯片倒装焊在Si基板上 图 2.1.6 为美国Cree公司的专利产品23，米字形电极结构主要应用在基于导电碳化 硅（SiC）衬底生长的LED，其电流是垂直扩散，比起在绝缘透明蓝宝石（Sapphire）衬 底上生长GaN基LED的横向扩散电流，电流分布均匀性更好。 通过扩大LED芯片面积，使得LED输出功率提高，发光亮度得以大幅度地提高，不 过若一味加大芯片面积，反而会出现LED內部的光吸收比率增加、外部量子效率降低等 不利的现象。从图 2.1.7 可以看到，随着芯片二维尺寸的增加，芯片本身的发光效率下 降的很快24。 11 图2.1.6 米字形上下电极结构 图 2.1.7 芯片尺寸与其量子效率的关系 2.2 芯片制作过程 图2.2.1所示为LED的制作过程， 可分为上游单晶片与磊晶片制作、 中游晶粒制作(将 磊晶片经过电极制作、平台刻蚀等程序切割出LED晶粒)及下游封装等25。 1).上游工艺： LED上游产品为单晶片及磊晶片， 单晶片为制造LED的基板， 如采用GaAs(砷化镓)、 GaP (磷化镓)材料，磊晶片则是依不同产品在单晶片上成长多层不同厚度的单晶薄膜， 如AlGaAs (砷化铝镓)、AlGaInP(砷化铝镓铟)、GaInN(氮化镓铟)等。常用的磊晶成长技 术有： 液相磊晶成长法(Liquid Phase Epitaxy；LPE) 12 气相磊晶成长法(Vapor Phase Epitaxy；VPE ) 有机金属气相磊晶法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy；MOVPE，又称为MOCVD metal-organic chemical vapor deposition)等。 其中VPE、LPE等技术已相当成熟，但只能 生产一般亮度的LED，发展受限制，而 MOCVD除可生产高亮度红、黄、橙、蓝绿光LED外，还可生产微波通讯用的GaAs元件、 红外线LED(IrDA)、激光二极管LD等产品，应用层面相当广泛，成为厂商竞相投入的生 产方法。 上游 晶圆：单晶棒(Sapphire)单晶片结构设计磊晶片 成品：单晶片、磊晶片 中游 制程：金属蒸镀光罩刻蚀热处理(P、N电极制作)切割崩裂 成品：晶粒 下游 封装：晶粒粘贴打线树脂封装(剪脚) 成品：灯泡( Lamp)、数字/字元、表面粘贴式、点距阵型、集束型、以 及模组等。 图2.2.1 LED上、中、下游分工生产流程图 在整个LED产业价值中，上游磊晶最高，以目前成长率最高的高亮度LED而言， MOCVD系统是目前大规模制造蓝光、绿光和白光LED的主流生产设备。由于化合物半 导体的材料特性不稳定且易碎，如何掌握磊晶配方如:温度、压力、材料比例为此阶段的 关键技术，表2.2.1所示为主要的磊晶方法及特点。 2).中游： 13 中游产商根据元件结构的需求制作电极、 焊点(电极的大小及形状会影响LED的发光 效率和亮度)及切割成晶粒。 3).下游： 下游产商针对客户需求对元件上尺寸、 指向性等进行封装。 并对封装产品进行 性能、 可靠性等方面的测试，此阶段对于产品的成品率影响最大。 表2.2.1 不同磊晶方法比较 磊晶方法 特点 优点 缺点 主要应用 LPE 以熔融态的液体材料直接 和基板接触而沉积晶膜 操作简单 磊晶 生成速度快 具 有量产能力 磊晶薄度控制差 磊晶平整度差 传统LED VPE 以气体或电浆材料传输至 基板促使晶格表面粒子凝 结(Condensation)或解离 (Desorb) 磊晶生成速度快 量产能力尚可 磊晶薄度及平整 度控制不易 传统LED MOCVD 将有机金属以气体形式扩 散至基板促使晶格表 面 粒子凝结(Condensation) 磊晶纯度佳 磊 晶薄度控制佳 磊晶平整度佳 成本較高 良 率低 原料取 得不易 HB-LED LD VCSEL HBT 2.3 封装结构的演变 LED封装的主要目的是为了确保发光芯片和下一层电路间的电气和机械性的正确 接触，并保护发光芯片不会受到机械、热、潮湿及其它的外部冲击。同时，由于LED要 实现其光学方面的特性，封装时也需要考虑和确保其光学特性能满足要求。LED封装方 法、材料和封装设备的选取主要是由LED芯片的结构、电气/机械特性、精度和单价等因 素决定的。LED产业经过 40 多年的发展，经过了支架式LED(Lead LED)、普通贴片式 LED(Chip SMD LED)、功率LED(Power LED)、大功率LED(High Power LED)等发展历程 26。图 2.3.1 为LED发光器件封装结构的演变，从图中可以看出，LED器件封装的热阻 越来越小。 由于大功率LED芯片结构与封装散热特性的改善，即使驱动电流到 80A/cm2，甚至 高达 100A/cm2(相当于 1mm2的芯片的驱动电流达 1A)，也不会出现光输出饱和现象。相 14 比较之下，传统的低散热支架式LED，驱动电流如果超过 20 A/cm2时就会急速产生光输 出饱和问题。 从实际应用的角度来看：安装使用简单、体积相对较小的大功率 HB-LED 器件在大 部分的照明应用中必将取代传统的小功率 LED 器件。小功率的 LED 组成的照明灯具为 了达到照明的需要，必须集中许多个 LED 的光能才能达到亮度要求。带来的缺点是线 路异常复杂，散热不畅，为了平衡各个 LED 之间的电流电压关系必须设计复杂的供电 电路。相比之下，大功率 HB-LED 单芯片的功率等于若干个小功率 LED 的总和，供电 线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。 图 2.3.1 LED 封装结构的演变以及热阻的变化趋势 在完成大芯片制作后，面临着如何将大芯片进行封装的挑战。对于大功率 LED 器 件的封装方法我们并不能简单的套用传统的小功率 LED 器件的封装方法与封装材料。 简单的增大发光面积无法解决根本的散热问题和取光问题，因此也就无法达到预期的光 通量和实际应用效果。功率型 HB-LED 的热特性直接影响到 LED 的工作温度、发光效 率、发光光谱、使用寿命等性能，因此，对功率型 LED 芯片的封装设计、制造技术更 显得尤为重要。可以这样说，封装是一门技术，更是一门科学艺术。 LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比5mmLED大 10-20 倍的光 通量，必须设计有效的散热结构和选用不劣化的封装材料27来解决光衰减问题。因此， 管壳设计及其封装也是其关键技术。大的耗散功率，大的发热量，高的出光效率给我们 15 的封装工艺封装设备和封装材料提出了新的更高的要求，必须采用新的设计和封装理 念。 目前能承受数瓦功率的LED封装已出现，5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED 从 2003 年初开始供货，目前正开发可承受 10W功率的大面积管LED28，尺寸大约为 2.5 2.5mm2，可在 5A电流下工作，光输出达 2001m，作为固体照明光源有很大发展空 间。 为了解决大功率HB-LED的散热问题， 目前国际上主流封装技术一般有以下几种29： 1)硅底板倒装法： 首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸倒装焊LED芯片(Flip Chip LED， 简称 FC-Chip)30-31。 同时制备出相应尺寸的硅底板， 并在其上制作出供共晶焊接的金导电层 及引出导电层(超声金丝球焊点)。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板 焊接在一起，如图 2.1.5 所示。这样的结构较为合理，即考虑了取光问题又考虑到了散 热问题，这是目前主流的大功率HB- LED生产方式。美国LumiLeds公司在 2001 年研制 出了AlGaInN功率型倒装芯片结构，具体做法为： 第一步，在外延片顶部的 P 型 GaN：Mg 淀积厚度大于 500A 的 NiAu 层，用于欧姆 接触和背反射。 第二步，采用掩模选择刻蚀掉 P 型层和多量子阱有源层，露出 N 型层。 第三步， 淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为 11mm2，P型欧姆接触为 正方形或者圆形焊盘，N欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展 电阻降至最小。 第四步，将金属化凸点的 AlGaInN 芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的 硅载体上。 2)陶瓷底板倒装法： 先利用LED晶片厂通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的 LED芯片和相应的陶瓷底板32，并在上制作出共晶焊接导电层及引出导电层。之后利用 共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起,如图 2.3.2 所示。这样的结构考 虑了出光问题也考虑到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热的效果 非常理想，价格又相对较低所以为目前较为适宜的底板材料，并可为将来的集成电路化 一体封装伺服电路预留下了安装空间。 16 图 2.3.2 陶瓷基板 LED 阵列 3)AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光法： 美国 Cree 公司是采用 SiC 衬底制造 AlGaInN 超高亮度 LED 的全球唯一厂家， 几年 来 AlGaInN/SiC 芯片结构不断改进， 亮度不断提高。 由于 P 型和 N 型电极分别位于芯片 的底部和顶部，单引线键合，底部能与散热金属层或者硅基板直接键合，兼容性较好， 因而成为 AlGaInN LED 发展的另一主流。 2.4 白光 LED 原理 由于GaN基宽带隙半导体材料技术的突破，使得LED正在由指示和显示向家用普通 照明领域扩展，这一发展趋势使得人们把LED技术研发重点放在白光LED上面。目前， 白光LED技术主要有三种33-34，其各种实现方式的优缺点如表 2.4.1 所示。 一).用 InGaN 蓝色 HB-LED 管芯上加少量钇铝石榴石为主的荧光粉； 二).利用三基色原理将红、绿、蓝三种 HB-LED 混合成白光； 三).用紫外光 LED 激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色光混合成白光。 在 2005 年光博会(深圳)，普光科技展示出了小功率白光 LED 芯片，这种白光 LED 芯片是将两种波长的发光层重叠生长而成，而不用采用荧光粉来作为波长转换材料，是 LED 的一次革命性高科技技术的结晶，这可能也是以后白光 LED 发展的另外一个重要 方向。 我们主要采用第一种制作方法来实现白光 HB-LED，即通过 GaN 基蓝光 LED 一部 分光激发 YAG 黄色荧光粉发射出黄光，另外一部分透过荧光粉发射出来，由黄色荧光 粉发射的黄光与透射的蓝光混合后得到白光。图 2.4.1(a)、(b)是蓝光 LED 芯片发出的蓝 光透过涂敷在其周围的黄色荧光粉，荧光粉被一部分蓝光激发后发出黄光，蓝光光谱与 黄光光谱互相重叠后为白光。 17 表 2.4.1 各种实现白光 LED 方式的比较 白光LED制造方式 研发现況 优点 缺点 InGaN 系列 460nm蓝光 LED+YAG荧光材料 (555nm) 已经商品化 以单芯片产生白光，成本 较低，电源回路构造简 单， 目前发光效率60lm/w 荧光粉转换效率 不高 蓝光LED+红光 LED+绿光LED 已经商品化 显示的颜色较多种，已应 用在照明器具 每个芯片都要有 各自的电源回 路，成本较高,控 制难度高 AlGaN 系列 375nm紫外光LED+ 荧光材料 已经商品化 其荧光材料的转换效率 比YAG高， 提高白光发光 效率的可能性大 可能存在紫外光 成分 (a)蓝光芯片激发黄色荧光粉 (b)蓝光光谱与黄光光谱混合成白光 图 2.4.1 白光 LED 的合成原理以及激发光谱 这种制作方法存在两个关键：一个是 GaN 基蓝光 HB-LED，一个是作为光转换的 荧光粉材料。GaN 基蓝光 HB-LED 的选择不仅要考虑到 HB-LED 管芯本身的特性外， 还应选择合适的荧光粉材料。荧光粉的选择主要有两个必须满足条件，一个是荧光粉的 激发光谱必须与所采用的蓝光 HB-LED 管芯的发射光谱相匹配， 这样才能获得更高的光 18 转换效率；另外一个方面是荧光粉材料本身的发射光谱，其发射的黄色光谱必须能与蓝 光 HB-LED 管芯发射的管芯匹配成白光。 目前国际上通常采用的 GaN 基蓝光 HB-LED 管芯的发射波长在 460nm470nm 之 间，要求荧光粉的激发光谱也在这个范围之内，同时要匹配成白光，荧光材料的发射光 谱的波峰需在 570nm 附近。 2.5 本章小结 本章阐述了 LED 芯片的发光机理和大功率 HB-LED 芯片电极结构设计；介绍了 HB-LED 芯片制作的工艺过程以及其封装结构形式的演变；介绍白光 LED 产生的几种 方法。 19 3 光学模型分析 LED具有体积小，效率高等优点，其光电转换效率在过去三十年来快速提升，被视 为未来最具有潜力之照明光源，因此，LED的发展将在照明产业中占据重要的地位。综 观国内照明产业的历史与近年来市场分布，大多着力于照明灯具产品的开发以及照明设 计应用，而光源体的开发技术则显得薄弱。LED属于半导体产品，若能利用国内成熟的 半导体研发以及生产技术，必能在LED的发展领域中占有重要的地位。 基于上述原因，根据实验室在照明系统开发能力，并结合相关 LED 元件之关键技 术，开发 LED 照明系统，此系统的关联技术包含 LED 芯片封装设计、LED 特用电源驱 动系统设计、 以及 LED 模组化设计。 其中 LED 照明模组封装设计工作项目主要针对 LED 多芯片阵列设计技术开发，研发 LED 芯片阵列的排列、光学整体设计技术的系统方案。 LED 照明模组具备轻薄短小、效率高、寿命长等优点，模组化照明将使室内空间照明逐 渐走向个性化、弹性化的趋势，同时兼具省能源、高效率优点。 LED 光学系统关键技术问题：为方便替代原有的白炽灯与荧光灯，在新产品推广的 前期应尽可能做到灯头及灯外形尺寸与原有光源有互换性，尽可能利用原有的灯具。由 于 LED 灯是多个发光二极管的组合，发光表面既不是均匀的面光源，又不是单纯的点 光源，而是多个发光中心的集合，配光曲线与传统的光源不同，使其在许多原有灯具中 难以达到最佳照明效果。首先我们先介绍照明中要应用到的一些概念。 3.1 光度学 3.1.1 辐射量和光学量 对于可见光，通常可以用辐射量和光学 量两种系统来衡量35-37。 1)辐射量： 辐射通量：单位时间内发射、传输或者接收的辐射能。用符号表示，若在 dt 时间 内发射、传输或接收的辐射能 Q，单位 W，图 3.1.1 对应的辐射通量为： = dQ dt (3-1-1) 20 图 3.1.1 辐射通量：单位时间通过的辐射能 辐射出射度M：辐射源单位发射面积发出的辐射通量，单位W/m2 ： M = d dA (3-1-2) 辐射照度E：单位受照面积上接收的辐射通量，定义为受照面的辐射照度，假定受 照面的微面积dA上接收的辐射通量为，单位W/m2则辐射照度E为： E = d dA (3-1-3) 辐射强度 I ：点辐射源向各方向发出辐射，在某一个方向，在立体角 d 内发出的辐 射通量为 d，辐射强度 I 为：单位 W/sr，如图 3.1.2 所示。 I = d d (3-1-4) 图 3.1.2 辐射强度 I 辐射亮度L：为了表征具有有限尺寸辐射源辐射通量的空间分布，单位面积为dA的 辐射面，在和表面法线N成角方向，在元立体角d内发出的辐射通量，则辐射亮度L 为：单位W/(sr m2)。 21 2)光学量： L = d cos dA d (3-1-5) 光通量v：标度可见光对人眼的视觉刺激程度，其单位为流明(lumen)，简写为lm。 具有相同辐射通量而波长不同的可见光分别作用于人眼，人所感受的明亮程度有所不 同，这表明人的视觉对不同波长光有不同的灵敏度。人对不同波长光响应的灵敏度是波 长的函数，称为光谱光效率函数，也称为视觉函数。人眼对波长 555nm的光最为敏感， 在图 3.1.3 的视觉函数38中， 把人眼对 555nm波长光的敏感度定义为 1,对于光功率为 1W， 波长为 555nm的光反映在人眼睛中的光通量为 683lm。对于其他波长的光源来说，其光 通量为： () = 光功率 (3-1-6) v 683V() 图 3.1.3 人眼视觉曲线38 光出射度Mv： 光源单位发光面积发出的光通量。 假定光源的为微发光面积dA发出的 光通量为dv，则光出射度Mv表示为： M = dv v dA (3-1-7) 22 光照度Ev：图 3.1.4 为单位受照面积接收的光通量，单位为勒克斯(lux)，1lux 1lm/m2。 E = dv v dA (3-1-8) 图 3.1.4 光照度 发光强度Iv：点光源向各个方向发出可见光，在某一个方向，单位立体角d发出的 光通量为v，则点光源在该方向上的发光强度Iv，如图 3.1.5 所示。光强的单位为坎德 拉Candela，缩写为cd。坎德拉与流明的换算关系为：1cd1lm/sr。 I = dv v d (3-1-9) 1979 年第十六届国际计量大会对发光强度的单位坎德拉作了明确的规定： “一个光 源发出频率为 5401012Hz的单色光，在一定方向的辐射强度为 1 683 W ，则此光源在该 sr 方向上的发光强度为 1Candela。对于其他波长的光源来说，其光强度为： lm 光功率W V () I () = = v sr 683 sr (3-1-10) 23 图 31.5 点光源的发光强度，单位 cd 光亮度Lv：为了描述具有有限尺寸的发光体发出的可见光在空间的分布情况，发光 面的元面积dA，在和发光表面法线N成角的方向，在元立体角d内发出的光通量为d v，则光亮度Lv可以用式 3-1-11 表示，表 3.1.1 为常见发光表面的光亮度比较。 Lv = dv = cos dA d Iv cos dA (3-1-11) 表 3.1.1 常见发光表面的光亮度对比 表面类型 说明 平均光亮度近似值 （cd/m2） 太阳表面（从地球观察） 顶点方向 1.6109 太阳表面（从地球观察） 水平方向 6106 月亮表面（从地球观察） 亮点 2.5103 明亮的天空 平均亮度 8103 多云的天空 - 2103 60-W 白炽灯 - 1.2105 卤钨灯，3000K CCT - 1.3107 卤钨灯，3400K CCT - 3.9107 CFL（节能灯） 36-W 双管 3104 T-5 荧光灯 14-35W 2104 T-8 荧光灯 36-W 1104 T-12 荧光灯 800mA 1104 高压汞灯 1000-W 2108 氙气弧光灯 1000-W 6108 汽车头灯 6-V 1107 24 我们把辐射量与光学量的概念之间的差别与联系列成一个表格作为对比， 如表 3.1.2 所示。 表 3.1.2 辐射量与光学量对比 辐射量 光学量 量 符号 单位 定义 符号 单位 定义 辐射通量, 光通量 辐 射强度, 光强度 辐射 照度, 光照度 辐射出 射度, 光出射度 辐射 亮度, 光亮度 W dQ/dt I W/sr d/d E W/m2 d /dA M W/m2 d/dA L W/m2*sr d2/dda v Lm Iv lm/sr，cd dv/d Ev lm/m2，lx d v/dA Mv lm/m 2 d v/dA Lv lm/m2*sr d2v/dda 注释：da = dA*cos，为发光表面与接收表面法线方向的夹角 从表 3.1.2 可以得出，辐射量是对于所有的光辐射都是适用的，它们是纯物理量， 与人的视觉系统(或者接收器)的性能无关。而对于可见光，人们习惯用光学量量值系统 对之进行度量，它们之间是一一对应的关系。 3.1.2 光学量与辐射量之间的关系 在波长附近的d内，光通量v和辐 射通量()之间的关系可以表示为： dv () = KmV ()()d (3-1-12) 其中Km683lm/W是标准化因子，为波长 555nm、V()=1 单色光的绝对光谱光效 率值。()为光源的光功率谱。 那么总的光通量v，可由 上式在波长范围内积分求得： v = KmV ()()d (3-1-13) 光源总的光功率 P 可表示为： P = ()d 光辐射的流明效率为光源总的流明光通量与光源的光发射功率之比： KmV ()()d (3-1-14) le = v = ( lm ) (3-1-15) P ()d W 通常这个流明效率为人眼的视觉系统对不同波长光的灵敏度不同而造成的。 光源的发光效率：是指输入每瓦电功率所产生的光通量，单位 lm/W， 25 = v ( lm ) (3-1-16) I V W 表 3.1.3 HB-LED 发光效率的概念 量 定义 单位 内量子效率 (IQE) photons internally generated / electrons in % 取光效率(ext) photons out / photons generated % 外量子效率(EQE) photons out / electrons in % Wall-plus-efficiency (WPE) optical power out / electric power in % 电效率 (el) 发光效率 photon energy / applied electrical power lumens out / electric power in % lm/W 流明效率 (LE) lumens out / optical output power lm/W 随着 HB-LED 未来的发展趋势，无论是在指示、显示或者照明，它都是被人的视 觉系统所感知。因此，上述的概念对LED光源是十分重要的。表 3.1.3 是HB-LED发光效 率的相关概念39。其中，各种效率的对应关系如下面公式所示： 发光效率IQEextelLE (lm/W) 其中，IQEextEQE， EQEelWPE， WPELElm/W 表 3.1.4 为各种光源发光效率的比较。 表 3.1.4 各种常见光源发光效率的比较 光源类型 功率（W） 发光效率（lm/W） 白炽灯 100 17 卤钨灯 300 20 荧光灯 T5 28 100 荧光灯 T8 32 90 CFL 节能灯 26 70 汞汽灯 175 45 金属卤化物灯，低功率 100 80 金属卤化物灯，高功率 400 90 高压汞灯 1000 50 氙气弧光灯 1000 30 高压钠灯，低功率 70 90 高压钠灯，高功率 250 100 低压钠灯，U-型 180 180 高亮度-LED(单芯片) 15 2060 26 这里还有两个名词需要说明一下，即演色性(Color Rendering Index)和色温。 演色性：物体在光源下的感受与在太阳光下的感受的真实度百分比。演色性高的光 源对颜色的表现较逼真，眼睛所呈现的物体愈接近自然原味。这种逼真的效果就称为演 色性。量化指标以 Ra 或者 CRI 表示，值为 0100。 色温：光源光色的程度，将一标准黑体加热（如铁） ，温度逐渐升高，光色亦随之 改变；由红向橙红、黄、黄白、白和蓝白的过程。黑体加温到出现与光源相同或接近光 色时的温度，定义为光源的色温度，简称色温。此温度可以在色度图上之普朗克轨迹上 找到其对应点。标准黑体之温度越高,其辐射出之光线光谱中蓝色成份越多,红色成份也 就相对的越少。色温越高，光色越蓝，感觉越冷；反之，色温越低则感觉越温暖。量化 指标以 CCT (correlated colour temperature) 表示。 一个灯的光色可以简单的以色温来表示。光色主要可分成三大类： 暖色 ： 5000K 即使光色相同， 灯种间也可能因为其发出光线光谱组成不同而有很大的演色性表现 差异。 3.2 光线传播特性40-41 1)点光源在与之距离为 d 处的表面上形成的照度 E 根据照度的定义，有： E = d dA (3-2-1) 假设点光源的发光强度为 I，则有 d= I d 。d 为 dA 面对点源 S 所张的立体角 如图 3.2.1 所示，考虑 dA 的法线方向与光线传播方向成角，则有： 所以得： d= cos dA d 2 d= I cos dA d 2 (3-2-2) (3-2-3) 27 得到 dA 面上得光照度： E = I d 2 cos (3-2-4) 图 3.2.1 点光源所张的立体角 可以看出， 点光源在被照表面上形成得照度E与被照面到光源距离d成平方成反比关 系。这就是照度平方反比定律。如图 3.2.2 所示，距离光源 0.5 米处的一个被照面的照度 为 40lux（lm/m2）,那么当距离变为 1m时，该被照面的照度也减少为 10lux。 图 3.2.2 平方反比定律示意图 2)面光源在与之距离为 d 处得表面上形成的照度 E dAs代表光源的元发光面积， 它在与之距离为d、 面积为dA平面上形成的光照度为E， 则 E = d = LdAs cos 1 cos 2 (3-2-5) dA d 2 式 3-2-5 中，L为光源的光亮度；1，2分别为发光面dAs和受照面dA的法线与距 离d方向的夹角。 面光源在与之距离为d的表面上形成的光照度与光源的亮度L、面积 dAs以及两个表 28 面的发现分别与d夹角的余弦成正比，与距离d的平方成反比。 平方反比定律只适用于光源为点光源近似的情况，一般规则是测量的距离与光源的 尺寸之比大于 5，则可以把光源近似为点光源。图 3.2.3 为被测单位面的照度 E 和距离 d 与光源半径 r 比的关系。 从图 3.2.3 中可以看出，当 d 10 时，平方反比定律的误差刚好是 1%，而 r 当 d n硅树脂 n空气 ，在界面上不可避免要发生全反射现象，这样就使得有 源层中产生的光子只有一部分能出射到外界。 30 3.3.1 单个 LED 光学模型分析 图 3.3.1 形象地描述了光子如何从折射率为ns半导体有源层入射到低折射率ne树脂 中。其最大出射的圆锥角取决于临界角c，光线的出射角小于临界角时，除了一小部 分能量由于界面发生损耗外，绝大部分进入树脂材料中；而出射角大于临界角的那一部 分光线，则由于界面上的全反射，不能直接从半导体芯片中直接出射，从芯片中出射到 封装树脂中的光，最后经过树脂/空气界面，又会产生一部分能量的损失。 图 3.3.1 LED 光线在界面的折射、反射以及全反射现象 总而言之，取光效率取决于LED芯片能出射光子的表面数量，以及在这些表面出光 的效率。这对于封装树脂折射率的选择至关重要43。表 3.3.1 为部分芯片以及封装材料 折射率近似值44。 表 3.3.1 为部分芯片材料和封装材料的折射率 材料 折射率 n 材料 折射率 n Water 1.34 PVMQ 1.6 YAG 1.8 PC 1.59 MgF2 1.38 Sapphire 1.76 PMMA 1.49 GaN 2.52.7 COC 1.53 AlGaInP 3.25 31 LED光学模型如图 3.3.2 所示,包括发射芯片,特定形状的反光杯,以及封装材料45-46 。 图 3.3.2 LED 光学建模 通过芯片制造商咨询，我们才能确认LED芯片的确切结构以及