LED基础知识LED光源的封装讲义.ppt

LED基础知识/白光LED封装 陈志忠 2007/8/31,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！,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,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,+,-,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。,1.2 LED的基础知识：基本原理,PN结量子阱,1.3 LED的基础知识：历史,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。,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。,1.4.1 基本参数电学参数,正向工作电压VfIf 反向漏电流IrVr 功率P=Vf*If 测量方法,Vf,If,Ir,Vr,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）,1.4.2 光学参数,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。,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）,900 600 300 0 300 600 900 Luminous Output (mcd),若LED作为点光源，光通量F与光强IV的关系 F= IV *2p*（1cosq1/2) 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，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。,1.4.3 热学参数与可靠性,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。,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,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。,寿命的测试方法,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,Lumileds Packaging,GaN-LED芯片的基本结构,InGaN MQW active layer,Sapphire substrate,p-electrode (Ni/Au),p-electrode (Ni/Au),p-GaN layer,n-GaN layer,GaN buffer layer,芯片基本结构:flip-chip,芯片基本结构:SiC 垂直结构,芯片基本结构:金属衬底、垂直结构,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2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。 从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。半值角为520或更小。 （2）标准型。其半值角为2045。 （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100mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。,1.6 LED分类,LED分类,数码管 (Display),大功率 (High Power Led),贴片 (SMD),食人鱼 (P4),普通LED (P2),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,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,二、白光LED封装,2.1 白光LED的概念,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。,实现白光的四种方式：,4、直接发白光的 技术,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,2.2 白光LED照明的优势,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,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,坚固、寿命长,防爆灯具 军用灯具 耐腐蚀环境使用 车灯 景观照明,模拟日光的变化对生物节律的影响,延长花期，改变农作物的生长周期，提高产量 改变人体节律，提高运动员成绩，夜班工人工作效率 人文关怀的绿色照明（昼夜节律）,2.3 白光LED的基本参数,1）电学参数 2）光学参数 3）可靠性参数 4）色度学参数： 色品图CIE1931,色坐标，色温，显色指数,色品图CIE1931,色坐标， 1931年国际照明委员会确认三刺激值作为颜色的基准色，其他颜色可以从三刺激组合而成，因为三个坐标值之和X+Y+Z=1,所以色坐标往往用（x，y）表示。 色温：与光源有相同光色的绝对黑体的温度值。此温度值对应色品图上的普朗克曲线。但一般光源不会正好落在这条线上，因此光源的色温用相对色温表示，经验公式如下： 显色指数：光源还原被照射物体颜色的能力。,式中，,，,2.4白光LED封装的基本工艺,1、固晶：芯片粘在支架上 粘接胶体的选择，芯片的位置，胶体的多少 烘烤的温度，时间。 共晶焊，压力，功率，温度，时间，表面处理。 主要设备：自动固晶机asm，烘箱，等离子体清洗机，扩晶机，干燥箱 2、焊线：压力，功率，温度，时间 焊球的大小，一焊，二焊，拱丝的弧度，劈刀的型号，金丝的尺寸。 主要设备：eagle60/V,3、点荧光粉：树脂的种类，A：B胶，荧光粉的比例，分散，表面修饰，脱泡，点胶的方法。烘烤的方式，温度，时间。 主要设备：Asymtek自动点胶机，宜极邦 4、树脂密封：树脂的配比，模条的选择，封装的角度，芯片的位置。 主要设备：自动封胶机 5、长烤，提高老化性能 6、冲切，一切，二切，设备：液压冲床，全切机 7、老化、寿命测试。设备：恒温恒湿机，高低温冲击，盐雾机，老化台，热分析仪，热阻测试仪。 8、测试、分拣，根据不同的色度，光学，电学参数。主要设备：自动测试分拣机 9、包装。主要设备：包装机，回流焊机，贴片机等,2.5 白光LED的封装技术,2.5.1白光LED的提高发光效率技术 1）荧光粉的选择 相对亮度：不同厂家的荧光粉的吸收效率和转化效率相差很大。相对亮度高的荧光粉将大大提高白光发光效率。 颗粒度：尺寸和分布，颗粒大的易发生沉淀。颗粒不均匀也影响效率。 老化特性：能够耐温度，耐紫外照射。 激发波长和发射波长：荧光粉的激发波长是获得最大荧光转换效率的LED主波长；发射波长则是在该激发波长下荧光的峰值波长。,2）荧光粉的配比及胶量控制；白光胶体的选择,3）荧光粉的涂覆方式,建議Lens點透明膠 填至此處一樣高即可,建議phosphors點膠至此黃色處杯口在凸一點點,4）封装胶体的选择 全反射、高折射率材料、变折射率材料,GaN/air全反射角21.8o，透光率1/2n28% Epoxy/air全反射角35.70，透光率22%,5）绝缘胶与反射杯,绝缘胶可以使得射向底部的光线通过反射杯反射出来，可以提高光效2030。,1、固晶方法：高导热的固晶胶底面反射镜 共晶焊方法，倒装焊方法,6）降低结温,2、支架的材料和散热途径。 3、使用时有效散热。,2.5.2白光LED的光色一致性的技术,点胶工艺 配胶：搅拌脱泡 自动配胶，行星式 荧光粉的使用时间 荧光粉的颗粒和白光胶体中的抗沉淀剂 固化的温度和时间 白光分BIN的标准,荧光粉和色区的划分,2.5.3 白光LED的可靠性技术,1）结温的降低 2）银胶的导热与玻璃化温度，膨胀系数与封装胶体的匹配 3）胶体的老化： 封装胶体的耐温特性 抗紫外特性 吸水透气性 与金属、芯片的黏附性 热胀系数的匹配 4）荧光粉的老化 荧光粉的耐温特性 中间隔离胶层隔开荧光粉与芯片直接接触 5）可靠性，寿命的模型及测试，对可靠性的持续改进。 4000H-100000H!,讨论时间,2）荧光粉的配比及胶量控制；白光胶体的选择,3）荧光粉的涂覆方式,建議Lens點透明膠 填至此處一樣高即可,建議phosphors點膠至此黃色處杯口在凸一點點,4）封装胶体的选择 全反射、高折射率材料、变折射率材料,GaN/air全反射角21.8o，透光率1/2n28% Epoxy/air全反射角35.70，透光率22%,5）绝缘胶与反射杯,绝缘胶可以使得射向底部的光线通过反射杯反射出来，可以提高光效2030。,1、固晶方法：高导热的固晶胶底面反射镜 共晶焊方法，倒装焊方法,6）降低结温,2、支架的材料和散热途径。