LED基础知识-LED光源的封装(讲义).doc

本文由wugaojun119贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 江苏伯乐达光电科技有限公司 LED基础知识/白光LED封装 陈志忠 2007/8/31 江苏伯乐达光电科技有限公司 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！ 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 + - 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 N 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。 PN结量子阱 江苏伯乐达光电科技有限公司 1.3 LED的基础知识：历史 江苏伯乐达光电科技有限公司 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。 江苏伯乐达光电科技有限公司 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。 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 If Vr Ir Vf 1.4.2 光学参数 ? ? 峰值波长（p，nm），半峰宽（FWHM，nm） 色纯度：反应了单色光和白光的比例 主波长（ d，nm） ，视觉函数（V（） 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 发光功率（Po，mW)，光通量（Lf，lm）发光效率（Le， lm/W） 当Lf=632 V （） Po （ ）d ,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。 江苏伯乐达光电科技有限公司 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，光通量与光 强V的关系 = IV ?2?（1cos1/2) 60 300 若60度发光角度光强为2000mcd, 则光通量约为1.68lm 90 270 900 600 300 0 300 600 900 Luminous Output (mcd) 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 LED的结温 结温定义为LED的PN结的温度，通常芯片具有很小的 结温 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 性能变差， 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 耐热封装材料是高可靠性LED的保证。 降低结温 耐热封装材料 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 LED寿命 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 LED的光衰一般遵循以下规律： I=I0*EXP（-t/） 时间常数与温度有关系，在一定的时间内分别测 得温度1对应的时间常数1，2对应的2。我们 把LED失效的因素归结于一个激活能a，则有 =0? EXP（-Ea/） 根据上面1，2对应的两个时间常数1， 2则可 得到0与a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 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 Lumileds Packaging GaN-LED芯片的基本结构 江苏伯乐达光电科技有限公司 p-electrode (Ni/Au) p-electrode (Ni/Au) p-GaN layer InGaN MQW active layer n-GaN layer GaN buffer layer Sapphire substrate n-electrode(Ti/Al) 芯片基本结构:flip-chip 江苏伯乐达光电科技有限公司 芯片基本结构:SiC 垂直结构 江苏伯乐达光电科技有限公司 芯片基本结构:金属衬底、垂直结构 N-electrode pad ITO contact layer 江苏伯乐达光电科技有限公司 N-GaN InGaN/GaN MQW P-GaN Transparent ohmic contact Ag Reflector Cu Heat Sinking 1.6 LED分类 江苏伯乐达光电科技有限公司 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5 20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。 LED分类 江苏伯乐达光电科技有限公司 数码管 (Display) 普通LED (P2) 食人鱼 (P4) 贴片 (SMD) 大功率 (High Power Led) 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 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 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 普、深 达、江苏 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、 乐达、 江苏鸿 联 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 三基色原理。 三基色原理 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 实现白光的四种方式： 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 2.2 白光LED照明的优势 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 色品图CIE1931,色坐标， 色坐标， 色品图 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： 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 显色指数 体颜色的能力。 ， Tc = 669 A4 ? 799 A3 + 3660 A2 ? 7047 A + 5652 ( x ? 0.329 ) 式中， A = y ? 0.187 ( ) 2.4白光LED封装的基本工艺 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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。 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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% 江苏伯乐达光电科技有限公司 n4 n3 n2 n1 5）绝缘胶与反射杯 江苏伯乐达光电科技有限公司 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。 6）降低结温 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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 江苏伯乐达光电科技有限公司 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。