LED生产线设计（毕业设计-文献综述）.doc

重庆科技学院学生毕业设计（论文）文 献 综 述题目 LED生产工艺现状 院（系） 冶金与材料工程学院 专业班级 无机普2006-01 学生姓名 黎朝进 学号 2006440417 指导教师（签字） 文献综述要求1.文献综述是要求学生对所进行的课题搜集大量情报资料后综合分析而写出的一种学术论文。其特点“综”是要求对文献资料进行综合分析、归纳整理，使材料更加精练明确、更有逻辑层次；“述”就是要求对综合整理后的文献进行比较专门的、全面的、深入的、系统的描述和评价。2.文献综述中引用的中外文资料，内容必须与课题或专业方向紧密相关，理工类不得少于10篇，其它不少于12篇。3.文献综述不少于2000字。其所附注释、参考文献格式要求同正文。文献综述的评阅评阅要求：应根据学校“文献综述要求”，对学生的文献综述内容的相关性、阅读数量以及综述的文字表述情况等作具体的评价。指导教师的评语：指导教师（签字） 年 月 日LED生产工艺现状摘要：本文主要介绍了LED目前较为成熟的生产工艺流程。其中比较侧重的介绍了LED的封装技术工艺。关键词：LED， LED封装，LED应用a)b) 1 引言LED，即发光二极体，是一种能够将电能转化为可见光的半导体。与传统光源，如白炽灯和节能灯不同，LED采用电场发光和低压供电。它具有寿命长、光效高、光色纯、稳定性高、安全性好、无辐射、低功耗、抗震、耐击打等一家族优点，极有可能成为取代白炽灯和荧光灯的第四代光源，被誉为 21 世纪新固体光源时代的革命性技术。 2 LED在国内外的发展2.1 LED的起源LED问世于20世纪60年代初1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。在20世纪80年代前，LED主要作为指示灯使用，从起光色上来看只有红光、橙光、黄光和绿光等几种。这一时期属于LED的“指示应用阶段”。而在20世纪90年代初，随着LED的亮度有较大提高，LED的发展应用才进入“信号和显示阶段”1。直到1994年，蓝色、绿色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。近年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一2。2.2 LED近年来的发展近年来，全球高亮 LED 产业的集中度高，2007 年，Nichia、Osram、Citizen、Stanely、Lumileds 五大厂家市场占有率约达56%。 表1 世界主要LED厂商3公司名字主要内容日本Nichia日亚公司GaN 基高端蓝、绿、紫及紫外 LED 外延、芯片及白光技术，产 量大日本 Toyoda Gosi 丰田合成公司GaN 基蓝、绿光 LED 及白光 LED 产量很大美国 Gree 公司以 SiC 衬底的 GaN 基外延、芯片，蓝、绿 LED 及白光 LED， 产量大。美国 Lumileds 公司GaN 基蓝、率 LED 外延、芯片及白光封装技术，AlGaInP 功率 LED。德国 Osram 光电公司欧洲最大的 GaN 基蓝、率 LED 外延、芯片及白光 LED 的厂商南韩首尔半导体 Seoul SemiconductorGaN 基蓝、绿光 LED，目前技术指标较高。中国台湾晶元光电合并后的新晶电在 GaN 基蓝、绿光外延、芯片和四元系 AIGaInp 的外延、芯片，月产能分别为世界第一。而在国内，我国已经形成了 LED 外延片的生产、LED 芯片的制备、LED 芯片的封装以及LED 产品应用等完整的产业链。现阶段，从事该产业的人数达数万人，研究机构数十个，企业4000 多家，而年产值在300万以上的有150余家，其中年产值上千万的有20余家4。近几年，在“国家半导体照明工程”的推动下，已形成了上海、大连、南昌、厦门和深圳等国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区，成为大陆LED 产业发展的聚集地，已初步形成有优势、有配套能力、有公共测试服务的产业集群，有效带动了大陆LED 整个产业的发展。 3 LED制造工艺LED的种类不同，各个生产厂家所采用的工艺也不尽相同。无论是选择何种技术路线和实现方法，都会包含材料制备、芯片制造和封装这三个基本环节，如图1所示。材料制备芯片制造外延片生长衬底退火、光刻、刻蚀、金属电极蒸发、合金化、介质膜光学电学测试表面MOCVD外延片生长GaAs蓝宝石SiC在线芯片测试（光学、波长、亮度、电学）磨片划片（切片）目检快速结果检验及对MOCVD生长的反馈高纯氮/氨三甲基镓二乙基铟分选包装封装检测老化入库包装注胶目检引线贴片图1 LED基本工艺流程3.1 材料制备 半导体器件的衬底材料也称为基片材料，外延层都是在衬底材料上生长获得的。常见的衬底材料主要有：蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）、硅（Si）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、氧化锌（ZnO）。它们各自的优缺点如表2所示。名称优点缺点蓝宝石（Al2O3）化学稳定性好，不吸收可见光，透光性好，制备技术比较成熟，价格适中。晶格失配性差，导电性和导热性欠佳，硬度高不易加工。碳化硅（SiC）化学稳定性好，不吸收可见光，有优异的导电性和导热性等。价格较高，机械加工性能较差，晶体质量难以与蓝宝石和硅媲美。硅（Si）晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，有良好的导电性、导热性和热稳定性。与GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，在生长过程中容易形成非晶氮化硅（SiN）。氮化镓（GaN）是用于生长GaN外延层的最理想的衬底。可以大大提高外延膜晶体质量，降低位错密度，提高LED发光效率、电流密度和寿命。制备非常困难，且价格高，使其实现商品化受限制。砷化镓（GaAs）晶格常熟比较匹配，可以制成无位错单晶，加工方便，价格比较便宜。吸光材料，影响LED的发光率。氧化锌（ZnO）与GaN相似。在GaN外延生长的温度和气氛中容易发生分解和被腐蚀。 表1 各种衬底材料3.2 LED的外延工艺技术 外延的主要目的是指在衬底基片上向外拓延生长一定厚度的半导体薄层。外延层与衬底材料可以相同，也可以不同。它是LED的核心部分，它基本上决定了LED的波长（光色）、亮度和正向压降等光电参数。因此对外延材料的要求也相当的严格，通常需要满足以下几点： 要求有合适的带隙宽度Eg。它直接决定了LED的波长：=1240/Eg。 可获得高电导率的P型和N型晶体，以制备优良的PN结。 可获得完整性好的优良晶体。 发光符合概率大。主要的几种外延材料：AlInGaP、GaN、AlInGaN、AlGaAs等。目前有很多种方法可以实现外延材料的生长，其中包括液相外延（LPE）、气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）和金属有机物化学气相沉积（MOCVD）外延等。而现在较为常用的就是MOCVD技术，它是VPE技术上发展起来的。是生长III-V族、II-VI族化合物及合金薄膜单晶的主要方法。图2为MOCVD设备的系统框图。 加热和温度控制废气处理气体输送反应器计算机控制、安全控制图2 MOCVD设备系统框图5其设备的主要特点是：a.所有原材料都以气体形式输入到反应腔，可以通过精确的控制各种源和掺杂剂气体流量来控制外延层的组分、掺杂浓度和厚度等。b.晶体生长以热分解的方式进行，系单温区外延生长，因此设备简单，重复性好，便于批量生产。c.晶体的生长速率取决于源的供应量，并且可以在较大范围内调整外延生长速度。d.采用低压生长，可减小外延生长过程中的存储效应和过渡效应，异质界面能够实现但原子层突变，适合超薄结构生长。3.3 LED的芯片技术 LED的芯片结构设计是一种非常复杂的系统工程，其内容涉及以提高注入效率和光效为目的的电致发光结构设计、以提高光学出光效率为目的的光引出结构设计和与光效密切相关的电极设计等。 而提高LED发光效率的技术途径主要有：优化芯片发光层能带结构、提高光引出效率的芯片技术（其中包括了在芯片与电极之间加入厚窗口层、剥离与透明衬底技术、双反射(DR)和分布式布拉格反射（DBR）结构、倒装芯片技术、表面粗糙化纹理结构、微芯片阵列和异性芯片技术等。）、电极和电流扩展技术。而最新研究的大电流驱动的垂直结构芯片将会在保证发光效率和提高光通量的情况下提高性价比。为LED照明的普及作出重要贡献，但目前该技术仍有很多不成熟的地方6。 目前的外延技术可以使得InGaN有源层在常温和普通注入电流条件下的内量子效率达90%95%，但当温度升高时，内量子效率会明显下降。因此，为了提高芯片的发光效率，必须控制温度和提高出光效率。根据目前LED芯片技术的发展现状，该领域未来研发的重点主要包括衬底剥离技术、表面粗化技术、基于二维光电子晶体的微结构技术、倒装芯片技术、全方位反射膜技术、芯片表面处理技术、提高侧向出光效率技术及大功率大尺寸芯片制造技术等几个方面。其中，照明级芯片制备技术是今后研究的重中之重，它直接影响半导体照明的发展进程。3.4 LED的封装技术封装是构成LED器件实体的重要组成部分。虽然LED的封装与晶体三极管这类半导体分立器件的封装一样，都具有保护芯片不受外界环境影响和提高器件导热能力等功能，但是LED的封装却觉有很大的特殊性，它还有一个更重要的作用是提高出光效率，并实现特定的光学分布，输出可见光。由此可见，LED的封装除了电学参数外，还有光学参数的技术要求和专门设计。为了使LED的性能更好，人们正在努力地在封装形式和材料选择，还有散热技术方面做改进。3.4.1 引脚式封装引脚式LED通常都带有阳极和阴极两个引脚，采用单列或双列直插式多芯片封装，少数器件则带有多个引脚。这种技术就是将LED芯片黏结在引线架上。芯片的正极用金丝键合连到另一引线架上。负极用银浆粘接在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连，然后顶部用环氧树脂包封。其工艺要求是：出光效率要高，要选择好的芯片和封装材料进行一次光学设计，采用合适的工艺，精心操作达到理想的出光效率。均匀性好，合格率高，黑灯率控制在3/10000。光斑均匀、色温一致引脚干净无污点。圆头插脚式LED是普遍采用的封装形式。这种封装用环氧树脂作为包封材料，芯片约90%的热量由引线架（主要是阴极引线架）传递到印制电路板（PCB）上，再散发到空气中。而新的研究表明以纳米MgO为填料，添加环氧树脂AB胶固化体系中，可以增强固化物的导热性能，同时少量的MgO还影响固化物的透光性7。通常环氧树脂的直径有5.0mm、4.0mm、3.0mm和2.0mm等规格，发光角（21/2）的范围可达18120。透镜头可以做成是椭圆头、矩形头、斜面头、三角形和阶梯形等，以实现不同的配光要求。透镜头也可以采用无色透明材料，也可以做成半透明磨砂透镜，还可以做成彩色透镜，以改变出射光的颜色。作为阳极和阴极的引脚，可以选用镀银的铜、铁材料，其形状有直形和带肩形等。3.4.2表面贴装封装表面贴装技术应用于LED生产始于20世纪80年代，表面贴装是LED重要的封装形式。该技术封装出的二极管具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点。广泛用于手机、笔记本计算机等。塑料带引线片式载体是LED重要的一种封装形式。表面贴装中的PLCC-2和PLCC-4系列现已成为被广泛采用的工业标准。PLCC通常采用的是塑料材料作为LED的外壳，将LED芯片放在顶部凹槽处，底部封以金属片状引脚，其特点是结构紧凑，可以进行波峰焊或者回流焊，适合规模化生产的要求。采用该封装形式的LED发光角比较大，发光视角（21/2）的范围为100160。如果在LED顶部加封塑料透镜头，其发光角度可达60。除PLCC-2和PLCC-4外，还有0603、0805、1206、5050、3528等形式。本设计主要是SMD3528产品的封装。该封装技术常用的生产设备主要有固晶机、焊线机、烤箱、电子秤、分光机、包装机、点胶机、真空机等。所用的质量检验设备就有LED光色热电性能综合测试仪、积分球、光学显微镜、LED热性能测试箱等。表面贴片封装一般有两种结构：一种为金属支架片式LED，另一种为PCB片式LED。具体工艺流程如图3所示：烘干固化封装金丝键合银浆固化芯片安放出货检查编带测试分选划片 图3 表面贴片封装工艺流程图8 由于LED采用表面贴片式封装，较好的解决了亮度、视角平整度、一致性和可靠性等诸多问题，故成为了发展的热点。3.4.3 功率型LED封装技术功率型LED分普通功率LED（小于1W）和W级（照明级）功率LED（大于1W）两种类型。后者广泛应用于现在的节能照明。是未来半导体照明的核心器件，同时也是LED引领21世纪照明领域新潮流的希望所在。这种封装应在绝缘体下表面用一种导热（绝缘）胶把LED芯片与热沉黏合，上面把两个电极用金丝焊出。特别要注意大功率LED通过的电流大，1WLED的电流一般为350mA，所以连接时要用粗金丝。不过有时粗金丝不适用于焊线机，也可以并联焊两根金丝，这样使每根金丝通过的电流减少。这种芯片的烘干温度是100150，时间一般是6090min。在封装大功率LED时，由于点亮时发热量比较大，可以在LED芯片上盖一层硅凝胶，而不可用环氧树脂。这样做一方面可防止金丝热胀冷缩与环氧树脂不一致而被拉断；另一方面防止因温度高而使环氧树脂变黄变污，结果透光性不好，所以在制作白光LED时应用硅凝胶调和荧光粉。而实验表面荧光粉的粒径指标对白光LED光衰有较大的影响9。目前这种大功率LED的电转换率约为15%，其余85%的电能转化为热能，而芯片尺寸仅为1mm1mm2.5mm2.5mm，芯片的功率密度非常大，所以散热是保证LED品质的重要环节10。如果热量不能有效散出，则会导致芯片温度过高，引起热应力分布不均匀，芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。所以解决封装问题是功率型LED封装的一个关键环节。选择好封装材料能够很好的解决散热问题。通常我们所用的是环氧树脂封装，但它固化后交联密度高，内应力大，脆性大，耐冲击性差，使用温度一般不能超过150，而有机硅封装材料能够增强透过率和耐热老化、耐紫外老化性能，并且具有高折射率。是现在最合适的封装大功率的材料11。除以上几种封装技术外，还有食人鱼LED封装、手工封装、自动化封装、多芯片集成封装等。在此就不做详细介绍