发光二极管资料

发光二极管资料发光二极管资料 一 生产工艺一 生产工艺 1 工艺 a 清洗 采用超声波清洗 PCB 或 LED 支架 并烘干 b 装架 在 LED 管芯 大圆片 底部电极备上银胶后进行扩张 将扩张后的管芯 大圆片 安置在刺晶台上 在显微镜下用刺晶笔 将管芯一个一个安装在 PCB 或 LED 支架相应的焊盘上 随后进行烧结使银胶固化 c 压焊 用铝丝或金丝焊机将电极连接到 LED 管芯上 以作电流注入的引线 LED 直接安装在 PCB 上的 一般采用铝丝焊机 制作 白光 TOP LED 需要金线焊机 d 封装 通过点胶 用环氧将 LED 管芯和焊线保护起来 在 PCB 板上点胶 对固化后胶体形状有严格要求 这直接关系到背光源成品 的出光亮度 这道工序还将承担点荧光粉 白光 LED 的任务 e 焊接 如果背光源是采用 SMD LED 或其它已封装的 LED 则在装配工艺之前 需要将 LED 焊接到 PCB 板上 f 切膜 用冲床模切背光源所需的各种扩散膜 反光膜等 g 装配 根据图纸要求 将背光源的各种材料手工安装正确的位置 h 测试 检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好 包装 将成品按要求包装 入库 二 封装工艺二 封装工艺 1 LED 的封装的任务 是将外引线连接到 LED 芯片的电极上 同时保护好 LED 芯片 并且起到提高光取出效率的作用 关键工序有装架 压焊 封装 2 LED 封装形式 LED 封装形式可以说是五花八门 主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸 散热对策和出光效果 LED 按封装形式分类有 Lamp LED TOP LED Side LED SMD LED High Power LED 等 3 3 LEDLED 封装工艺流程封装工艺流程 4 4 封装工艺说明 封装工艺说明 1 1 芯片检验芯片检验 镜检 材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑 lockhill 芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求 电极图案是否完整 2 2 扩片扩片 由于 LED 芯片在划片后依然排列紧密间距很小 约 0 1mm 不利于后工序的操作 我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张 是 LED 芯 片的间距拉伸到约 0 6mm 也可以采用手工扩张 但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题 3 3 点胶点胶 在 LED 支架的相应位置点上银胶或绝缘胶 对于 GaAs SiC 导电衬底 具有背面电极的红光 黄光 黄绿芯片 采用银胶 对于蓝宝 石绝缘衬底的蓝光 绿光 LED 芯片 采用绝缘胶来固定芯片 工艺难点在于点胶量的控制 在胶体高度 点胶位置均有详细的工艺要求 由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求 银胶的醒料 搅拌 使用时间都是工艺上必须注意的事项 4 4 备胶备胶 和点胶相反 备胶是用备胶机先把银胶涂在 LED 背面电极上 然后把背部带银胶的 LED 安装在 LED 支架上 备胶的效率远高于点胶 但 不是所有产品均适用备胶工艺 5 5 手工刺片手工刺片 将扩张后 LED 芯片 备胶或未备胶 安置在刺片台的夹具上 LED 支架放在夹具底下 在显微镜下用针将 LED 芯片一个一个刺到相应的位 置上 手工刺片和自动装架相比有一个好处 便于随时更换不同的芯片 适用于需要安装多种芯片的产品 6 6 自动装架自动装架 自动装架其实是结合了沾胶 点胶 和安装芯片两大步骤 先在 LED 支架上点上银胶 绝缘胶 然后用真空吸嘴将 LED 芯片吸起移动 位置 再安置在相应的支架位置上 自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程 同时对设备的沾胶及安装精度进行调整 在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴 防止对 LED 芯片表面的损伤 特别是兰 绿色芯片必须用胶木的 因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层 7 7 烧结烧结 烧结的目的是使银胶固化 烧结要求对温度进行监控 防止批次性不良 银胶烧结的温度一般控制在 150 烧结时间 2 小时 根据实际情况可以调整到 170 1 小时 绝缘胶一般 150 1 小时 银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔 2 小时 或 1 小时 打开更换烧结的产品 中间不得随意打开 烧结烘箱不得再其他用途 防止污染 8 8 压焊压焊 压焊的目的将电极引到 LED 芯片上 完成产品内外引线的连接工作 LED 的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种 右图是铝丝压焊的过程 先在 LED 芯片电极上压上第一点 再将铝丝拉到相应的支架上方 压上第二点后扯断铝丝 金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球 其余过程类似 压焊是 LED 封装技术中的关键环节 工艺上主要需要监控的是压焊金丝 铝丝 拱丝形状 焊点形状 拉力 对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题 如金 铝 丝材料 超声功率 压焊压力 劈刀 钢嘴 选用 劈刀 钢嘴 运动轨迹等 等 下图是同等条件下 两种不同的劈刀压出的焊点微观照片 两者在微观结构上存在差别 从而影响着产品质量 我们在这里不 再累述 9 9 点胶封装点胶封装 LED 的封装主要有点胶 灌封 模压三种 基本上工艺控制的难点是气泡 多缺料 黑点 设计上主要是对材料的选型 选用结合良好的 环氧和支架 一般的 LED 无法通过气密性试验 如右图所示的 TOP LED 和 Side LED 适用点胶封装 手动点胶封装对操作水平要求很 高 特别是白光 LED 主要难点是对点胶量的控制 因为环氧在使用过程中会变稠 白光 LED 的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的 问题 10 10 灌胶封装灌胶封装 Lamp LED 的封装采用灌封的形式 灌封的过程是先在 LED 成型模腔内注入液态环氧 然后插入压焊好的 LED 支架 放入烘箱让环氧固化 后 将 LED 从模腔中脱出即成型 11 11 模压封装模压封装 将压焊好的 LED 支架放入模具中 将上下两副模具用液压机合模并抽真空 将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道 中 环氧顺着胶道进入各个 LED 成型槽中并固化 12 12 固化与后固化固化与后固化 固化是指封装环氧的固化 一般环氧固化条件在 135 1 小时 模压封装一般在 150 4 分钟 13 13 后固化后固化 后固化是为了让环氧充分固化 同时对 LED 进行热老化 后固化对于提高环氧与支架 PCB 的粘接强度非常重要 一般条件为 120 4 小时 14 14 切筋和划片切筋和划片 由于 LED 在生产中是连在一起的 不是单个 Lamp 封装 LED 采用切筋切断 LED 支架的连筋 SMD LED 则是在一片 PCB 板上 需要划片 机来完成分离工作 15 15 测试测试 测试 LED 的光电参数 检验外形尺寸 同时根据客户要求对 LED 产品进行分选 16 包装包装 将成品进行计数包装 超高亮 LED 需要防静电包装 LEDLED 封装结构及技术封装结构及技术 1 1 引言引言 LED 是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件 具有工作电压低 耗电量小 发光效率高 发光响应时间极短 光色纯 结 构牢固 抗冲击 耐振动 性能稳定可靠 重量轻 体积小 成本低等一系列特性 发展突飞猛进 现已能批量生产整个可见光谱段各 种颜色的高亮度 高性能产品 国产红 绿 橙 黄的 LED 产量约占世界总量的 12 十五 期间的产业目标是达到年产 300 亿只的 能力 实现超高亮度 AiGslnP 的 LED 外延片和芯片的大生产 年产 10 亿只以上红 橙 黄超高亮度 LED 管芯 突破 GaN 材料的关键技术 实现蓝 绿 白的 LED 的中批量生产 据预测 到 2005 年国际上 LED 的市场需求量约为 2000 亿只 销售额达 800 亿美元 在 LED 产业链接中 上游是 LED 衬底晶片及衬底生产 中游的产业化为 LED 芯片设计及制造生产 下游归 LED 封装与测试 研发低热阻 优异光学特性 高可靠的封装技术是新型 LED 走向实用 走向市场的产业化必经之路 从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带 只有 封装好的才能成为终端产品 才能投入实际应用 才能为顾客提供服务 使产业链环环相扣 无缝畅通 2 2 LEDLED 封装的特殊性封装的特殊性 LED 封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的 但却有很大的特殊性 一般情况下 分立器件的管芯被密封在封装体 内 封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连 而 LED 封装则是完成输出电信号 保护管芯正常工作 输出 可见光的功能 既有电 参数 又有光参数的设计及技术要求 无法简单地将分立器件的封装用于 LED LED 的核心发光部分是由 p 型和 n 型半导体构成的 pn 结管芯 当注入 pn 结的少数载流子与多数载流子复合时 就会发出可见光 紫外光 或近红外光 但 pn 结区发出的光子是非定向的 即向各个方向发射有相同的几率 因此 并不是管芯产生的所有光都可以释放出来 这 主要取决于半导体材料质量 管芯结构及几何形状 封装内部结构与包封材料 应用要求提高 LED 的内 外部量子效率 常规 5mm 型 LED 封装是将边长 0 25mm 的正方形管芯粘结或烧结在引线架上 管芯的正极通过球形接触点与金丝 键合为内引线与一条管脚相连 负 极通过反射杯和引线架的另一管脚相连 然后其顶部用环氧树脂包封 反射杯的作用是收集管芯侧面 界面发出的光 向期望的方向角 内发射 顶部包封的环氧树脂做成一定形状 有这样几种作用 保护管芯等不受外界侵蚀 采用不同的形状和材料性质 掺或不掺散色剂 起透镜或漫射透镜功能 控制光的发散角 管芯折射率与空气折射率相关太大 致使管芯内部的全反射临界角很小 其有源层产生的光 只有小部分被取出 大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收 易发生全反射导致过多光损失 选用相应折射率的环氧树脂作过渡 提 高管芯的光出射效率 用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性 绝缘性 机械强度 对管芯发出光的折射率和透射率高 选择不同折射 率的封装材料 封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的 发光强度的角分布也与管芯结构 光输出方式 封装透镜所用材质和形 状有关 若采用尖形树脂透镜 可使光集中到 LED 的轴线方向 相应的视角较小 如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型 其相应视角将 增大 一般情况下 LED 的发光波长随温度变化为 0 2 0 3nm 光谱宽度随之增加 影响颜色鲜艳度 另外 当正向电流流经 pn 结 发 热性损耗使结区产生温升 在室温附近 温度每升高 1 LED 的发光强度会相应地减少 1 左右 封装散热 时保持色纯度与发光强度 非常重要 以往多采用减少其驱动电流的办法 降低结温 多数 LED 的驱动电流限制在 20mA 左右 但是 LED 的光输出会随电流的增大 而增加 目前 很多功率型 LED 的驱动电流可以达到 70mA 100mA 甚至 1A 级 需要改进封装结构 全新的 LED 封装设计理念和低热阻封 装结构及技术 改善热特性 例如 采用大面积芯片倒装结构 选用导热性能好的银胶 增大金属支架的表面积 焊料凸点的硅载体直 接装在热沉上等方法 此外 在应用设计中 PCB 线路板等的热设计 导热性能也十分重要 进入 21 世纪后 LED 的高效化 超高亮度化 全色化不断发展创新 红 橙 LED 光效已达到 100Im W 绿 LED 为 501m W 单只 LED 的 光通量也达到数十 Im LED 芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式 在增加芯片的光输出方面 研发不仅仅限于改变材料 内杂质数量 晶格缺陷和位错来提高内部效率 同时 如何改善管芯及封装内部结构 增强 LED 内部产生光子出射的几率 提高光效 解决散热 取光和热沉优化设计 改进光学性能 加速表面贴装化 SMD 进程更是产业界研发的主流方向 3 3 产品封装结构类型产品封装结构类型 自上世纪九十年代以来 LED 芯片及材料制作技术的研发取得多项突破 透明衬底梯形结构 纹理表面结构 芯片倒装结构 商品化的超 高亮度 1cd 以上 红 橙 黄 绿 蓝的 LED 产品相继问市 如表 1 所示 2000 年开始在低 中光通量的特殊照明中获得应用 LED 的上 中游产业受到前所未有的重视 进一步推动下游的封装技术及产业发展 采用不同封装结构形式与尺寸 不同发光颜色的管芯及其双色 或三色组合方式 可生产出多种系列 品种 规格的产品 LED 产品封装结构的类型如表 2 所示 也有根据发光颜色 芯片材料 发光亮度 尺寸大小等情况特征来分类的 单个管芯一般构成点光 源 多个管芯组装一般可构成面光源和线光源 作信息 状态指示及显示用 发光显示器也是用多个管芯 通过管芯的适当连接 包括串 联和并联 与合适的光学结构组合而成的 构成发光显示器的发光段和发光点 表面贴装 LED 可逐渐替代引脚式 LED 应用设计更灵活 已在 LED 显示市场中占有一定的份额 有加速发展趋势 固体照明光源有部分产品上市 成为今后 LED 的中 长期发展方向 4 4 引脚式封装引脚式封装 LED 脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚 是最先研发成功投放市场的封装结构 品种数量繁多 技术成熟度较高 封装内结构与 反射层仍在不断改进 标准 LED 被大多数客户认为是目前显示行业中最方便 最经济的解决方案 典型的传统 LED 安置在能承受 0 1W 输入功率的包封内 其 90 的热量是由负极的引脚架散发至 PCB 板 再散发到空气中 如何降低工作时 pn 结的温升是封装与应用必须考 虑的 包封材料多采用高温固化环氧树脂 其光性能优良 工艺适应性好 产品可靠性高 可做成有色透明或无色透明和有色散射或无 色散射的透镜封装 不同的透镜形状构成多种外形及尺寸 例如 圆形按直径分为 2mm 3mm 4 4mm 5mm 7mm 等数种 环 氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果 花色点光源有多种不同的封装结构 陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能 引脚 可弯曲成所需形状 体积小 金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯 适作电源指示用 闪烁式将 CMOS 振荡电路芯片与 LED 管芯 组合封装 可自行产生较强视觉冲击的闪烁光 双色型由两种不同发光颜色的管芯组成 封装在同一环氧树脂透镜中 除双色外还可获 得第三种的混合色 在大屏幕显示系统中的应用极为广泛 并可封装组成双色显示器件 电压型将恒流源芯片与 LED 管芯组合封装 可 直接替代 5 24V 的各种电压指示灯 面光源是多个 LED 管芯粘结在微型 PCB 板的规定位置上 采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成 PCB 板的不同设计确定外引线排列和连接方式 有双列直插与单列直插等结构形式 点 面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸 供市 场及客户适用 LED 发光显示器可由数码管或米字管 符号管 矩陈管组成各种多位产品 由实际需求设计成各种形状与结构 以数码管为例 有反射罩 式 单片集成式 单条七段式等三种封装结构 连接方式有共阳极和共阴极两种 一位就是通常说的数码管 两位以上的一般称作显示 器 反射罩式具有字型大 用料省 组装灵活的混合封装特点 一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳 将单个 LED 管芯粘结在 与反射罩的七个反射腔互相对位的 PCB 板上 每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区 用压焊方法键合引线 在反射罩内滴人 环氧树脂 与粘好管芯的 PCB 板对位粘合 然后固化即成 反射罩式又分为空封和实封两种 前者采用散射剂与染料的环氧树脂 多用 于单位 双位器件 后者上盖滤色片与匀光膜 并在管芯与底板上涂透明绝缘胶 提高出光效率 一般用于四位以上的数字显示 单片 集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯 然后划片分割成单片图形管芯 粘结 压焊 封装带透镜 俗称鱼眼透镜 的 外壳 单条七段式将已制作好的大面积 LED 芯片 划割成内含一只或多只管芯的发光条 如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上 经压焊 环氧树脂封装构成 单片式 单条式的特点是微小型化 可采用双列直插式封装 大多是专用产品 LED 光柱显示器在 106mm 长 度的线路板上 安置 101 只管芯 最多可达 201 只管芯 属于高密度封装 利用光学的折射原理 使点光源通过透明罩壳的 13 15 条光 栅成像 完成每只管芯由点到线的显示 封装技术较为复杂 半导体 pn 结的电致发光机理决定 LED 不可能产生具有连续光谱的白光 同时单只 LED 也不可能产生两种以上的高亮度单色光 只能在封 装时借助荧光物质 蓝或紫外 LED 管芯上涂敷荧光粉 间接产生宽带光谱 合成白光 或采用几种 两种或三种 多种 发不同色光的管 芯封装在一个组件外壳内 通过色光的混合构成白光 LED 这两种方法都取得实用化 日本 2000 年生产白光 LED 达 1 亿只 发展成一类 稳定地发白光的产品 并将多只白光 LED 设计组装成对光通量要求不高 以局部装饰作用为主 追求新潮的电光源 5 5 表面贴装封装表面贴装封装 在 2002 年 表面贴装封装的 LED SMD LED 逐渐被市场所接受 并获得一定的市场份额 从引脚式封装转向 SMD 符合整个电子行业发展大 趋势 很多生产厂商推出此类产品 早期的 SMD LED 大多采用带透明塑料体的 SOT 23 改进型 外形尺寸 3 04 1 11mm 卷盘式容器编带包装 在 SOT 23 基础上 研发出 带透镜的高亮度 SMD 的 SLM 125 系列 SLM 245 系列 LED 前者为单色发光 后者为双色或三色发光 近些年 SMD LED 成为一个发展热 点 很好地解决了亮度 视角 平整度 可靠性 一致性等问题 采用更轻的 PCB 板和反射层材料 在显示反射层需要填充的环氧树脂 更少 并去除较重的碳钢材料引脚 通过缩小尺寸 降低重量 可轻易地将产品重量减轻一半 最终使应用更趋完美 尤其适合户内 半户外全彩显示屏应用 表 3 示出常见的 SMD LED 的几种尺寸 以及根据尺寸 加上必要的间隙 计算出来的最佳观视距离 焊盘是其散热的重要渠道 厂商提供 的 SMD LED 的数据都是以 4 0 4 0mm 的焊盘为基础的 采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等 超高亮度 LED 产品可采用 PLCC 塑封带 引线片式载体 2 封装 外形尺寸为 3 0 2 8mm 通过独特方法装配高亮度管芯 产品热阻为 400K W 可按 CECC 方式焊接 其发光 强度在 50mA 驱动电流下达 1250mcd 七段式的一位 两位 三位和四位数码 SMD LED 显示器件的字符高度为 5 08 12 7mm 显示尺寸 选择范围宽 PLCC 封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序 符合自动拾取 贴装设备的生产要求 应用设计空 间灵活 显示鲜艳清晰 多色 PLCC 封装带有一个外部反射器 可简便地与发光管或光导相结合 用反射型替代目前的透射型光学设计 为大范围区域提供统一的照明 研发在 3 5V 1A 驱动条件下工作的功率型 SMD LED 封装 6 6 功率型封装功率型封装 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 必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光 衰问题 因此 管壳及封装也是其关键技术 能承受数 W 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 白光 LED 光输出达 1871m 光效 44 31m W 绿光衰问题 开发出可承受 10W 功率的 LED 大面积管 匕尺寸为 2 5 2 5mm 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 Luxeon 系列功率 LED 是将 A1GalnN 功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上 然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳 中 键合引线进行封装 这种封装对于取光效率 散热性能 加大工作电流密度的设计都是最佳的 其主要特点 热阻低 一般仅为 14 W 只有常规 LED 的 1 10 可靠性高 封装内部填充稳定的柔性胶凝体 在 40 120 范围 不会因温度骤变产生的内应力 使金 丝与引线框架断开 并防止环氧树脂透镜变黄 引线框架也不会因氧化而玷污 反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最 高 另外 其输出光功率 外量子效率等性能优异 将 LED 固体光源发展到一个新水平 Norlux 系列功率 LED 的封装结构为六角形铝板作底座 使其不导电 的多芯片组合 底座直径 31 75mm 发光区位于其中心部位 直径约 0 375 25 4 mm 可容纳 40 只 LED 管芯 铝板同时作为热沉 管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正 负极连接 根据所 需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目 可组合封装的超高亮度的 AlGaInN 和 AlGaInP 管芯 其发射光分别为单色 彩色或 合成的白色 最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封 这种封装采用常规管芯高密度组合封装 取光效率高 热阻低 较好地 保护管芯与键合引线 在大电流下有较高的光输出功率 也是一种有发展前景的 LED 固体光源 在应用中 可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯 PCB 板上 形成功率密度 LED PCB 板作为器件电极连接的布线之用 铝芯夹 层则可作热沉使用 获得较高的发光通量和光电转换效率 此外 封装好的 SMD LED 体积很小 可灵活地组合起来 构成模块型 导光 板型 聚光型 反射型等多姿多彩的照明光源 功率型 LED 的热特性直接影响到 LED 的工作温度 发光效率 发光波长 使用寿命等 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 7 7 LEDLED 发展及应用前景发展及应用前景 近几年 LED 的发光效率增长 100 倍 成本下降 10 倍 广泛用于大面积图文显示全彩屏 状态指示 标志照明 信号显示 液晶显示器 的背光源 汽车组合尾灯及车内照明等等方面 其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入 LED 光源及市场开发中 极具发展与应用前 景的是白光 LED 用作固体照明器件的经济性显著 且有利环保 正逐步取代传统的白炽灯 世界年增长率在 20 以上 美 日 欧及 中国台湾省均推出了半导体照明计划 目前 普通白光 LED 发光效率 251m W 专家预计 2005 年可能超过 3001m W 功率型 LED 优异的 散热特性与光学特性更能适应普通照明领域 被学术界和产业界认为是 LED 进入照明市场的必由之路 为替代荧光灯 白光 LED 必须具 有 150 2001m W 的光效 且每 Im 的价格应明显低于 0 015 Im 现价约 0 25 Im 红 LED 为 0 065 Im 要实现这一目标仍有很 多技术问题需要研究 但克服解决这些问题并不是十分遥远的事 按固体发光物理学原理 LED 的发光效率能近似 100 因此 LED 被 誉为 21 世纪新光源 有望成为继白炽灯 荧光灯 高强度气体放电灯之后的第四代光源 8 8 结束语结束语 国内 LED 产业中有 20 余家上 中游研制及生产单位和 150 余家后道封装企业 高端封装产品还未见推向市场 目前 完成 GaN 基蓝绿光 LED 中游工艺技术产业化研究 力争在短期内使产品的性能指标达到国外同时期同类产品的水平 力争在较短时间内达到月产 10kk 的生 产能力 开发白光照明光源用的功率型 LED 芯片等新产品 科技部将投入 8000 万元资金 启动国家半导体照明工程 注意终端产品 先 从特种产品做起 以汽车 城市景观照明作为市场突破口 把大功率 高亮度 LED 放在突出位置 它的成果将要服务于北京奥运会和上 海世博会 无庸质疑 产业链中的衬底 外延 芯片 封装 应用需共同发展 多方互动培植 封装是产业链中承上启下部分 需要关 注与重视 高亮度高亮度 LEDLED 之封装光通原理技术分析之封装光通原理技术分析 编者按 毫无疑问的 这个世界需要高亮度发光二极管 High Brightness Light Emitting Diode HB LED 不仅是高亮度的白光 LED HB WLED 也包括高亮度的各色 LED 且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮 度的 LED Ultra High Brightness LED 简称 UHD LED 用 LED 背光取代手持装置原有的 EL 背光 CCFL 背光 不仅电路设计更简洁容易 且有较高的外力抗受性 用 LED 背光取代液晶电视原有的 CCFL 背光 不仅更环保而且显示更逼真亮丽 用 LED 照明取代白光灯 卤素灯等照明 不仅更光亮省电 使用也更长效 且点亮反应更快 用于煞车灯时能减少后车追撞率 所以 LED 从过去只能用在电子装置的状态指示灯 进步到成为液晶显示的背光 再扩展到电子照明及公众显示 如车用灯 交通号志灯 看板讯息跑马灯 大型影视墙 甚至是投影机内的照明等 其应用仍在持续延伸 更重要的是 LED 的亮度效率就如同摩尔定律 Moore s Law 一样 每 24 个月提升一倍 过去认为白光 LED 只能 用来取代过于耗电的白炽灯 卤素灯 即发光效率在 10 30lm W 内的层次 然而在白光 LED 突破 60lm W 甚至达 100lm W 后 就连荧光灯 高压气体放电灯等也开始感受到威胁 虽然 LED 持续增强亮度及发光效率 但除了最核心的荧光质 混光等专利技术外 对封装来说也将是愈来愈大的 挑战 且是双重难题的挑战 一方面封装必须让 LED 有最大的取光率 最高的光通量 使光折损降至最低 同时 还要注重光的发散角度 光均性 与导光板的搭配性 另一方面 封装必须让 LED 有最佳的散热性 特别是 HB 高亮度 几乎意味着 HP High Power 高功率 高用电 进出 LED 的电流值持续在增大 倘若不能良善散热 则不仅会使 LED 的亮度减弱 还会缩短 LED 的使用寿命 所以 持续追求高亮度的 LED 其使用的封装技术若没有对应的强化提升 那么高亮度表现也会因此打折 因此本 文将针对 HB LED 的封装技术进行更多讨论 包括光通方面的讨论 也包括热导方面的讨论 附注 大陆方面称为 发光二极管 附注 一般而言 HB LED 多指 8lm W 每瓦 8 流明 以上的发光效率 附注 一般而言 HP LED 多指用电 1W 瓦 以上 功耗瓦数以顺向导通电压乘以顺向导通电流 Vf If f forward 求得 裸晶层 量子井 多量子井 提升 光转效率 虽然本文主要在谈论 LED 封装对光通量的强化 但在此也不得不先说明更深层核心的裸晶部分 毕竟裸晶结构的 改善也能使光通量大幅提升 首先是强化光转效率 这也是最根源之道 现有 LED 的每瓦用电中 仅有 15 20 被转化成光能 其余都被转化 成热能并消散掉 废热 而提升此一转换效率的重点就在 p n 接面 p n junction 上 p n 接面是 LED 主要的 发光发热位置 透过 p n 接面的结构设计改变可提升转化效率 量子井 Quantum Well QW 的结构图 郭长佑制图 关于此 目前多是在 p n 接面上开凿量子井 Quantum Well QW 以此来提升用电转换成光能的比例 更进一 步的也将朝更多的开凿数来努力 即是多量子井 Multiple Quantum Well MQW 技术 裸晶层 换料改构 光透光折 拉高 出光效率 如果光转效率难再要求 进一步的就必须从出光效率的层面下手 此层面的作法相当多 依据不同的化合材料也 有不同 目前 HB LED 较常使用的两种化合材料是 AlGaInP 及 GaN InGaN 前者用来产生高亮度的橘红 橙 黄 绿光 后者 GaN 用来产生绿 翠绿 蓝光 以及用 InGaN 产生近紫外线 蓝绿 蓝光 至于作法有哪些 这包括改变实体几何结构 横向转成垂直 换用基板 substrate 也称 衬底 的材料 加 入新的材料层 改变材料层的接合方式 不同的材料表面处理等 不过 无论如何变化 大体都不脱两个要则 一 降低遮蔽 增加光透率 二 强化光折射 反射的利用率 举例来说 过去 AlGaInP 的 LED 其基板所用的材料为 GaAs 然黑色表面的 GaAs 使 p n 接面散发出的光有一半被 遮挡吸收 造成光能的浪费 因此改用透明的 GaP 材料来做基板 又如日本日亚化学工业 Nichia 在 GaN 的 LED 中 将 p 型电极 p type 部分做成网纹状 Mesh Pattern 以此来增加 p 极的透明度 减少光阻碍同时提升 光透量 至于增加折反射上 在 AlGaInP 的结构中增加一层 DBR Distributed Bragg Reflector 反射层 将另一边的光 源折向同一边 GaN 方面则将基板材料换成蓝宝石 Sapphire Al2O3 三氧化二铝 来增加反射 同时将基板表 面设计成凹凸纹状 藉此增加光反射后的散射角度 进而使取光率提升 或如德国欧司朗 OSRAM 使用 SiC 材料 的基板 并将基板设计成斜面 也有助于增加反射 或加入银质 铝质的金属镜射层 亮度提升的 LED 已经跨足到公众场合的号志应用 此为国内工地外围的交通方向指示灯 即是用 HB LED 所组构 成 郭长佑摄影 附注 AlGaInP 磷化铝镓铟 也称为 四元发光材料 即是以 Al Ga In P 四种元素化合而成 附注 在一般的图形结构解说时 p n 接面也称为 发光层 emitting layer 或 active layer active region 附注 除了减少光遮 增加反射外 有时换用不同技术的用意是在于规避其它业者已申请的专利 各种 AlGaInP LED 的发光效能强化法 由左至右为技术先进度的差别 最左为最基础标准的 LED 几何结构 接 着开始加入 DBR Distributed Bragg Reflector 反射层 再来是有 DBR 后再加入电流局限 Current Blocking 技术 而最右为晶元光电的 OMA Omni directional Mirror Adherence 全方位镜面接合技术 该技 术也将基板材质从 GaAs 换成 Si 图片来源 晶元光电 对 GaN InGaN 化合材料的 LED 而言 也有其自有的一套制程结构光通强化法 以德国 OSRAM 来说 1999 年还在 使用标准结构 2002 年就进展到 ATON 结构 2003 年换成更佳的 NOTA 结构 2005 年则是 ThinGaN 结构 图片来 源 晶元光电 封装层 抗老化黄光 透光率保卫战 从裸晶层面努力增加光亮后 接着就正式从封装层面接手 务使光通维持最高 光衰减至最少 要有高的流明保持率 Transmittance 透光率 穿透率 以百分比单位表示 第一步是封装材质 过去 LED 最 常用的是环氧树脂 epoxy 不过环氧树脂老化后会逐渐变黄 因 苯环 成份 进而影响光亮颜色 尤其波 长愈低时老化愈快 特别是部分 WLED 使用近紫外线 Near ultraviolet 发光 与其它可见光相比其波长又更低 老化更快 新的提案是用硅树脂 silicone 换替环氧树脂 例如美国 Lumileds 公司的 Luxeon 系列 LED 即是改采硅封胶 使用硅胶的不只是 Lumileds Luxeon 其它业者也都有硅胶方案 如通用电气 东芝 GE Toshiba 公司的 InvisiSi1 东丽 道康宁 Dow Coring Toray 的 SR 7010 等也都是 LED 的硅胶封装方案 硅胶除了对低波长有较佳的抗受性 较不易老化外 硅胶阻隔近紫外线使其不外泄也是对人体健康的一种保护 此外硅胶的光透率 折射率 耐热性都很理想 GE Toshiba 的 InvisiSi1 具有高达 1 5 1 53 的折射率 波长范畴 在 350nm 800nm 间的光透率达 95 且波长低至 300nm 时仍有 75 80 的光透 或者与折射率进行取舍 将折 射率降至 1 41 如此即便是 300nm 波长也能维持 95 的光透性 同样的 Dow Coring Toray 的 SR 7010 在 405nm 波长以上时光透率达 99 且硬化处理后折射率亦有 1 51 另外耐热上也都能达 180 200 的水准 关于热的 问题我们在此暂不讨论 此外 也有业者提出所谓的无树脂封装 即是用玻璃来作为外套保护 或如日本京瓷 Kyocera 提出的陶瓷封装 都是为了抗老化而提出 其中陶瓷也有较佳的耐热效果 Lumileds Lighting 公司的 Luxeon 系列 LED InGaN 的横切面图 从图中可知 Luxeon 用硅封装进行裸晶防护 而非传统的环氧树脂 图片来源 L 随着使用时间的增长 LED 的光通量也会逐渐降低 图中是两个 LED 的寿命光通量曲线比较 下方蓝色线为一般 5mm 的 WLED 指示灯 上方红色线则是高功率 LED 照明灯 图片来源 L 附注 另一个加速环氧树脂老化变黄的因素来自温度 高温会加速老化 封装层 透镜的透射 反射杯的反射 折射 前述的封装主要在于保护 LED 裸晶 并在保护之余尽可能让光热忠实向外传递 接下来还是在封装层面 不过不 再是内覆的 Resin 部分 而是外盖的 Lens 部分 在用胶封装完后 依据 LED 的不同用途会有各种不同的接续作法 例如做成一个一个的独立封装组件 过去最典 型的单颗 LED 指示灯即是如此 另一种则是将多个 LED 并成一个整体性组件 如七段显示器 点阵型显示器等 此外焊接脚位方面也有两种区分 即穿孔技术 Through Hole Technology THT 及表面黏着技术 Surface Mount Technology SMT 在此暂且不谈论群集性的七段显示器 点阵型显示器 而就逐一独立 分离 离散性的封装来说 也要因应不同 的应用而有不同的封装外观 若是与过往 LED 相同是做为穿孔性焊接的状态指示灯则只要采行灯泡 Lamp 型态 的封装 今日也多俗称成 炮弹型 即便确定是此型也还有透镜型态 Lens Type 的区别 如典型 Lamp 卵 椭圆 Oval 超卵椭圆 Super Oval 平直 Flat 等 而若是表面黏着型 也有顶视 Top View 边视 Side View 圆 顶 Dome 等 为何要有各种不同的透镜外型 其实也有各自的应用需求 就一般而言 Lamp 用来做指示灯号 Oval 用于户外标 示或号志 Top View 用来做直落式的背光 Flat 与 Side View 配合导光板 Guide Plate LGP 做侧边入光式的 背光 Dome 做为小型照明灯泡 小型闪光灯等 外型不同 应用不