第三章 LED的结构、特性ppt课件

29.04.2020,.,1,内容简介1、LED的封装结构2、LED芯片的结构3、LED的电学特性4、LED的光学特性5、LED的热学特性6、LED的静电防护7、LED的可靠性指标,第三章LED的结构和特性,29.04.2020,.,2,LED封装的发展过程,1、LED的封装结构（封装方式）,功率越来越大,29.04.2020,.,3,常用LED结构形式包括：直插式（引脚式）表面贴装式食人鱼LED平面式封装功率型（铝基板）式,功率型,平面式,表面贴装式,29.04.2020,.,4,直插式（引脚式）封装结构,LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚，常见的是直径为5mm的圆柱型（简称5mm）封装。,引线架,5mmLED,29.04.2020,.,5,引脚式封装过程(5mm引脚式封装工艺)将边长0.25mm的正方形管芯(晶片)粘结或烧结在引线架上（一般称为支架）；芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上；负极用银浆粘结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，做成直径5mm的圆形外形。（在第一章有介绍封装工艺流程）,29.04.2020,.,6,顶部包封的环氧树脂做成一定形状，作用如下：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。,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。,29.04.2020,.,7,表面贴装式封装结构,表面贴片（SMD）LED是一种新型的表面贴装式半导体发光器件，具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高等优点。其发光颜色可以是白光在内的各种颜色，可以满足表面贴装结构的各种电子产品的需要，特别是手机、笔记本电脑。,29.04.2020,.,8,表面贴片结构之一,样品,样品,应用,表面贴装式外形、结构及应用,29.04.2020,.,9,食人鱼式封装结构,食人鱼LED采用一种正方形透明树脂封装。它有4个引脚。食人鱼LED的散热性能比一般的LED好，工作电流可达40mA，所以这种封装的LED比一般LED亮度高。其封装结构及外形如下所示。,封装结构,封装外形,29.04.2020,.,10,食人鱼式封装优点：为什么把着这种LED称为食人鱼：因为它的形状很像亚马逊河中的食人鱼Piranha。食人鱼LED产品有很多优点，由于食人鱼LED所用的支架是铜制的，面积较大，因此传热和散热快。LED点亮后，PN结产生的热量很快就可以由支架的四个支脚导出到PCB的铜带上。,食人鱼,食人鱼LED模组,29.04.2020,.,11,食人鱼LED比3mm、5mm引脚式的LED传热快，从而可以延长器件的使用寿命。一般情况下，食人鱼LED的热阻会比3mm、5mm管子的热阻小一半，所以很受用户的欢迎。,29.04.2020,.,12,平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结构型器件。通过LED的适当连接（包括串联和并联）和合适的光学结构，可构成发光显示器的发光段和发光点，然后由这些发光段和发光点组成各种发光显示器，如数码管、“米”字管、矩阵管等。,平面式封装结构,29.04.2020,.,13,功率型封装结构,功率型LED是未来半导体照明的核心，大功率LED有大的耗散功率，大的发热量，以及较高的出光效率，要求长寿命。,大功率LED的封装不能简单地套用传统的小功率LED的封装，必须在：封装结构设计、选用封装材料、选用设备等方面重新考虑，研究新的封装方法。,29.04.2020,.,14,仿食人鱼式环氧树脂封装,目前功率型LED主要有以下几种封装形式：沿袭引脚式LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装；,29.04.2020,.,15,铝基板（MCPCB）式封装,29.04.2020,.,16,功率型SMD封装（SurfaceMountedDevices）,借鉴大功率三极管思路的TO封装,ThinSmallOutline,薄型小尺寸封装,返回,29.04.2020,.,17,2、LED芯片的结构,芯片是LED器件的核心，随着LED技术的发展，LED的光效、工作电流都有很大的提高，然而散热问题也越来越棘手。为了解决这个问题，LED芯片的结构经历了由横向结构到垂直结构的变化。,横向（水平）结构,垂直结构,(多量子阱),29.04.2020,.,18,横向结构(Lateral）中，LED芯片的两个电极处在LED芯片的同一侧，电流在N-和P-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构（Vertical）的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的P-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。,29.04.2020,.,19,两种芯片结构发光形式,横向结构,垂直结构,29.04.2020,.,20,横向（正装）结构有源区发出的光经由P型GaN区和透明电极出射。该结构简单，制作工艺相对成熟。然而该种结构LED有两个明显的缺点，首先正装结构LEDP、N电极在LED的同一侧，电流须横向流过N-GaN层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；,其次，由于蓝宝石衬底的导热性差，严重的阻碍了热量的散失。,29.04.2020,.,21,横向结构LED出光路线,29.04.2020,.,22,横向结构LED芯片的主要特点：光效一般：最高在100lm/w左右；电压高：蓝光在3.44V；热阻高：使用蓝宝石衬底导热性差。芯片本身的热阻在46oC/W;亮度一般：由于采用横向结构，电流横向流动，电流密度不均，容易局部烧坏；光利用率低：65%左右的光从正面发出，35%的光从侧面发出，靠反射来达到出光，利用率低。唯一的优点就是：便于集成封装。不过，它也是缺点，由于没解决好散热，所以集成封装只有加速它的衰减，不可取。,29.04.2020,.,23,为了解决散热问题，美国LumiledsLighting公司发明了倒装芯片（Flipchip）技术。这种方法首先制备具有适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备相应尺寸的硅底板，并在其上制作共晶焊接电极的金导电层和引出导电层（超声波金丝球焊点）。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊在一起。倒装结构在散热效果上有了很大的改善，但是通常的GaN基倒装结构LED仍然是横向结构，电流拥挤的现象还是存在，仍然限制了驱动电流的进一步提升。,29.04.2020,.,24,倒装LED结构,采用倒装结构，热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，可以直接传到传导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，可降低内部热沉热阻。,29.04.2020,.,25,垂直结构可以有效解决正装结构LED的两个问题，垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底（Si、Ge以及Cu等衬底）取代蓝宝石衬底，在很大程度上提高了散热效率；垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过N电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免正装结构的电流拥挤问题，提高发光效率，同时也解决了P极的遮光问题，提升LED的发光面积。蓝宝石层的剥离是其工艺难点。,29.04.2020,.,26,垂直结构芯片剖析,29.04.2020,.,27,垂直结构芯片性能介绍,垂直结构芯片的特点主要有：光效高：最高可达161lm/w，节能；电压低：蓝光在2.93.3V；热阻小：芯片本身的热阻小于1/W;亮度高：由于采用垂直结构，电流垂直流动，电流密度均匀，耐冲击性强；光型好：85%以上光从正面发出，易封装，好配光；唯一的缺点就是：不方便集成封装。若要集成封装，芯片需做特殊处理。,返回,29.04.2020,.,28,3、LED电学特性,LED是一由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，除了具有发光特性之外，还具有普通半导体整流二极管的特性。LED电学特性包括：LED的伏安（V-I）特性；正向电流、正向电压、反向电流和反向电压；耗散功率、允许功耗；电容-电压（C-V）特性等。LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。,29.04.2020,.,29,伏安（V-I）特性电压-电流之间的关系称为伏安特性，是LED芯片性能主要参数。V-I特性具有非线性、整流（单向导电，即外加正偏压）性质。正向死区：oa段；正向工作区；反向死区；反向击穿区。,LED的V-I曲线,LED符号,29.04.2020,.,30,正向电流：包括正向工作电流IF，最小工作电流IFL，最大容许正向电流IFM，最大容许正向脉冲电流IFP；正向电压VF：在给定的IF，LED的正向电压降；反向电压VR：LED能承受的最大反向电压；反向电流IR：在最大VR情况下，流过LED的电流耗散功率PD：PD=IFVF允许功耗PDM：PDM=IFMVFM,29.04.2020,.,31,C-V特性LED的C-V特性，呈现二次函数关系。响应时间：LED点亮与熄灭所延迟的时间。LED点亮时间：指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED熄灭时间指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。,返回,29.04.2020,.,32,4、LED光学特性,LED的光学特性主要包括：光谱分布和峰值波长、发光强度、光谱半宽度、半值角和视觉等。,一般来说，LED发出的光并非单一波长的光，往往由许多不同波长的光组成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同。将发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线，称该曲线为光谱分布曲线。,29.04.2020,.,33,白光LED的光谱分布,单色LED的光谱分布,单色LED的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光LED的光谱由多种单色光谱合成。,29.04.2020,.,34,峰值波长：光谱发光强度或辐射功率最大处的对应波长。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用p表示。只有单色光才有p波长。,谱线宽度（带宽）：在LED谱线的峰值两侧处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应p-，p+之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。,29.04.2020,.,35,主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长，甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则p也就是主波长。,LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及PN结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。,29.04.2020,.,36,1-蓝光InGaN/GaN，发光谱峰p=460465nm2-绿光GaP:N，发光谱峰p=550nm3-红光GaP:Zn-O，发光谱峰p=680700nm4-红外GaAs，发光谱峰p=910nm5-Si光敏光电管，通常作光电接收用6-标准钨丝灯,LED光谱分布,29.04.2020,.,37,发光强度是表征发光器件发光强弱的重要指标。光强分布曲线是LED光源的配光曲线，能说明光源本身的发光特性：不同发光角的光强大小分布。,光强分布曲线,29.04.2020,.,38,半强角度：即半值角，就是光源中心法线方向向四周张开，中心光强I到周围的I/2之间的夹角，即为半强角度。当光源的光强均匀时，向法线偏转的周围光强是原来一半时所夹的角应当都相等。当光强不均匀时，夹角就不相等了。,返回,29.04.2020,.,39,5、LED热学特性,目前LED只有20%30%能量转化为光能，而其它的能量会转换成热能。随着LED功率的提高，器件工作时的热流密度相应增加，直接导致芯片温度和热应力加大，影响LED的性能、寿命、可靠性和稳定性。LED的光学参数与PN结结温有很大的关系。一般工作在小电流10mA，或者1020mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的影响很大。,29.04.2020,.,40,LED测量的环境温度一般为Tamb25。随着温度的增加，LED波长的中心会发生蓝移或红移随着温度的增加，LED的光强将会减小,29.04.2020,.,41,LED光通量输出与结温度之间的关系可以表示为：其中：V(tj1)、V(tj2)分别为结温为tj1、tj2时LED的光通量；K是与发光材料有关的温度系数,LED的光输出随着结温的升高而降低,29.04.2020,.,42,LED的主波长随温度关系可表示为：可知，当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。,返回,29.04.2020,.,43,6、LED的静电防护,几个术语静电：物体表面过剩或不足的静止的电荷。静电场：静电在其周围形成的电场。静电放电（Electro-staticsDischarge，ESD）：两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起两物体间的静电电荷的转移。静电敏感器件：对静电放电敏感的器件，如LED中和：利用异性电荷使静电消失。,29.04.2020,.,44,静电的产生方式,摩擦：任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电，而产生静电的最普通方法，就是摩擦生电。材料的绝缘性越好，越容易摩擦生电。感应：针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负电子就会转移。传导：针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接触，将发生电荷转移。,29.04.2020,.,45,LED产品生产过程中要采取防静电措施，保证车间的湿度在65%左右，以免空气过于干燥产生静电。另外，不同质量档次的LED抗静电能力也不一样，质量档次高的LED抗静电能力要强一些。据统计，由于操作不当，LED产品有30%被静电损坏。,静电为半导体行业的头号杀手,29.04.2020,.,46,LED产品被静电击伤图片,静电损伤特点：隐蔽性、潜伏性、随机性、严重性,静电损伤的类型：突发性完全失效;潜在性缓慢失效。,29.04.2020,.,47,人体静电量实例,29.04.2020,.,48,人体身上的静电有多高,29.04.2020,.,49,人体放射出的静电场,29.04.2020,.,50,LED接触者的防静电措施,使用防静电腕带；穿着防静电工作服、鞋、帽；应避免可能造成静电损伤的操作：从包裝內倾斜器件出来时，应尽可能轻缓；拿器件時，尽量不碰器件的外引线或引脚；操作者在操作前，要先用手接触防静电工作台或金属接地线，然后再进行工作；在静电防护区內，不要做易于产生静电的动作，如擦脚、搓手、穿和脫工作服等。,29.04.2020,.,51,工作中静电防护,防静电无尘衣、离子风扇、静电手环、桌垫接地、人员接地、防静电椅、防静电台垫等。,离子风机,29.04.2020,.,52,衣服与鞋具,静电腕带,静电包裝袋,29.04.2020,.,53,OK,NG,防静电脚跟帶,OK,NG,防静电金属手腕带,29.04.2020,.,54,全自动风淋室不仅可以清除人身和物品表面附着的尘埃减少带入洁净空气的灰尘量同时兼有闸室功能可防止不清洁空气由门侵入。以配合洁净空调系统确保洁净室达到所需洁净度。,29.04.2020,.,55,LED包裝、运输和储存过程中的防静电措施,包裝：静电敏感器件必须裝入防静电包裝盒或包裝箱內才能裝运。不要用尼龙袋、普通塑胶袋或乙烯材料进行包裝。使用前不允许随意拆除器件的防静电包裝。裝配前不要过早地將器件从防静电包裝盒中取出。拆除包裝盒应在静电保护区內进行。运输：运输時，要尽量减少机械振动和冲击。储存：静电敏感器件以及安裝有静电感器件的印制电路板或整机储存時，也要采取防静电措施。,返回,29.04.2020,.,56,7、LED的可靠性指标,LED进入照明领域，可靠性是关注问题之一。可靠性有广义和狭义两种：狭义可靠性：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力，也就是说，在规定的时间内完成规定功能的可能性或概率。广义可靠性：产品在整个寿命周期内完成规定功能的能力。它包括狭义可靠性和维修性。,可靠性指标主要包括：ESD水平、失效率和寿命。,29.04.2020,.,57,ESDS水平,静电放电敏感性（ESDSensitivity,ESDS）是电子元器件的重要可靠性指标之一,它反映了电子元器件抵抗静电放电的能力。,LED的ESDS检测目前还没有国家标准，一般参照军标GJB-548A-96。该标准对ESD分三个等级：I级抗静电电压为01999V；II级抗静电电压为20003999V；III级抗静电电压为4000V以上。,29.04.2020,.,58,LED的ESDS检测过程如下：ESDS检测前，采用检测仪测试待检LED样品的光电参数和性能；设定ESDS专用测试仪，将放电电压设定在阈值；采用三正、三负脉冲进行放电试验，脉冲之间至少有1s的延迟；ESDS放电冲击后，再测试样品的光电参数和性能，以判定样品是否失效或参数劣化。ESDS检测试验属破坏性试验，所有经过试验后的样品应报废。,29.04.2020,.,59,失效率（MeanTimetoFailure，MTTF）有时称为平均失效前时间，也称为平均无故障时间。LED失效类别严重失效：关键的光电参数改变至LED不能点亮的程度。参数失效：关键光电参数由初始值改变至超过规定的程度。,失效率,29.04.2020,.,60,LED的主要失效现象,29.04.2020,.,61,失效模式芯片失效：指芯片本身失效，引发LED失效。封装失效：指封装设计或生产工艺不当而引发失效。热过应力失效：由于发生周期性热量变化或LED内部温度超过最大额定值而引发LED失效。电过应力失效：由于承受了超过额定的电参数条件或过高的瞬态电流而引发LED失效。装配失效：实际使用过程中由于装配不当而引发LED失效。以上五种失效模式当中，任何一种模式起作用，都会引发LED不同程度的失效，同时可能连带引发其他模式起作用，从