LED發(fā)展原理及基礎(chǔ)知識篇

LED基礎(chǔ)知識/白光LED封裝陳志忠2007/8/31

伯樂達(dá)做的LED是A級！江蘇伯樂達(dá)光電科技有限公司JIangsuBrightOptoelectronicTechnologyCo.Ltd伯樂達(dá)－Bright！提綱LED基礎(chǔ)知識LED的概念，LED的發(fā)光原理LED的歷史LED的基本參數(shù)，LED的結(jié)構(gòu)，LED的產(chǎn)品分類，LED的產(chǎn)業(yè)鏈，白光LED封裝白光LED的概念，白光LED的優(yōu)點(diǎn)白光LED基本參數(shù)白光LED封裝的基本工藝白光LED的封裝技術(shù)1.1LED基本概念LED是發(fā)光二極管LIGHTEMISSIONDIODE;LIGHTEMITTINGDIODE.LED是通過半導(dǎo)體PN結(jié)把電能轉(zhuǎn)化成光能的器件+-其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。量子阱把經(jīng)過結(jié)區(qū)的電子空穴限制住，提高復(fù)合效率。1.2LED的基礎(chǔ)知識：基本原理PN結(jié)－》量子阱1.3LED的基礎(chǔ)知識：歷史1、1965年，全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生，效率0.1lm/W,比白熾燈低100倍，售價45$/只。2、1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達(dá)到了1流明/瓦，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光。3、1971年，GaP綠色芯片LED。用途：指示用，長壽命10萬小時，可靠4、80年代AlGaAs技術(shù)使得LED效率達(dá)到10流明/瓦，90年代的AlGaInP技術(shù)使得LED效率達(dá)到100流明/瓦。用途：顯示，信號用。用于室外的運(yùn)動信息發(fā)布以及汽車的高位剎車燈。5、1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管。用途：由于藍(lán)光LED的出現(xiàn)，人們首次實(shí)現(xiàn)紅黃藍(lán)LED的全色顯示，從90年代中期開始，許多廣告、體育和娛樂場所開始應(yīng)用LED大屏幕顯示。6、1997年，中村修二和美國人修博特先后研制出了GaN藍(lán)色發(fā)光二極管激發(fā)黃光熒光粉得到白光LED，效率不足10lm/W。7、2000年，日亞報(bào)道了15lm/W白光LED，8、2003年，日亞報(bào)道的光效達(dá)到60lm/W，2006年3月，其光效達(dá)到100lm/W，9、2006年7月，Cree公司報(bào)道了130lm/W白光LED，10、2006年11月，日亞報(bào)道的光效達(dá)到150lm/W，其效率已經(jīng)超過節(jié)能燈，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的照明。11、2007年3月，美國CREE公司光效達(dá)到157lm/W，目前LED的效率向200Lm/W前進(jìn)。1.4.1基本參數(shù)－電學(xué)參數(shù)正向工作電壓Vf@If反向漏電流Ir@Vr功率P=Vf*If測量方法VfIfIrVr峰值波長（lp，nm），半峰寬（FWHM，nm）色純度：反應(yīng)了單色光和白光的比例主波長（ld，nm），視覺函數(shù)（V（l））1.4.2光學(xué)參數(shù)發(fā)光光功功率率（（Po，，mW)，，光光通通量量（（Lf，，lm））發(fā)發(fā)光光效效率率（（Le，，lm/W））當(dāng)Lf=632∫∫V（（l）Po（（l）dl,當(dāng)當(dāng)電電功功率率全全部部轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化成成光光功功率率,最最大大的的發(fā)發(fā)光光效效率率為為632lm/W,若若藍(lán)藍(lán)光光激激發(fā)發(fā)熒熒光光粉粉或或三三色色LED混混合合得得到到白白光光,其其效效率率小小于于300lm/W.發(fā)光光強(qiáng)強(qiáng)度度(Iv,Lop，，mcd））:單單位位立立體體角角內(nèi)內(nèi)的的光光通通量量.照度度(illumination，，lm/m2,Lx））:單單位位面面積積上上光光通通量量，，被被照照表表面面的的明明亮亮情情況況。。亮度度（（luminance，，Cd/m2)：：單單位位面面積積上上的的發(fā)發(fā)光光強(qiáng)強(qiáng)度度。。光光源源的的明明亮亮情情況況。。光通通量量與與光光強(qiáng)強(qiáng)的的關(guān)關(guān)系系LED的的光光強(qiáng)強(qiáng)與與角角度度有有關(guān)關(guān)系系，，而而光光通通量量與與角角度度無無關(guān)關(guān)；；發(fā)發(fā)光光角角度度為為一一半半光光強(qiáng)強(qiáng)所所夾夾的的角角（（15o，30o，60o，90o，100o，120o，150o，180o）9006003000300600900LuminousOutput(mcd)若LED作作為為點(diǎn)點(diǎn)光光源源，，光光通通量量F與與光光強(qiáng)強(qiáng)IV的關(guān)關(guān)系系F=IV*2p*（（1－－cosq1/2)若60度度發(fā)發(fā)光光角角度度光光強(qiáng)強(qiáng)為為2000mcd,則則光光通通量量約約為為1.68lm但是是光光強(qiáng)強(qiáng)隨隨著著角角度度變變化化并并不不是是常常數(shù)數(shù)，，以以上上公公式式只只能能近近似似的的計(jì)計(jì)算算光光通通量量，，實(shí)實(shí)際際的的情情況況是是光光強(qiáng)強(qiáng)隨隨著著角角度度增增大大而而減減少少。。具具體體的的數(shù)數(shù)值值需需要要通通過過配配光光曲曲線線計(jì)計(jì)算算得得到到。。1.4.3熱熱學(xué)學(xué)參參數(shù)數(shù)與與可可靠靠性性LED的的結(jié)溫溫定義義為為LED的的PN結(jié)結(jié)的的溫溫度度，，通通常常芯芯片片具具有有很很小小的的尺尺寸寸，，因因此此通通常常把把芯芯片片的的溫溫度度等等效效結(jié)結(jié)溫溫。。結(jié)溫溫高高將將使使得得LED性能能變變差差，，失失效效。影響響結(jié)結(jié)溫溫的的因因素素：：1））不不良良的的器器件件結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，大大的的串串連連電電阻阻發(fā)發(fā)熱熱；；2））封封裝裝材材料料的的熱熱阻阻，，大大的的熱熱阻阻導(dǎo)導(dǎo)致致散散熱熱的的困困難難，，材材料料和和導(dǎo)導(dǎo)熱熱途途徑徑；；3））發(fā)發(fā)光光效效率率低低下下，，30％％的的電電能能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化成成光光能能，，其其他他轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化成成電電能能；；4））環(huán)環(huán)境境的的溫溫度度和和聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)材材料料，，工工藝藝。。降低低結(jié)結(jié)溫溫與耐熱熱封封裝裝材材料料是高高可可靠靠性性LED的的保保證證。。其他他可可靠靠性性測測試試：：恒溫溫恒恒濕濕：：高高溫溫高高濕濕測測量量其其對對高高濕濕環(huán)環(huán)境境下下的的可可靠靠性性高低低溫溫循循環(huán)環(huán)：：測測試試LED對對晝晝夜夜和和四四季季的的適適應(yīng)應(yīng)性性冷熱熱沖沖擊擊：：測測試試其其開開關(guān)關(guān)特特性性高溫工作：加加速老化，測測試壽命過錫試驗(yàn)：深深加工耐溫能能力大電流老化測測試：比加溫溫更苛刻的老老化條件，考考慮 結(jié)溫溫分布不均勻勻性ESD抗靜電電擊穿能力：：抗靜電能力力LED壽命LED作為電電子－空穴對對復(fù)合發(fā)光，，對半導(dǎo)體而而言，理論上上它的壽命是是無限長的。。10萬-100萬小時時的壽命概念念源于半導(dǎo)體體的性能。使用壽命則是是指能夠發(fā)揮揮作用的壽命命，一般當(dāng)光光衰超過50％,LED的壽命就到到期了。浴盆效應(yīng)：初初期和后期失失效率較高，，初始工作還還會出現(xiàn)性能能高低起伏的的退火期,而而中間期大多多數(shù)器件能夠夠正常工作。。在同一批LED樣本中，，統(tǒng)計(jì)失效率率來評價整體體器件水平。。在規(guī)定時間間內(nèi)，失效率率越低，可靠靠性越好。壽命的測試方方法LED的光衰衰一般遵循以以下規(guī)律：I=I0*EXP（-t/t）時間常數(shù)t與與溫度有關(guān)系系，在一定的的時間內(nèi)分別別測得溫度T1對應(yīng)的時時間常數(shù)t1，T2對應(yīng)應(yīng)的t2。我我們把LED失效的因素歸結(jié)于一一個激活能Ea，則有t=t0*EXP（-Ea/KT）根據(jù)上面T1，T2對應(yīng)應(yīng)的兩個時間間常數(shù)t1，，t2則可可得到t0與與Ea的值，這樣樣我們就可以以求得一定結(jié)結(jié)溫下的壽命命值。以上的的溫度均指結(jié)結(jié)溫。1.5LED結(jié)構(gòu)LumiledsPackagingGaN-LED芯片的基基本結(jié)構(gòu)InGaNMQWactivelayerSapphiresubstratep-electrode(Ni/Au)p-electrode(Ni/Au)p-GaNlayern-GaNlayerGaNbufferlayern-electrode(Ti/Al)芯片基本結(jié)構(gòu)構(gòu):flip-chip芯片基本結(jié)構(gòu)構(gòu):SiC垂垂直結(jié)構(gòu)CuHeatSinkingAgReflectorTransparentohmiccontactP-GaNInGaN/GaNMQWN-GaNITOcontactlayerN-electrodepad芯片基本結(jié)構(gòu)構(gòu):金屬襯底底、垂直結(jié)構(gòu)構(gòu)按發(fā)光顏色分分：可分成紅紅色、橙色、、綠色（又細(xì)細(xì)分黃綠、標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠綠）、藍(lán)光等等。另外，有有的發(fā)光二極極管中包含二二種或三種顏顏色的芯片。。根據(jù)發(fā)光二極極管出光處摻摻或不摻散射射劑、有色還還是無色，上上述各種顏色色的發(fā)光二極極管還可分成成有色透明、、無色透明、、有色散射和和無色散射四四種類型。按發(fā)光管出光光面特征分圓圓燈、方燈、、矩形、面發(fā)發(fā)光管、側(cè)向向管、表面安安裝用微型管管等。圓形燈按直徑徑分為φ2mm、φ4.4mm、φφ5mm、φφ8mm、φφ10mm及及φ20mm等。從發(fā)光強(qiáng)度角角分布圖來分分有三類：（1）高指指向性。半值值角為5°～～20°或更更小。

（（2）標(biāo)準(zhǔn)型型。其半值角角為20°～～45°。（3）大大角度。按發(fā)光二極管管的結(jié)構(gòu)分有有全環(huán)氧包封封、金屬底座座環(huán)氧封裝、、陶瓷底座環(huán)環(huán)氧封裝及玻玻璃封裝等結(jié)結(jié)構(gòu)。按發(fā)光強(qiáng)度和和工作電流分分

:有普通通亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)強(qiáng)度<10mcd）；超超高亮度的LED（發(fā)光光強(qiáng)度>100mcd））；把發(fā)光強(qiáng)強(qiáng)度在10～～100mcd間的叫高高亮度發(fā)光二二極管。1.6LED分類LED分類數(shù)碼管

(Display)大功率

(HighPowerLed)貼片

(SMD)食人魚

(P4)普通LED(P2)1.7LED產(chǎn)業(yè)鏈LED設(shè)備，，原材料：MOCVD，，激光劃片機(jī)機(jī)，檢測設(shè)備備上游：材料生生長，結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)；亮度，，波長，正向向電壓，可靠靠性；外延片片2”中游：芯片制制備；正向電電壓，出光，，可靠性；芯芯片：0.3mm-1.5mm下游：封裝；；出光效率，，正向電壓，，可靠性，散散熱；LEDlamp,SMT,highpower，數(shù)碼碼管等應(yīng)用產(chǎn)品：燈燈具，工程；；出光效率，，散熱，美學(xué)學(xué)設(shè)計(jì)，建筑筑，文化等；；裝飾照明，，路燈，LCD背光，車車燈，太陽燈燈，普通照明明，特種照明明產(chǎn)業(yè)鏈上游中游下游材料體系襯底等原材料外延芯片封裝應(yīng)用AlGaInP中科鎵英：GaAs廈門三安、山東華光、河北匯能、廣東福地、廣東普光、北京圣科佳佛山國星、廈門華聯(lián)、寧波升普、深圳量子、河北鑫谷、江蘇伯樂達(dá)、江蘇穩(wěn)潤、天津天星、江蘇奧雷、杭州創(chuàng)元、福日科光北京利亞德、西安青松、上海三思、南京洛普、深圳海洋王、深圳珈偉、廈門通士達(dá)、江蘇伯樂達(dá)、江蘇鴻聯(lián)南大光電：MO源南昌欣磊、上海金橋大晨、深圳奧倫德、河北立德GaN中科嘉浦、深圳淼浩：藍(lán)寶石廈門三安、上海藍(lán)光、深圳方大、大連路美、江西聯(lián)創(chuàng)、上海藍(lán)寶、北京長電、廣東福地、廣東普光南大光電：MO源北京睿源大連光明化工、大連科利德：高純氨氣白光LED的的概念，白光LED的的優(yōu)點(diǎn)白光LED基基本參數(shù)白光LED封封裝的基本工工藝白光LED的的封裝技術(shù)二、白光LED封裝2.1白光光LED的概概念三基色通過適適當(dāng)?shù)幕旌夏苣墚a(chǎn)生所有的的顏色，同樣樣絕大多數(shù)顏顏色也可以分分解成紅、綠綠、藍(lán)三種色色光，這就是是色度學(xué)中最最基本原理———三基色原理。實(shí)現(xiàn)白光的四四種方式：圖15.級聯(lián)型GaN基白光LED的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖16.級聯(lián)型級聯(lián)型GaN基白光LED的電致發(fā)光光譜4、直接發(fā)白白光的技術(shù)術(shù)節(jié)能:10倍白熾燈;2倍日光燈燈,一年節(jié)約約一個三峽的的發(fā)電量:870億度2.2白光光LED照明明的優(yōu)勢環(huán)保減少溫室氣體體排量:減少少CO2排量1.12億噸/年.減少水銀等有有害廢棄物對對環(huán)境的污染染無頻閃(直流流工作)無紅外\紫外外線成分安全低電壓、、節(jié)能手機(jī)、筆記本本等移動電器器的背光源與太陽能電池池合用，不需需要高壓逆變變器（庭院燈燈，草坪燈，，缺電地區(qū)照照明）礦燈礦井坑道燈特殊環(huán)境：監(jiān)監(jiān)獄，精神病病院堅(jiān)固、壽命長長防爆燈具軍用燈具耐腐蝕環(huán)境使使用車燈景觀照明模擬日光的變變化對生物節(jié)節(jié)律的影響延長花期，改改變農(nóng)作物的的生長周期，，提高產(chǎn)量改變?nèi)梭w節(jié)律律，提高運(yùn)動動員成績，夜夜班工人工作作效率人文關(guān)懷的綠綠色照明（晝晝夜節(jié)律）2.3白光光LED的基基本參數(shù)1）電學(xué)參數(shù)數(shù)2）光學(xué)參數(shù)數(shù)3）可靠性參參數(shù)4）色度學(xué)參參數(shù)：色品圖CIE1931,色坐標(biāo)，色色溫，顯色指指數(shù)色品圖CIE1931,色坐標(biāo)，1931年國國際照明委員員會確認(rèn)三刺刺激值作為顏顏色的基準(zhǔn)色色，其他顏色色可以從三刺刺激組合而成成，因?yàn)槿齻€個坐標(biāo)值之和和X+Y+Z=1,所以以色坐標(biāo)往往往用（x，y）表示。色溫：與光源有相同同光色的絕對對黑體的溫度度值。此溫度度值對應(yīng)色品品圖上的普朗朗克曲線。但但一般光源不不會正好落在在這條線上，，因此光源的的色溫用相對對色溫表示，，經(jīng)驗(yàn)公式如如下：顯色指數(shù)：光源還原被被照射物體顏顏色的能力。。式中，，2.4白光LED封封裝的基本工工藝1、固晶：芯芯片粘在支架架上粘接膠體的選選擇，芯片的的位置，膠體體的多少烘烤的溫度，，時間。共晶焊，壓力力，功率，溫溫度，時間，，表面處理。。主要設(shè)備：自自動固晶機(jī)asm，烘箱箱，等離子體體清洗機(jī)，擴(kuò)擴(kuò)晶機(jī)，干燥燥箱2、焊線：壓壓力，功率，，溫度，時間間焊球的大小，，一焊，二焊焊，拱絲的弧弧度，劈刀的的型號，金絲絲的尺寸。主要設(shè)備：eagle60/V3、點(diǎn)熒光粉粉：樹脂的種種類，A：B膠，熒光粉粉的比例，分分散，表面修修飾，脫泡，，點(diǎn)膠的方法法。烘烤的方方式，溫度，，時間。主要設(shè)備：Asymtek自動點(diǎn)膠膠機(jī)，宜極邦邦4、樹脂密封封：樹脂的配配比，模條的的選擇，封裝裝的角度，芯芯片的位置。。主要設(shè)備：自自動封膠機(jī)5、長烤，提提高老化性能能6、沖切，一一切，二切，，設(shè)備：液壓壓沖床，全切切機(jī)7、老化、壽壽命測試。設(shè)設(shè)備：恒溫恒恒濕機(jī)，高低低溫沖擊，鹽鹽霧機(jī)，老化化臺，熱分析析儀，熱阻測測試儀。8、測試、分分揀，根據(jù)不不同的色度，，光學(xué)，電學(xué)學(xué)參數(shù)。主要要設(shè)備：自動動測試分揀機(jī)機(jī)9、包裝。主主要設(shè)備：包包裝機(jī)，回流流焊機(jī)，貼片片機(jī)等2.5白光光LED的封封裝技術(shù)2.5.1白白光LED的的提高發(fā)光效效率技術(shù)1）熒光粉的的選擇相對亮度：不不同廠家的熒熒光粉的吸收收效率和轉(zhuǎn)化化效率相差很很大。相對亮亮度高的熒光光粉將大大提提高白光發(fā)光光效率。顆粒度：尺寸寸和分布，顆顆粒大的易發(fā)發(fā)生沉淀。顆顆粒不均勻也也影響效率。。老化特性：能能夠耐溫度，，耐紫外照射射。激發(fā)波長和發(fā)發(fā)射波長：熒熒光粉的激發(fā)發(fā)波長是獲得得最大熒光轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換效率的LED主波長長；發(fā)射波長長則是在該激激發(fā)波長下熒熒光的峰值波波長。2）熒光粉的的配比及膠量量控制；白光光膠體的選擇擇3）熒熒光粉粉的涂涂覆方方式建議Lens點(diǎn)透明明膠填至此此處一一樣高高即可可建議phosphors點(diǎn)膠至至此黃黃色處處杯口口在凸凸一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)4）封封裝膠膠體的的選擇擇全反射射、高高折射射率材材料、、變折折射率率材料料GaN/air全反反射