LED基礎(chǔ)知識LED光源的封裝講義.ppt

LED基礎(chǔ)知識/白光LED封裝 陳志忠 2007/8/31,伯樂達做的LED是A級！,江蘇伯樂達光電科技有限公司 JIangsu Bright Optoelectronic Technology Co.Ltd,伯樂達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 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),1.1 LED基本概念,LED是發(fā)光二極管LIGHT EMISSION DIODE ; LIGHT EMITTING DIODE . LED是通過半導體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，提高復合效率。,1.2 LED的基礎(chǔ)知識：基本原理,PN結(jié)量子阱,1.3 LED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)取得了突破性進展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了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效率達到10流明/瓦， 90年代的AlGaInP技術(shù)使得LED效率達到100流明/瓦。 用途：顯示，信號用。用于室外的運動信息發(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基高亮度藍色發(fā)光二極管。 用途：由于藍光LED的出現(xiàn)，人們首次實現(xiàn)紅黃藍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，日亞報道了15lm/W白光LED， 8、2003年，日亞報道的光效達到60lm/W， 2006年3月，其光效達到100lm/W， 9、2006年7月，Cree公司報道了130lm/W白光LED， 10、2006年11月，日亞報道的光效達到150lm/W，其效率已經(jīng)超過節(jié)能燈，實現(xiàn)了真正意義上的照明。 11 、2007年3月，美國CREE公司光效達到157lm/W，目前LED的效率向200Lm/W前進。,1.4.1 基本參數(shù)電學參數(shù),正向工作電壓VfIf 反向漏電流IrVr 功率P=Vf*If 測量方法,Vf,If,Ir,Vr,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 光學參數(shù),發(fā)光功率（Po，mW)，光通量（Lf，lm）發(fā)光效率（Le，lm/W） 當Lf=632 V （l） Po （ l ）d l ,當電功率 全部轉(zhuǎn)化成光功率,最大的發(fā)光效率為632lm/W,若藍光激發(fā)熒光粉或三色LED混合得到白光,其效率小于300lm/W. 發(fā)光強度(Iv,Lop，mcd）:單位立體角內(nèi)的光通量. 照度(illumination， lm/m2 ,Lx）:單位面積上光通量，被照表面的明亮情況。 亮度（luminance，Cd/m2)：單位面積上的發(fā)光強度。光源的明亮情況。,光通量與光強的關(guān)系 LED的光強與角度有關(guān)系，而光通量與角度無關(guān)；發(fā)光角度為一半光強所夾的角（15o，30o，60o，90o，100o，120o，150o，180o）,900 600 300 0 300 600 900 Luminous Output (mcd),若LED作為點光源，光通量F與光強IV的關(guān)系 F= IV *2p*（1cosq1/2) 若60度發(fā)光角度光強為2000mcd,則光通量約為1.68lm 但是光強隨著角度變化并不是常數(shù)，以上公式只能近似的計算光通量，實際的情況是光強隨著角度增大而減少。具體的數(shù)值需要通過配光曲線計算得到。,1.4.3 熱學參數(shù)與可靠性,LED的結(jié)溫定義為LED的PN結(jié)的溫度，通常芯片具有很小的尺寸，因此通常把芯片的溫度等效結(jié)溫。 結(jié)溫高將使得LED性能變差，失效。 影響結(jié)溫的因素： 1）不良的器件結(jié)構(gòu)，大的串連電阻發(fā)熱； 2）封裝材料的熱阻，大的熱阻導致散熱的困難，材料 和導熱途徑； 3）發(fā)光效率低下，30的電能轉(zhuǎn)化成光能，其他轉(zhuǎn)化 成電能； 4）環(huán)境的溫度和聯(lián)結(jié)材料，工藝。 降低結(jié)溫與耐熱封裝材料是高可靠性LED的保證。,其他可靠性測試： 恒溫恒濕：高溫高濕測量其對高濕環(huán)境下的可靠性 高低溫循環(huán)：測試LED對晝夜和四季的適應(yīng)性 冷熱沖擊：測試其開關(guān)特性 高溫工作：加速老化，測試壽命 過錫試驗：深加工耐溫能力 大電流老化測試：比加溫更苛刻的老化條件，考慮 結(jié)溫分布不均勻性 ESD抗靜電擊穿能力：抗靜電能力,LED壽命,LED作為電子空穴對復合發(fā)光，對半導體而言，理論上它的壽命是無限長的。10萬-100萬小時的壽命概念源于半導體的性能。 使用壽命則是指能夠發(fā)揮作用的壽命，一般當光衰超過50,LED的壽命就到期了。 浴盆效應(yīng)：初期和后期失效率較高，初始工作還會出現(xiàn)性能高低起伏的退火期,而中間期大多數(shù)器件能夠正常工作。 在同一批LED樣本中，統(tǒng)計失效率來評價整體器件水平。在規(guī)定時間內(nèi)，失效率越低，可靠性越好。,壽命的測試方法,LED的光衰一般遵循以下規(guī)律： I=I0*EXP（-t/t） 時間常數(shù)t與溫度有關(guān)系，在一定的時間內(nèi)分別測得溫度T1對應(yīng)的時間常數(shù)t1，T2對應(yīng)的t2。我們把LED失效的因素歸結(jié)于一個激活能Ea，則有 t=t0* EXP（-Ea/KT） 根據(jù)上面T1，T2對應(yīng)的兩個時間常數(shù)t1， t2則可得到t0與Ea的值，這樣我們就可以求得一定結(jié)溫下的壽命值。以上的溫度均指結(jié)溫。,1.5 LED結(jié)構(gòu),Lumileds Packaging,GaN-LED芯片的基本結(jié)構(gòu),InGaN MQW active layer,Sapphire substrate,p-electrode (Ni/Au),p-electrode (Ni/Au),p-GaN layer,n-GaN layer,GaN buffer layer,芯片基本結(jié)構(gòu):flip-chip,芯片基本結(jié)構(gòu):SiC 垂直結(jié)構(gòu),芯片基本結(jié)構(gòu):金屬襯底、垂直結(jié)構(gòu),按發(fā)光顏色分：可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。 根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。 按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。 圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。 從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：（1）高指向性。半值角為520或更小。 （2）標準型。其半值角為2045。 （3）大角度。 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。 按發(fā)光強度和工作電流分 :有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。,1.6 LED分類,LED分類,數(shù)碼管 (Display),大功率 (High Power Led),貼片 (SMD),食人魚 (P4),普通LED (P2),1.7 LED產(chǎn)業(yè)鏈,LED設(shè)備，原材料：MOCVD，激光劃片機，檢測設(shè)備 上游：材料生長，結(jié)構(gòu)設(shè)計；亮度，波長，正向電壓，可靠性；外延片2” 中游：芯片制備；正向電壓，出光，可靠性；芯片：0.3mm-1.5mm 下游：封裝；出光效率，正向電壓，可靠性，散熱；LED lamp, SMT, high power，數(shù)碼管等 應(yīng)用產(chǎn)品：燈具，工程；出光效率，散熱，美學設(shè)計，建筑，文化等；裝飾照明，路燈，LCD背光，車燈，太陽燈，普通照明，特種照明,白光LED的概念， 白光LED的優(yōu)點 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),二、白光LED封裝,2.1 白光LED的概念,三基色通過適當?shù)幕旌夏墚a(chǎn)生所有的顏色，同樣絕大多數(shù)顏色也可以分解成紅、綠、藍三種色光，這就是色度學中最基本原理三基色原理。,實現(xiàn)白光的四種方式：,4、直接發(fā)白光的 技術(shù),節(jié)能: 10倍白熾燈;2倍日光燈,一年節(jié)約一個三峽的發(fā)電量:870億度,2.2 白光LED照明的優(yōu)勢,環(huán)保,減少溫室氣體排量:減少CO2排量1.12億噸/年. 減少水銀等有害廢棄物對環(huán)境的污染 無頻閃(直流工作) 無紅外紫外線成分,安全低電壓、節(jié)能,手機、筆記本等移動電器的背光源 與太陽能電池合用，不需要高壓逆變器（庭院燈，草坪燈，缺電地區(qū)照明） 礦燈 礦井坑道燈 特殊環(huán)境：監(jiān)獄，精神病院,堅固、壽命長,防爆燈具 軍用燈具 耐腐蝕環(huán)境使用 車燈 景觀照明,模擬日光的變化對生物節(jié)律的影響,延長花期，改變農(nóng)作物的生長周期，提高產(chǎn)量 改變?nèi)梭w節(jié)律，提高運動員成績，夜班工人工作效率 人文關(guān)懷的綠色照明（晝夜節(jié)律）,2.3 白光LED的基本參數(shù),1）電學參數(shù) 2）光學參數(shù) 3）可靠性參數(shù) 4）色度學參數(shù)： 色品圖CIE1931,色坐標，色溫，顯色指數(shù),色品圖CIE1931,色坐標， 1931年國際照明委員會確認三刺激值作為顏色的基準色，其他顏色可以從三刺激組合而成，因為三個坐標值之和X+Y+Z=1,所以色坐標往往用（x，y）表示。 色溫：與光源有相同光色的絕對黑體的溫度值。此溫度值對應(yīng)色品圖上的普朗克曲線。但一般光源不會正好落在這條線上，因此光源的色溫用相對色溫表示，經(jīng)驗公式如下： 顯色指數(shù)：光源還原被照射物體顏色的能力。,式中，,，,2.4白光LED封裝的基本工藝,1、固晶：芯片粘在支架上 粘接膠體的選擇，芯片的位置，膠體的多少 烘烤的溫度，時間。 共晶焊，壓力，功率，溫度，時間，表面處理。 主要設(shè)備：自動固晶機asm，烘箱，等離子體清洗機，擴晶機，干燥箱 2、焊線：壓力，功率，溫度，時間 焊球的大小，一焊，二焊，拱絲的弧度，劈刀的型號，金絲的尺寸。 主要設(shè)備：eagle60/V,3、點熒光粉：樹脂的種類，A：B膠，熒光粉的比例，分散，表面修飾，脫泡，點膠的方法。烘烤的方式，溫度，時間。 主要設(shè)備：Asymtek自動點膠機，宜極邦 4、樹脂密封：樹脂的配比，模條的選擇，封裝的角度，芯片的位置。 主要設(shè)備：自動封膠機 5、長烤，提高老化性能 6、沖切，一切，二切，設(shè)備：液壓沖床，全切機 7、老化、壽命測試。設(shè)備：恒溫恒濕機，高低溫沖擊，鹽霧機，老化臺，熱分析儀，熱阻測試儀。 8、測試、分揀，根據(jù)不同的色度，光學，電學參數(shù)。主要設(shè)備：自動測試分揀機 9、包裝。主要設(shè)備：包裝機，回流焊機，貼片機等,2.5 白光LED的封裝技術(shù),2.5.1白光LED的提高發(fā)光效率技術(shù) 1）熒光粉的選擇 相對亮度：不同廠家的熒光粉的吸收效率和轉(zhuǎn)化效率相差很大。相對亮度高的熒光粉將大大提高白光發(fā)光效率。 顆粒度：尺寸和分布，顆粒大的易發(fā)生沉淀。顆粒不均勻也影響效率。 老化特性：能夠耐溫度，耐紫外照射。 激發(fā)波長和發(fā)射波長：熒光粉的激發(fā)波長是獲得最大熒光轉(zhuǎn)換效率的LED主波長；發(fā)射波長則是在該激發(fā)波長下熒光的峰值波長。,2）熒光粉的配比及膠量控制；白光膠體的選擇,3）熒光粉的涂覆方式,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,4）封裝膠體的選擇 全反射、高折射率材料、變折射率材料,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%,5）絕緣膠與反射杯,絕緣膠可以使得射向底部的光線通過反射杯反射出來，可以提高光效2030。,1、固晶方法：高導熱的固晶膠底面反射鏡 共晶焊方法，倒裝焊方法,6）降低結(jié)溫,2、支架的材料和散熱途徑。 3、使用時有效散熱。,2.5.2白光LED的光色一致性的技術(shù),點膠工藝 配膠：攪拌脫泡 自動配膠，行星式 熒光粉的使用時間 熒光粉的顆粒和白光膠體中的抗沉淀劑 固化的溫度和時間 白光分BIN的標準,熒光粉和色區(qū)的劃分,2.5.3 白光LED的可靠性技術(shù),1）結(jié)溫的降低 2）銀膠的導熱與玻璃化溫度，膨脹系數(shù)與封裝膠體的匹配 3）膠體的老化： 封裝膠體的耐溫特性 抗紫外特性 吸水透氣性 與金屬、芯片的黏附性 熱脹系數(shù)的匹配 4）熒光粉的老化 熒光粉的耐溫特性 中間隔離膠層隔開熒光粉與芯片直接接觸 5）可靠性，壽命的模型及測試，對可靠性的持續(xù)改進。 4000H-100000H!,討論時間,2）熒光粉的配比及膠量控制；白光膠體的選擇,3）熒光粉的涂覆方式,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,4）封裝膠體的選擇 全反射、高折射率材料、變折射率材料,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%,5）絕緣膠與反射杯,絕緣膠可以使得射向底部的光線通過反射杯反射出來，可以提高光效2030。,1、固晶方法：高導熱的固晶膠底面反射鏡 共晶焊方法，倒裝焊方法,6）降低結(jié)溫,2、支架的材料和散熱途徑。