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1、1,学习单元2 LED的制造与封装,2.1 LED的衬底材料 2.2 LED的外延工艺 2.3 LED的芯片技术 2.4 LED的封装技术 2.5 白光LED技术 2.6 LED的散热技术,2.1 LED的衬底材料,2.LED衬底材料的种类,1 LED衬底材料的选择要求,提纲,1. LED衬底材料的选择要求,1)衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；2)衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；3)衬底与
2、外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；4)材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。,2. LED衬底材料的种类,蓝宝石硅碳化硅,蓝宝石,蓝宝石衬底,蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。,硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接
3、触方式，分别是L接触和 V接触。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。,碳化硅衬底 碳化硅衬底（美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。,三种衬底性能比较,三种衬底性能比较,2.2 LED外延工艺技术,2.几种主要的外延材料,3.LED芯片的外延技术及外延设备,1 LED对外
4、延材料的基本要求,提纲,4.外延技术和设备的发展趋势,10,1. LED对外延材料的基本要求,方大集团于2001年9月在国内第一个生产出GaN基LED外延片,对LED芯片外延材料的基本要求及选择考虑通常有以下几点：1.要求有合适的带隙宽度Eg2.可获得高电导率的P型和N型晶体，以制备优良的PN结3.可获得完整性好的优良晶体4.发光复合概率大,2.几种主要的外延材料,1）AlInGaP外延材料2）GaN外延材料3 ）AlInGaN外延材料4 ）AIGaAs外延材料5 ）其他新型外延材料,3 LED芯片的外延技术及外延设备,1）VPE设备,VPE设备工作原理,2）MOCVD设备,MOCVD设备,M
5、OCVD设备工作原理,外延片在光电产业中扮演了一个十分重要的角色，而MOCVD外延炉是制作外延片的不可缺少的设备。有些专家经常用一个国家或地区有多少台MOCVD外延炉来街量这个国家或地区光电行业的发展规模，这巳充分说明了MOCVD外延炉的重要性。根据生长的需要，MOCVD外延炉一次可以制出11片或15片外延片，有时也可以制出24片外延片。,4.外延技术和设备的发展趋势,1) 外延技术的发展趋势,A 选择性外延生长或侧向外延生长技术B 悬空外延技术C 多量子阱型芯片技术 D “光子再循环”技术E 研发短波长紫外(UV)LED外延材料 F 氮化氢汽相外延(HVPE)技术,2) 外延设备的发展趋势,
6、A 大型化，以提高生产能力B 专用化C 低成本化D 多工艺、多技术集成化E 对紫外LED专用MOCVD设备的需求将急剧增加,2.3 LED的芯片技术,2.提高光引出效率的芯片技术,3.电极及电流扩展技术,1 优化芯片发光层能带结构,提纲,1 优化芯片发光层能带结构1） 双异质结,双异质结能带图,2） 量子阱结构,量子阱结构能带图,高亮度LED所采用的发光层结构及其外量子效率,2.提高光引出效率的芯片技术,传统LED的结构,1）在芯片与电极之间加入厚窗口层,芯片与电极之间加入厚窗口层,2）剥离与透明衬底技术,A 在外延表面沉积键合金属层(例如lOOnm的Pd)，再在键合衬底(如Si衬底)表面积一
7、层1 000nm的铟；B 将外延片低温键合到衬底上；C 用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石衬底底面，再加热到约40，使蓝宝石与GaN层脱离。,3) 双反射(DR)和分布式布拉格反射(DBR)结构,DBR LED的结构,DR LED的结构,4) 倒装芯片(Flip-chip)技术,传统蓝宝石衬底GaN基LED芯片的结构,倒装芯片结构,5 ) 表面粗糙化纹理结构,芯片表面纹理结构,纹理表面的取光模式,6) 微芯片阵列,7) 异形芯片技术,不同光引出结构的异形芯片技术,3.电极及电流扩展技术,电极是LED的重要部件。为降低器件的光损耗，提高光效，电极的设计必须满足3个方面的要求：一是要求尽可能低的接
8、触电阻，二是要求电流能分散到芯片截面积上尽可能大的区域，三是要求电极对光遮挡的损耗最小。,高亮度HBLED的电极图形,新型高效率LED与传统LED的结构比较,LED芯片电流的扩展,2.4 LED的封装技术,2.功率型LED封装技术,1 LED的封装形式与结构,提纲,1 LED的封装形式与结构,Lamp-LED早期出现的是直插LED，它的封装采用灌封的形式。,1） Lamp-LED封装,2） SMD封装,表面贴装技术(SMT)应用于LED生产始于20世纪80年代，表面贴装是LED一种重要的封装形式。表面贴装LED与其他表面贴装器件(SMD)一样，适合于自动化大规模生产，并且适应电子整机产品轻薄短
9、小的发展要求。,表面贴装LED的有关尺寸,3) 多芯片集成封装,目前大尺寸芯片还存在散热和发光均匀性及发光效率下降等问题。由于小芯片工艺相对成熟，将多个小尺寸芯片高密度地集成在一起封装而成的功率型LED，可以获得较高的光通量。,2.功率型LED封装技术,功率型LED,功率型LED封装技术,功率LED的热学计算,热传导理论其中t为温度差，P为流过介质热量，为热导系数，为热导面积，为介质厚度,LED芯片,芯片粘接剂,热沉,电路基板,温度计算,一颗1mm*1mm*0.1mm的LED芯片，热功率为1W，通过硅胶与封装基板连接，硅胶层厚度20um，热导率1W/K*m，求硅胶上下面温度差。,相同的芯片，通
10、过银胶与封装基板连接，银胶层厚度20um，热导率6W/K*m，计算该上下面温度差。,封装基板目前常见的大功率LED封装基板有PCB、MCPCM金属覆铜板、Al2O3陶瓷和AlN陶瓷。,各类封装基板比较,2.5 白光LED技术,2人造白光的合成,3白光LED的实现方法,1可见光光谱与白光LED的关系,提纲,4白光LED存在的问题及对策,5荧光材料,6白光LED的特性,1可见光光谱与白光LED的关系,2人造白光的合成,白光的合成,3白光LED的实现方法,1）荧光粉转换(PC) LED,蓝光InGaN LED的结构,InGaN/YAG白光LED的结构,InGaN/YAG白光LED制作工艺流程,20m
11、A、250C时的白光LED的光谱,白光LED和其他可见光LED的色坐标,蓝光LED芯片配合YAG荧光粉获得白光LED的方法的优点是：结构简单，成本较低，制作工艺相对简单，而且YAG荧光粉在荧光灯中应用了许多年，工艺比较成熟。 该实现方法的缺点主要有：（1）因蓝光LED的效率还不够高，致使白光LED的光效较低。（2）用短波长的蓝光激发YAG荧光粉产生长波长的黄光，存在能量损耗。（3）荧光粉与封装材料随着时间老化，导致色温漂移和寿命的缩短。（4）难以实现低色温（白光偏向暖色），显色指数一般较低(7080)。（5）光色随电流变化，易出现月晕现象。（6）功率型白光LED还存在空间色度均匀性等问题。,2
12、)三基色荧光粉转换(PC) LED,三基色PC LED能在较高发光效率的前提下，有效地提升LED的显色性。三基色光源的最佳组合波长为450nm、540nm和610nm，这一组合可以通过部分被吸收的AlInGaN芯片的蓝光和适当的绿光和橙黄光两种荧光粉来实现。,LED的发光频与电流关系,两种白光LED的注入电流与色度的依存关系,3）多芯片(MC)白光LED（三基色RGB合成）,除了利用蓝光LED配合红色、绿色荧光粉产生白光外，也可以将RGB三基色LED芯片封装在一起来产生白光，还可以利用红、绿、蓝、黄橙四色LED来产生白光，构成多芯片白光LED。其中，三芯片RGB三基色合成白光技术最具有代表性。
13、,RGB三基色LED的发光光谱,4白光LED存在的问题及对策,1）散热问题,A 加速器件老化，缩短使用寿命，严重时会导致芯片烧毁。B 使蓝光LED的波长发生红移，并对白光的色度和色温等产生重要影响。如果波长偏移过多，偏离了荧光粉的吸收峰，将导致荧光粉量子效率降低，影响出光效率。C 温度对荧光粉的辐射特性也有很大影响，随温度的上升，荧光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生改变，致使白光LED的色温、色度发生变化。,2）发光效率还不是足够高,目前白光LED的发光效率的实验室水平早已超过lOOlm/W,芯片的内量子效率已经接近10%的极限,可采用覆芯片化封装方式，并整合芯片表面的加工工艺,3）
14、高质量荧光粉的开发及其涂敷工艺控制,对荧光粉的基本要求是：A 能被与其相配的蓝光或紫外芯片有效激发。B 具有较高的量子效率。C 化学性能稳定，光衰小。,4) 显色性和空间色度均匀性控制,5) 芯片光电参数的配合,6) 建立照明用功率型白光LED的测试标准,7) 根据应用要求生产的器件光色度参数的控制,8) 光学系统与灯具,9) 生产成本控制10) 白光LED照明系统驱动与补偿电路的开发,5荧光材料,6 白光LED的特性,白光LED的发射波长及肉眼的相对光敏感性,白光LED色坐标随正向(工作)电流变化的变化曲线,显示波长(色彩)也随正向电流变化,照明用功率型白光LED的主要参数,1W白光LED典型的伏-安特性曲线,HB-WLED恒流驱动测试电路,D恒流驱动测试电路,不同直流电流值下的光学参数曲线,2.6 LED的散热技术,2.采用微通道制冷的LED,1 LED的结温热阻与热分析,提纲,1 LED的结温热阻与热分析,结温对LED性能的影响,2.采用微通道制冷的LED,1) 硅基微通道致冷器的基本结构及其研究结果,硅基微通道致冷器基本结构示意图,2) 微通道致冷器技术,屋脊式三层结构的微通道致冷器结构示意图,微通道致冷器的测试原理图,
