大功率led封装材料技术

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1、,大功率LED封装的材料,1,目录,1,2,3,4,5,LED晶片（芯片）基础,LED导线架（支架）,LED封装用荧光粉,LED封装胶水,LED封装键合线,2,第一部分 LED晶片（芯片）基础,1.1 晶片的结构、组成及作用 1.2 晶片的制造工艺和流程 1.3 晶片的分类和主要技术参数 1.4 晶片的检测 1.5 晶片使用注意事项,3,1.1 晶片的结构、组成及作用,1.1.1 晶片的结构,4,芯片电极接触方式： L接触(Laterial-contact 水平接触)， L型电极，电流横向流动； V接触(Vertical-contact 垂直接触)，V型电极，电流纵向流动，发光面积增大，出光效

2、率提高。,（1）外延片 wafer,外延（Epitaxy）是指在特定的衬底材料上按照晶体取向关系进行的晶体生长。 外延片：利用外延技术生长的特定结构的晶片。,5,（2）外延片的制备方法：,HVPE (hydride vapor-phase epitaxy) 氢化物气相外延； 生长快，制备大块GaN，做同质衬底材料。 MBE (molecular-beam epitaxy) 分子束外延； 生长最慢，可生长高质量InGaN和InN，成长周期长，产能低。 MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition 金属有机化学气相沉积。 生长适中，可制备GaN、 I

3、nGaN 、 AlGaN，广泛应用。,6,（2）外延片的制备方法：,7,MOCVD机台,材料制备,（2）外延片制备方法：,MOCVD制备GaN： 反应方程式： Ga(CH3)3+NH3GaN+3CH4 原料： A族金属：Ga(CH3)3、Al(CH3)3 、In(CH3)3 、 Ga(CH3CH2)3 等； A族元素：NH3 P型杂质Si：硅烷（SiH4） n型杂质Mg：二茂镁 Mg(C5H5)2 生成的GaN薄膜吸附在衬底上，CH4排出。,8,MOCVD外延生长,GaN-LED 外延结构生长： 先利用丙酮和异丙醇对蓝宝石衬底进行有机超声清洗，去除表面有机物，进行吹干， 再利用（ H2SO4

4、:H2O2 = 2 :1, HCl :H2O2 =3:1 ）进行无机清洗，去除表面氧化物。吹干后放入MOCVD 设备中依次生长半导体外延叠层。生长的半导体叠层依次包括N型GaN 层、MQWS层、P 型GaN 层。 将上述样品取出，再次重复上述方法进行有机跟无机清洗吹干，放入生长ZnO 的MOCVD 设备中外延生长ZnO基透明导电薄膜层。,1.2 晶片的制造工艺和流程,国产匀胶台,负性光刻胶：负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。 正性光刻胶：正性光刻胶曝光后软化变得可溶,1.2 晶片的制造工艺和流程,1.2 晶片的制造工艺和流程,利用湿法刻蚀工艺刻蚀掉露出的ZnO 基透明电极，露出p 型GaN

5、层。,1.2 晶片的制造工艺和流程,再利用ICP 干法刻蚀将这部分露出的p 型GaN层刻蚀至n 型GaN 层。,干法刻蚀过程示意 离子轰击,1.2 晶片的制造工艺和流程,刻蚀完毕后利用去胶剂（stripper）、丙酮、IPA 进行去胶,1.2 晶片的制造工艺和流程,第二次光刻：采用涂胶光刻显影工艺在ZnO 透明导电层上定义p 型电极的区域及图案，同时也在 n 型GaN 层上定义n 型电极的区域及图案。,1.2 晶片的制造工艺和流程,利用电子束蒸发制备蒸镀p 型跟n 型的电极。,1.2 晶片的制造工艺和流程,用去胶剂，丙酮，异丙酮进行剥离，再利用合金炉在氮气氛围中进行合金，合金温度为250 摄氏

6、度，合金时间15min。,1.2 晶片的制造工艺和流程,18,1.2 晶片的制造工艺和流程,划片,裂片,19,1.2 晶片的制造工艺和流程,通过高温划片，再用裂片机剁成若干个所要的小chip.,1.2 晶片的制造工艺和流程,1.3 晶片的分类和主要技术参数,按结构划分：单电极、双电极、倒装芯片、垂直结构芯片等。 LED晶片按照组成成分的不同，可以分为二元（GaP、GaAS）、三元（GaAlP、GaAsP）、四元晶片（InGaAlP）和氮化物晶片。 按晶片发光颜色（波长）：红外线、红、橙、黄、绿、蓝、紫全波段。 按尺寸大小分：6mil、8mil、9mil、10mil、12mil、13mil、14

7、mil、15mil、20mil、28mil、40mil、6X8mil、10X12mil等 按功率：小功率 150mA，350mA,1.3.1 LED晶片的分类,21,1.3 晶片的分类和主要技术参数,1.3.1 LED晶片的主要技术参数：,22,发光波长（WD,WLD）。单位是：nm 正向电压（VF），单位为：V 光功率（PO，IV）， 单位为：mW,常用衬底材料： 蓝宝石 Al2O3；碳化硅 SiC；硅 Si。 其它衬底材料： 砷化镓 GaAs； 氮化铝AlN；氧化锌ZnO 良好衬底特点： 晶格常数匹配，热膨胀系数匹配，化学性质稳定，尺寸大，易于大量生产等。,23,1.4 衬底材料：,蓝宝石

8、衬底的优点： 生产技术成熟、器件质量较好； 稳定性很好，能够运用在高温生长过程中； 机械强度高，易于处理和清洗； 透明度高，出光效率高； 通常GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。,蓝宝石衬底,24,晶格失配，在外延层中产生大量缺陷，发光效率降低； 导热性一般，使得芯片工作结温较高，发光效率降低。 不导电，使得P、N两层的电极只能在同一个面上，导致电流分布不均，必须利用干法刻蚀为n层开出窗口，发光面积减少，生产成本增加；,蓝宝石衬底的缺点：,25,硬度非常高，在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割(从400nm减到100nm左右)，添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔

9、较大的投资。,蓝宝石衬底的缺点：,26,由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30%40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高,不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。,碳化硅衬底的优点： 导热性能好(碳化硅的导热系数为490 W / (m.K)要比蓝宝石衬底高出10倍以上； 碳化硅衬底的芯片电极为V型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出； 碳化硅衬底不需要电流扩散层，光不会被电流扩散层的材料吸收，出光效率高； 碳化硅衬底

10、的缺点： 碳化硅制造成本比蓝宝石衬底较高。,碳化硅衬底,27,两种不同衬底材料的晶片结构示意图,28,硅衬底的优点： 工艺成熟，质量高，成本低，尺寸大，导电性优良等； 可以湿法腐蚀去除，适合剥离衬底，制备大功率垂直结构芯片； 导热性能好，封装后热阻小，节温低，器件的寿命长，适合大电流驱动； 可制备L电极和v电极。,硅衬底,29,硅衬底的缺点： 热膨胀率和晶格常数同GaN失配大（56%和17%），易形成缺陷，是发光效率降低； 硅的晶格常数大于GaN的晶格常数，表现为GaN受到张应变，容易拉伸照成裂痕； 硅的带隙较小，容易吸收量子阱发光，使出光效率降低。,硅衬底,30,三种衬底的性能对比,GaAs

11、、AlN、ZnO等材料也可以作为衬底。,31,晶片电极结构,32,部分芯片结构：,15A 芯片 尺寸：13mil*15mil,13A 芯片 尺寸：12mil*13mil,P3大功率芯片 尺寸：1000um*1000um,33,34,圆正方负,35,1.5 晶片的检测,外观 电性能 光色性能 光效与功率,36,1.6 晶片使用注意事项,1. 晶片的存储：常温、垂直放置 2. 使用：避免刮擦、损伤 3. 防静电损伤、包装袋和操作 4. 使用前一定要抽样检测,37,第二部分 LED导线架（支架）,2.1 直插式（Lamp）LED支架 2.2 表贴式（SMD）LED支架 2.3 大功率（HI-Powe

12、r）支架,38,支架（Lead Frame）、导线架、引线架， 由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。 作用：导电、支撑和散热作用。,39,2.1 直插式（Lamp）LED支架：,直插式支架材料：铁或铜，表面镀银。 直插式支架种类：碗杯型、平头型和特殊型。 碗杯型支架：利用凹镜原理，使晶片发出的点光源聚集成一束平行光射出，视角小，光线集中； 平头型支架：晶片发出的光是点光源，光线比较发散，视角大。,40,2 PIN, 3 PIN,4 PIN 几种类型,41,42,食人鱼支架,43,44,45,A、2002杯/平头：此种支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其

13、Pin长比其他支架要短10mm左右。Pin间距为2.28mm B、2003杯/平头：一般用来做5以上的Lamp，外露pin长为 +29mm、-27mm。Pin间距为2.54mm。 C、2004杯/平头:用来做3左右的Lamp。Pin长及间距同2003支架D、2004LD/DD：用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线.杯较深 E、2006：两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。 F、2009：用来做双色的Lamp，杯内可固两颗晶片，三支pin脚控制极性。 G、2009-8/3009：用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支pin脚。 H、724-B/724-C：用来做食

14、人鱼的支架。,46,2.2 表贴式（SMD）LED支架,SMD支架分类：TOP支架、PCB片式支架两大类型 TOP支架组成： 铜材度银结构+PPA （苯丙醇胺）塑胶反射杯。 铜材作用：连接电路，反射，焊接等作用； 塑胶作用：反射，提供与胶水结合的界面等作用； 目前支架铜材一般为C194红铜，一般厚度为0.2mm,镀层厚度为0.348um.,47,在支架的众多因素中，除冲压件的设计和性质外，白色高温塑胶料是影响LED质量和稳定性的一个重要因素。用于TOP支架的塑胶料主要是solvay的白色PPA材料，耐高温焊接，高反射，与硅胶的结合性好，长期性耐度也不错。,5050支架,3528支架,2810支

15、架,几种TOP支架外观,48,PCB支架主要有CEM-3、FR-4、BT、金属基、陶瓷基等板材，其中前三种板材主要用于小功率LED，分为捞槽和钻孔两个系列，FR-4、BT板较为常用，由基板铜箔镀镍后镀银或再镀金成型；金属基和陶瓷基板则主要用于对散热有较高要求的大功率LED。,CEM-3 覆铜板是一种性能水平、价格介于CEM-1和FR-4之间的复合型覆铜板，它以环氧树脂玻纤布基粘结片为面料、环氧树脂玻纤纸基粘结片为芯料，单面或者双面覆盖铜箔后热压而成。,FR-4 覆铜板（环氧玻纤布覆铜板）强度高、耐热性好、介电性能好，基板通孔可以镀金属（俗称孔金属化），实现双面或多层印制板层与层之间电路导通,B

16、T（Bismaleimide Triazine）板，全称BT树脂基板材料，如：BT树脂基覆铜板，是重要的用于PCB（印制电路板）的一种特殊的高性能基板材料。,49,50,51,大功率（Hi-Power）支架一般是PPA塑胶反射杯+铜柱散热结构，铜柱为红铜+镀镍+镀银，主要作为功率型LED支架。大功率支架有如下几种类型：,2.3大功率（HI-Power）支架, 铜柱+框架+PPA塑料,带导热铜柱的大功率支架,52, 铜基板+框架+PPA塑料,带散热基板的大功率支架,53, 金属基板（分带框和不带框两种）,铝基基板的大功率支架,54,10-20W LED支架 可固多晶(4-8晶片),50-100W LED支架 可固多晶(最多100晶片),55,第三部分 LED封装用荧光粉,3.1 荧光粉组成 3.2 发光材料的发光机理 3.3 发光材料的主要性能表征 3.4 白光LED