《LED芯片结构课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED芯片结构课件（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料苏永道 教授济南大学济南大学 理学院理学院2024/8/81济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.1LED芯片结构芯片结构 LED的封装工艺有的封装工艺有其其自己的特点自己的特点。对。对LED封装前封装前首先要做首先要做的是控制原物料的是控制原物料。因为因为许多场合需要许多场合需要户外户外使用，使用，环境环境条件往往条件往往比较比较恶劣，不是长期在高温下工作就是长期在低温下工作，而恶劣，不是长期在高温下工作就是长期在低温下工作，而且长期受雨水的腐蚀，如且长期受雨水的腐蚀，如LED的信赖度不是很
2、好，很容易出现的信赖度不是很好，很容易出现瞎点现象，所以注意对原物料品质的控制瞎点现象，所以注意对原物料品质的控制显得尤其重要显得尤其重要。LED芯片是半导体发光器件芯片是半导体发光器件LED的核心部件，的核心部件，它主要由它主要由砷砷(AS)、铝铝(AL)、镓镓(Ga)、铟铟(IN)、磷磷(P)、氮氮(N)、锶锶(i)这这几种元素中的若干种组成。几种元素中的若干种组成。2024/8/82济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料芯片按发光亮度分类可分为：芯片按发光亮度分类可分为：一般亮度一般亮度：R(红色红色GAaAsP655nm)、H(高红高红GaP697nm)、
3、G(绿色绿色GaP565nm)、Y(黄色黄色GaAsP/GaP585nm)、E(桔色桔色GaAsP/GaP635nm)等；等；高亮度高亮度：VG(较亮绿色较亮绿色GaP565nm)、VY(较亮黄色较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、SR(较亮红色较亮红色GaA/AS660nm)；超高亮度超高亮度：UGUYURUYSURFUE等。等。芯片按组成元素可分为：芯片按组成元素可分为： 二元晶片二元晶片(磷磷镓镓)：HG等；等； 三元晶片三元晶片(磷磷镓镓砷砷)：SR(较亮红色较亮红色GaA/AS660nm)、HR(超亮红色超亮红色GaAlAs660nm)、UR(最亮红色最亮红色GaAlAs660n
4、m)等；等；2024/8/83济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料 四元晶片四元晶片(磷磷铝铝镓镓铟铟)：SRF(较亮红色较亮红色AlGalnP)、HRF(超亮红色超亮红色AlGalnP)、URF(最亮红色最亮红色AlGalnP630nm)、VY(较亮黄色较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黄色超亮黄色AlGalnP595nm)、UY(最亮黄色最亮黄色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黄色最亮黄色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔超亮桔色色AlGalnP620nm)、UG(最亮绿色最亮绿
5、色AIGalnP574nm)LED等。等。 发光二极管芯片发光二极管芯片制作方法和制作方法和材料材料的的磊晶种类磊晶种类：1.LPE：液相磊晶法液相磊晶法GaP/GaP；2.VPE：气相磊晶法气相磊晶法GaAsP/GaAs；3.MOVPE：有机金属气相磊晶法有机金属气相磊晶法)AlGaInP、GaN；2024/8/84济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料4.SH：单异型结构单异型结构GaAlAs/GaAs；5.DH：双异型结构双异型结构GaAlAs/GaAs；6.DDH：双异型结构双异型结构GaAlAs/GaAlAs。不同不同LED芯片，其结构大同小异，有外延用
6、的芯片基板芯片，其结构大同小异，有外延用的芯片基板(蓝蓝宝石基板、碳化硅基板等宝石基板、碳化硅基板等)和掺杂的外延半导体材料及透明金属和掺杂的外延半导体材料及透明金属电极等构成。电极等构成。2024/8/85济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.1.1LED单电极芯片单电极芯片图2.1 单电极芯片结构示意图DEFCAHIBAGGJ电极直径Jn型结晶基板E电极厚度In层D芯片高度Hp层C芯片尺寸（长宽）G发光区Bn极金属层Fp极金属层A说明代码说明代码 单电极芯片单电极芯片结构代码含义结构代码含义2024/8/86济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封
7、装原物料的封装原物料2.1.2LED双电极芯片双电极芯片JHIGMNGABCEDFKLHL双电极芯片结构示意图芯片尺寸（长）I低温缓冲层Bn极金属层H蓝宝石基板A说明代码说明代码 双电极芯片结构代码含义双电极芯片结构代码含义2024/8/87济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料n极电极直径Np极金属层Gp极电极直径M透明导电层F电极厚度Lp型接触E芯片高度K发光层D芯片尺寸（宽）Jn型接触CJHIGMNGABCEDFKLHL双电极芯片结构示意图2024/8/88济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.1.3LED晶粒种类简介晶粒种
8、类简介GaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAs850nm940nm红外线不可见光GaInN/Sapphire455nm485nm高亮度蓝GaInN/Sapphire490nm540nm高亮度蓝绿/绿AlGaInP/GaAs高亮度绿GaP/GaP555nm560nm绿AlGaInP/GaAs高亮度黄绿GaP/GaP569nm575nm黄绿AlGaInP/GaAs高亮度黄GaAsP/GaP585nm600nm黄AlGaInP/GaAs高亮度橙GaAsP/GaP605nm622nm橙AlGaInP/GaAs630nm645nm高亮度红AlGaAs/GaAs645nm655n
9、m红可见光结构波长颜色类别晶粒种类晶粒种类2024/8/89济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.1.4LED衬底材料的种类衬底材料的种类对于制作对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要器件的要求进行选择。求进行选择。蓝宝石（蓝宝石（Al2O3）硅硅（Si）碳化硅（碳化硅（SiC）一、一、蓝宝石衬底蓝宝石衬底蓝宝石衬底有许多的优点：蓝宝石衬底有许多的优点：1.生产技术成熟、器件质量较好生产技术成熟、器件质量较好;2
10、.稳定性很好，能够运用在高温生长过稳定性很好，能够运用在高温生长过程中程中;3.机械强度高，易于处理和清洗机械强度高，易于处理和清洗。三种衬底材料：三种衬底材料：2024/8/810济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料蓝宝石衬底存在蓝宝石衬底存在的的问题问题： 1.1.晶格失配和热应力失配，会在外延层中产晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷生大量缺陷；2.2.蓝宝石是一种绝缘体蓝宝石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少造成了有效发光面积减少；3.3.增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。增加了光刻、蚀刻工艺过
11、程，制作成本高。 蓝宝石的硬度非常高蓝宝石的硬度非常高,在自然材料中其硬度仅次于金刚石在自然材料中其硬度仅次于金刚石,但是在但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割(从从400nm减到减到100nm左右左右)。添置完成减薄和切割工艺的设备又要。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。增加一笔较大的投资。蓝宝石衬底蓝宝石衬底导热性能不是很好导热性能不是很好(在在100约为约为25W/mK)，制，制作大功率作大功率LED往往采用倒装技术往往采用倒装技术(把蓝宝石衬底剥离或减薄把蓝宝石衬底剥离或减薄)。2024/8/811济南大学理学院
12、济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料二、二、硅衬底硅衬底 硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而硅是热的良导体，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。延长了器件的寿命。硅衬底芯片电极采用两种接触方式硅衬底芯片电极采用两种接触方式: V接接触触( (垂垂直直接接触触) )L接接触触( (水水平平接接触触) ) V电极芯片L电极芯片采用蓝宝石衬底和碳化硅衬底的采用蓝宝石衬底和碳化硅衬底的LED芯片芯片2024/8/812济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料三、三、碳化硅衬底碳化硅衬底碳化硅衬底碳化硅衬底（CREE公司专
13、门采用公司专门采用SiC材料作为衬底材料作为衬底）的的LED芯片芯片，电极是电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬型电极，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。较大的大功率器件。碳化硅的导热系数为碳化硅的导热系数为490W/mK，要比蓝宝石衬底高出要比蓝宝石衬底高出10倍倍以上以上。碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。 缺缺点点优优点点2024/8/813济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原
14、物料的封装原物料好好高高好好良良-1.4490碳化硅碳化硅(SiC)好好低低好好良良520150硅硅(Si)一般一般中中差差一般一般1.946蓝宝石蓝宝石(Al2O3)抗静电抗静电能力能力成本成本导热导热性性稳定性稳定性膨胀系膨胀系数数(10-6)导热系数导热系数(W/mK)衬衬底材料底材料三种衬底材料的性能比较三种衬底材料的性能比较除了以上三种常用的衬底材料之外，还有除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。 2024/8/814济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装
15、原物料的封装原物料2.1.5LED芯片的制作流程芯片的制作流程扩散和键合扩散和键合晶粒光刻光刻镀金镀金晶圆芯片晶圆芯片抛光抛光检验检验划片划片崩裂崩裂等离子体刻蚀等离子体刻蚀GaNLEDLED芯片的制作流程芯片的制作流程芯片的制作流程芯片的制作流程绿光晶粒样品绿光晶粒样品2024/8/815济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料磊晶加热磊晶加热干式刻蚀分离干式刻蚀分离透明层透明层P电极连接电极连接主主要要目目的的由由加加热热来来打打断断磊磊晶晶时时产产生生的的Mg-H键键结结使使P-GaN活活性性化化实实验验证证实实在在730氮氮气气环环境境下下加加热热20分钟可
16、有良好效果。分钟可有良好效果。由由干干式式蚀蚀刻刻(RLE)将将晶晶粒粒的的一一部部份份蚀蚀刻刻到到N-GaN，使使N旁边露出表面以便连接。旁边露出表面以便连接。因因P-GaN阻阻抗抗大大造造成成电电流流散散布布不不佳佳增增加加透透明明层层可可改改善善P-GaN的的电电流流散散布布进进而而提提高高亮亮度度目目前前制制造造使使用用之之透透明明电电极极为为Ni/Au=30/70A,可可与与P-GaN有有良良好好的的欧姆接触。欧姆接触。制制作作电电极极以以供供打打线线用用目目前前使使用用Ni/Au=0.3/6kA为为接接触电极触电极可有良好的欧姆接触。可有良好的欧姆接触。某芯片厂家蓝光某芯片厂家蓝光
17、LED的上游制作流程如下：的上游制作流程如下：2024/8/816济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料N电极连接电极连接测量测量衬底研磨衬底研磨划片划片封装封装制制作作电电极极以以供供打打线线用用目目前前使使用用Ti/Al=0.6/6kA为为接接触触电极电极可与可与N-GaN有良好的欧姆接触。有良好的欧姆接触。做做一一般般特特性性量量测测主主要要有有正正向向导导通通电电压压（VF）亮亮度度波波长长方方向向击击穿穿电电压压（VR）及及良良率率量量测测并并将将不不良品淘汰。良品淘汰。用用钻钻石石研研磨磨液液对对前前站站制制作作完完成成之之芯芯片片进进行行背背面面研研
18、磨磨以以便便于于切切割割及及帮帮助助散散热热目目前前大大多多研研磨磨抛抛光光至至100m,研磨良率可达研磨良率可达91%。将晶粒封装成将晶粒封装成LED,以便进行光的测试及静电测试。以便进行光的测试及静电测试。将研磨完成的芯片裂成晶粒将研磨完成的芯片裂成晶粒生产良率可达到生产良率可达到86%。2024/8/817济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.1.6制作制作LED磊芯片方法的比较磊芯片方法的比较 HB-LEDLDVCSELHBT成本较高良好率低原料取得不易磊晶纯度佳磊晶薄度控制佳磊晶平整度佳将有机金属以气体形式扩散至基板促使晶格表面粒子凝结MOCVD传统
19、LED磊晶薄度及平整度控制不易磊晶长成速度快量产能力尚可以气体或电浆材料传输至基板促使晶格表面粒子凝结或解离VPE传统LED磊晶薄度控制差磊晶平整度差操作简单磊晶长成速度快具量产能力以溶融态的液体材料直接和基板接触而沉积晶膜LPE主要应用缺点优点特色磊晶方法 制作磊芯片的几种常用方法2024/8/818济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.1.7常用芯片简图常用芯片简图（在此只给出几种）（在此只给出几种）一、单电极芯片一、单电极芯片1.1.圆电极芯片圆电极芯片 009UOV008RN010SOTK110DR2.2.方电极芯片方电极芯片 010YGK009UYG
20、113YGUM80SOU2024/8/819济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料3.3.带角电极芯片带角电极芯片 012UY512UOL012UYG012IRA二、双电极芯片二、双电极芯片几种双电极芯片几种双电极芯片 514GSB4713DC010BLTB024I2024/8/820济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.2lampLED支架介绍支架介绍支架的作用：支架的作用：用来导电和支撑用来导电和支撑晶片。晶片。支架的组成：支架的组成：一般来说是一般来说是由支架素材经过电镀而形成，由里由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、
21、铜、镍、铜、银这五层所组成。到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。一、一、LED支架图支架图2024/8/821济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料二、二、LED支架结构说明支架结构说明上上Bar以上称功能区、上以上称功能区、上Bar及上及上Bar以下称非功能区以下称非功能区备注备注长度长度边距边距脚中心距脚中心距脚宽脚宽高度高度支架部位支架部位109876代码代码碗碗PICH阴阳极宽阴阳极宽段差段差阴阳极间隙阴阳极间隙焊点焊点支架部位支架部位54321代码代码LED支架代码说明支架代码说明2024/8/822济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装
22、原物料的封装原物料三、三、LED支架尺寸说明支架尺寸说明80-100um银层厚度银层厚度40-50um铜层厚度铜层厚度7.62mm杯中心距杯中心距120-150um镍层厚度镍层厚度镀层管控厚镀层管控厚度度2.28mm02支架支架0.500.50mm厚度厚度2.54mm03、04支架支架脚距脚距152.4mm总长总长LED支架尺寸支架尺寸2024/8/823济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料四、四、LED支架材质支架材质银银(Ag)铜铜(Cu)镍镍(Ni)铜铜(Cu)2银银(Ag)铜铜(Cu)镍镍(Ni)1外镀外镀铁材铁材(SPCC)、铜材、铜材(Cu)基材基材
23、LED支架材料支架材料注：注：1.1.外度三层；外度三层； 2.2.外度四层；外度四层；3.3.铁才和铜材价格差别较大。铁才和铜材价格差别较大。五、支架电镀知识五、支架电镀知识（略）（略）2024/8/824济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料六、支架供货商管控相关条件六、支架供货商管控相关条件上上Bar80m以上以上，下下Bar45m以上以上5g正常空气中滞留正常空气中滞留37天天管控条件管控条件银层管控银层管控焊线拉力焊线拉力成品氧化成品氧化项目项目42010/5s42010/6s50010/3min17010/3h管控条件管控条件焊接标准焊接标准(06、0
24、7、09支架支架)焊接标准焊接标准(03、04支架支架)短烤短烤长烤长烤项目项目LED支架供货商管控条件支架供货商管控条件2024/8/825济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.2.2常用支架外观图集常用支架外观图集2003D11 2003EL3-1 2002L3平头 2002C有杯 2024/8/826济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2003WA3-1 2004LD 2003S16P 2033-3A 2024/8/827济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料3009 2015-2 51B 2
25、006 2024/8/828济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料2.2.3LED支架进料检验内容支架进料检验内容1.成品偏心2.造成焊线跨度距离过远过近3.造成焊线滑球 焊点及碗偏离中心轴线向前后左右偏移(支架弯曲管控：0.5mm)弯曲变形1.死灯(影响产品寿命)2.成品VF值增加 经150/3h烘烤或焊接实验后镀层有起泡或脱落露出铜层镀层起泡脱落1.固晶推力不足2.打线拉力不足3.成品VF值增加4.水清产品造成外观上不良 电镀层氧化等造成生锈变色(特别是功能区)生锈变色1.影响产品特性2.造成作业困扰，增加挑选工时 同批支架内混有两种或两种以上不同型号支架混料
26、1.影响数量管控2.成本增加抽检时每1K包装内少数或少整K数数量短少对LED造成的影响不良说明项目LED封装厂家对支架进料时的检验内容2024/8/829济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料1.芯片倾斜造成固晶推力不足、焊线掉晶2.芯片未固到底与碗底接触不良造成电性问题3.二焊不平造成虚焊 碗底或二焊焊台有凹凸高低不平现象凹凸不平1.影响作业(严重时)2.影响成品光斑、角度、亮度。 杯碗因受损而造成变形碗口变形1.影响LED外观2.影响LED焊接 有刮伤痕迹造成电镀层脱落等(受损面积0.050.05mm)支架刮伤1.影响LED外观2.对LED的组装造成一定影响
27、支架上Bar阴阳极或下Bar有压伤痕迹(压伤面积超过0.1mm0.1mm，深度超出0.03mm)支架压伤成品偏心 支架阴阳极前后左右偏移大于0.05mm支架倾斜1.造成焊线跳高现象(虚焊)2.损伤磁嘴 支架立于水平面上，量测底部与平面的间隙大于0.2mm支架扇形弯曲2024/8/830济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料1.影响LED外观2.影响LED切脚3.影响LED组装 支架脚弯曲大于0.05mm(脚中心值须符合公差内)脚弯曲2.造成芯片与支架连接空隙过大对电性造成影响(阻抗增大、VF值上升) 碗底有粗糙不光滑现象(素材冲压不平)碗底粗糙1.严重外观不良，无
28、法使用 支架有烧黑烧糊状物质(因电镀厂商制程中瞬间电流过高所致)支架烧焦1.影响成品外观2.造成焊接不良 杯内及二焊焊台有残留脏物或水纹污染支架污染1.造成成品亮度有差异2.烘烤变色造成外观不良 支架银层有厚薄不一而造成银层颜色差异电镀不均尺寸不符，无法使用 支架任何部位因冲压过程造成不规则变形者冲压不良1.成品偏心不良2.造成焊线跨度距离过远过近(严重造成粘固不牢形成死灯) 杯子或二焊偏离中心点(阴阳极位置不在一条直线上或同时往一边偏离)阴阳极变形2024/8/831济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料1.造成成品亮度有差异2.烘烤变色造成外观不良3.影响焊线
29、 支架表面镀层厚度上Bar为10010m(上Bar横档以上1mm)。全镀下Bar为7510m；半镀下Bar不低于10m支架电镀过薄1.影响LED外观2.影响LED组装焊接支架上Bar以下脚上有发白现象者支架异物(脚及下Bar发白)1.影响LED外观2.影响切脚作业 支架上Bar及下Bar均有毛刺现象，上Bar毛边大于0.03mm，下Bar毛边大于0.05mm支架毛边1.成品偏心2.严重者无法焊线 支架杯及阴极有左右偏离或上下偏离(可由测绘仪量测)支架弯头1.影响LED外观2.对插件造成影响 支架镀层表面附着不规则多余银物质银残留1.粗糙过大造成无法焊线2.造成焊接不良 支架阳极焊点面有粗糙现象大于1/3PAD者支架粗糙 同上 420/6s下有变色、气泡、银层脱落现象焊线耐热试验 1.死灯(影响产品寿命) 2.成品VF值增加 3.变色造成外观不良及焊接问题 150/3h下有变色、气泡、银层脱落现象烘烤检验2024/8/832济南大学理学院济南大学理学院第第2章章LED的封装原物料的封装原物料济南大学理学院济南大学理学院苏永道苏永道 教授教授2024/8/833
