LED内部结构

LED灯内部结构1.LED芯片：LEDLightEmittingDiode(发光二极管)的缩写。是一种固态的半导体器件LED芯片，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的.led芯片的分类o按用途来分类：可根据用途分为大功率led、小功率led芯片两种；按颜色来分：主要分为三种：红色、绿色、蓝色（制作白光的原料）；按形状分类：一般分为方片、圆片两种；按大小分类：小功率的芯片一般分为8mil、9mil、12mil、14mil等LED芯片制作工艺oLED的制作流程全过程包括13步，具体如下：1.LED芯片检验镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑(lockhill芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整2.LED扩片由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm)，不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。3.LED点胶在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。(对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。)工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。4.LED备胶和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。5.LED手工刺片将扩张后LED芯片(备胶或未备胶)安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。6.LED自动装架自动装架其实是结合了沾胶(点胶)和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶(绝缘胶)，然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是蓝、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。7.LED烧结烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170℃，1小时。绝缘胶一般150℃，1小时。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时(或1小时)打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途，防止污染。8.压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。右图是铝丝压焊的过程，先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝(铝丝)拱丝形状，焊点形状，拉力。9.LED封胶LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架。(一般的LED无法通过气密性试验)9.1LED点胶：TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高(特别是白光LED)，主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。9.2LED灌胶封装Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型。9.3LED模压封装将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。10.LED固化与后固化固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟。后固化是为了让环氧充分固化，同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重要。一般条件为120℃，4小时。11.LED切筋和划片由于LED在生产中是连在一起的(不是单个)，Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。12.LED测试测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。LED芯片的技术发展状况o对于标准管芯（200-350μm2），日本日亚公司报道的最高研究水平，紫光（400nm）22mW，其外量子效率为35.5[%]，蓝光(460nm)18.8mW，其外量子效率为34.9[%]。美国Cree公司可以提供功率大于15mW的蓝色发光芯片(455～475nm)和最大功率为21mW的紫光发光芯片（395～410nm），8mW绿光（505～525nm）发光芯片。台湾现在可以向市场提供6mW左右的蓝光和4mW左右的紫光芯片，其实验室水平可以达到蓝光10mW和紫光7～8mW的水平。国内的公司可以向市场提供3～4mW的蓝光芯片，研究单位的水平为蓝光6mW左右，绿光1～2mW，紫光1～2mW。随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率己有了非常大的改善，如波长625nmAlGaInP基超高亮度发光二极管的内量子效率可达到100[%]，已接近极限。lGaInN基材料内存在的晶格和热失配所致的缺陷、应力和电场等使得AlGaInN基超高亮度发光二极管的内量子效率比较低，但也在35～50[%]之间，半导体材料本身的光电转换效率己远高过其它发光光源，因此提高芯片的外量子效率是提高发光效率的关键。这在很大程度上要求设计新的芯片结构来改善芯片出光效率，进而达到提升发光效率(或外量子效率)的目的，大功率芯片技术也就专注于如何提升出光效率来提升芯片的发光效率，主要技术途径和发展状况阐述如下：1）改变芯片外形的技术当发射点处于球的中心处时，球形芯片可以获得最佳的出光效率。改变芯片几何形状来提升出光效率的想法早在60年代就用于二极管芯片，但由于成本原因一直无法实用。在实际应用中，往往是制作特殊形状的芯片来提高侧向出光的利用效率，也可以在发光区底部(正面出光)或者外延层材料(背面出光)进行特殊的几何规格设计，并在适当的区域涂覆高防反射层薄膜，来提高芯片的侧向出光利用率。1999年HP公司开发了倒金字塔形AlInGaP芯片并达到商用的目标，TIP结构减少了光在晶体内传输距离、减少了内反射和吸收（有源区吸收和自由截流子吸收等）引起的光损耗、芯片特性大幅度改善，发光效率达100流明/瓦（100mA，610nm），外量子效率更达到55[%]（650nm），而面朝下的倒装结构使P-N结更接近热沉，改善了散热特性，提高了芯片寿命。2）键合技术AlGaInP和AlGaInN基二极管外延片所用的衬底分别为GaAs和蓝宝石，它们的导热性能都较差。为了更有效的散热和降低结温，可通过减薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底，然后将外延层键合转移倒导电和导热性能良好热导率大的衬底上，如铜、铝、金锡合金、氮化铝等。键合可用合金焊料如AuSn、PbSn、In等来完成。Si的热导率比GaAs和蓝宝石都好，而且易于加工，价格便宜，是功率型芯片的首选材料。2001年，Cree推出的新一代XBTM系列背面出光的功率型芯片，其尺寸为0.9mmx0.9mm，顶部引线键合垫处于中央位置，采用米字形电极使注入电流能够较为均匀的扩展，底部采用AuSn合金将芯片倒装焊接在管壳底盘上，具有较低的热阻，工作电流400mA时，波长405和470nm的输出光功率分别为250mW和150mW。3）倒装芯片技术AlGaInN基二极管外延片一般是生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的P电极和N电极只能制备在外延表面的同一侧，正面射出的光部分将被接触电极所吸收和键合引线遮挡。造成光吸收更主要的因素是P型GaN层电导率较低，为满足电流扩展的要求，覆盖于外延层表面大部分的半透明NiAu欧姆接触层的厚度应大于5-10nm，但是要使光吸收最小，则NiAu欧姆接触层的厚度必须非常薄，这样在透光率和扩展电阻率二者之间则要给以适当的折衷，折衷设计的结果必定使其功率转换的提高受到了限制。倒装芯片技术可增大输出功率、降低热阻，使发光的pn结靠近热沉，提高器件可靠性。2001年Lumileds报道了倒装焊技术在大功率AlInGaN基芯片上的应用，避免了电极焊点和引线对出光效率的影响，改善了电流扩散性和散热性，背反射膜的制备将传向下方的光反射回出光的蓝宝石一方，进一步提升出光效率，外量子效率达21[%]，功率换效率达20[%]（200mA，435nm），最大功率达到400mW（驱动电流1A，435nm，芯片尺寸1mmx1mm），其总体发光效率比正装增加1.6倍。中国对LED芯片的发展规化o近年来,我国LED芯片技术快速发展。在过去的一年里,我国LED芯片企业数量快速增长,海外芯片企业加速进入中国市场,我国LED芯片企业产能扩张,LED芯片业正在进入群雄逐鹿的战国时代。在这种情况下,应如何发展自己的核心技术,如何在市场中立足、崛起,中国LED芯片业面临考验。目前我国蓝宝石衬底白光LED有很大突破,有报道显示,光效已达到90lm/W-100lm/W。同时,具有自主技术产权的硅衬底白光LED也已经达到90lm/W-96lm/W。中国LED芯片业正在加速发展。与此同时,海外芯片厂商也正在加速进入中国市场,科锐(Cree)在惠州建设芯片厂、旭明在广东省建设LED芯片厂等等,都让我们感到,中国LED芯片业未来山雨欲来风满楼的竞争态势。一、国内现状国产芯：规模小档次低虽然中国的LED产业越来越强,但其高亮度产品的性能仍然落后于世界的领先水平。和海外制造商相比,中国公司是小规模的,在产品质量上还存在着巨大的差距。国产LED芯片的大多数应用在中低端的产品中,企业在技术上的突破偏少,特别是在电光转换效率上所做的工作偏少,未来应该在这方面有所突破。总体来讲,LED业还是有些浮躁,基础方面的研究不够。而功率型芯片与国外相比还有一定的差距,85[[%]]的大功率芯片还得依靠进口。“外芯”来袭去年下半年以来,国际LED芯片大厂加快了向我国进行投资布局的步伐。科锐、旭明的加速进入,让我国LED芯片产业感受到空前的紧迫感和竞争的压力。苏州纳晶光电公司董事长、中科院苏州纳米所研究员梁秉文博士认为,国际LED厂商在中国设厂是早晚的事,是时间问题。他们看好中国市场和相对低廉的智力,所以会逐渐将成熟的技术产品拿到中国来做。再加上中国的芯片企业竞争力弱,而中国对于芯片的需求又特别大,这些厂商进入中国就好像“进入无人之地”。从另一个角度看,这些厂商的进入也标志着LED芯片技术已经开始进入成熟阶段。当然激烈的竞争也在往后的日子里等着我们。二、发展之道师夷长技南昌欣磊光电科技有限公司副总经理周力认为,由于LED产业的特殊性,每个企业都面临高技术、高投入、高风险的压力和挑战,特别是在核心技术的掌握,人才、技术的引进,资金筹措与资本运作,现代企业管理,团队建设方面都存在许多实际困难,谁都想做大做强自己