半导体发光二极管

半导体发光二极管一、导言二、基本结构三、主要参数四、工艺简介一、导言•最早在60年代初期出现GaAsP红色发光器件，进而出现GaP掺锌氧对的红色器件，GaP掺氮的黄绿器件等等。十年后这些器件实现大批量生产。到了80年代中期出现了GaAlAs发光二极管，其发光亮度有了大幅度提高。到了1990年，Hewlett-Packard公司和东芝公司分别提出了一种以AlGaIn材料为基础的新型发光二极管。由于AlGaIn在光谱的红到黄绿部分均可得到很高的发光效率，使LED的应用得到大大发展。1、导言（续）•这些应用包括汽车灯（如尾灯和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。近几年来，由于CaN材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白LED的产业化成为现实，而且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白LED在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。二、发光二极管的基本结构发光二极管的英语名称为：LightEmittingDiode，简称LED，图1是普通LED的基本结构图。它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。图1普通LED基本结构图发光二极管的基本结构（续）组成LED的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架和环氧树脂。2.1管芯管芯是一个由化合物半导体组成的PN结。由不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。即使同一种材料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组份，也可以得到不同的发光颜色。下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。发光颜色发光材料发光颜色发光材料普通红磷化镓普通黄、橙磷砷镓中亮度红磷砷镓超高亮黄、橙镓铟铝磷高亮红镓铝砷蓝氮化镓超高亮红镓铟铝磷紫氮化镓普通绿、黄绿磷化镓白氮化镓+荧光粉高亮绿镓铟铝磷红外砷化镓超高亮绿镓铟铝磷表1不同颜色的发光二极管所使用的发光材料发光二极管的基本结构（续）•图2是LED芯片图形。多数管芯正面为P面，连接到电源的正极，背面为N面，连接到电源的负极（(GaAlAs芯片正面为N，背面为P；以蓝宝石衬底的蓝、绿芯片P、N都在正面)。约在管芯2/3高处，是P区和N区的交界处，称PN结。EmissionArea0.254×0.254NElectrodePElectrodeGaPPEpiLayerGaPNEpiLayerGaPNSubstrate图2LED芯片图形发光二极管的基本结构（续）•当有电流通过PN结时产生发光，发光颜色取决于芯片材料，而发光强度除了和材料有关外，还和通过PN结电流的大小以及封装形式有关。电流越大，发光强度越高，但当电流达到一定程度时出现光的饱和，这时电流再增加，光强不再增加。封装时芯片到出光面距离越远，发光强度越高，但角度也越小。发光二极管的基本结构（续）•2.2粘合剂•粘合剂的作用是把管芯粘在支架的反射杯上，一般使用导电银浆作为粘合剂，但对于蓝宝石衬底的芯片，因两个电极都在正面，因此使用绝缘胶作为粘合剂。银浆有单组份和双组份两种，目前使用的银浆大都为单组份银浆，这种银浆必须在低温下保存。粘合剂的性能对制品的可靠性及透光效果有直接影响，因此，必须根据实际情况，选择合适的粘合剂，并注意应在规定的期限内使用。发光二极管的基本结构（续）•2.3金线金线的作用是把管芯的电极连接到支架上。主要有φ25μm和φ30μm两种规格，一般场合使用φ25μm金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用φ30μm金线。•2.4支架支架也即LED的外引线,一般使用基体为铁并镀银的支架，但有时为了提高制品的散热性能，则使用基体为铜的支架，当然，其材料成本也相应增加。发光二极管的基本结构（续）•2.5环氧树脂LED采用环氧树脂作为封装材料。环氧树脂的性能对LED的光电特性尤其是可靠性有很大影响。它的选择必须充分考虑其可靠性、出光效果、工艺可行性及价格等。目前国内较常用的是台湾产的EP系列环氧树脂，而我公司外加工线则较多使用日本产的502、512、514等树脂。502树脂的流动性较好，但出光效果较差，512树脂的出光效果好，但粘度较高，工艺可行性差，可靠性也较差，514树脂的最大优点是耐热性能好，因此，常用于可靠性要求较高的制品。发光二极管的基本结构（续）•树脂分为主剂和硬化剂两部分，有的树脂在主剂中加入了颜料，因此得到了各种颜色的主剂，而大多数树脂主剂出厂时是一种淡蓝色的液体，封装时根据需要加入不同颜料，硬化剂是一种无色透明的液体。在树脂中加入适量的散射剂可以提高发光的均匀性，增大散射角，但同时法向发光强度降低。三、LED的主要技术参数•3.1电学参数3.1.1正向压降指每个LED通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产生的电压降，用符号VF表示。由不同材料制成的LED具有不同的VF值。此外电极材料的选择以及电极制造过程工艺条件的控制也对VF值有着重要影响。组装过程影响VF值的因素主要是银浆的质量。银浆过期变质，使用双组份银浆时搅拌不均匀都可能造成VF值增加。LED的主要技术参数（续）•3.1.2反向漏电流是指给LED加上规定的反向电压时，通过LED的电流，用符号IR表示。正常的LED，IR值应接近0。反向漏电流的产生除了和管芯本身的质量有关外，还和组装时管芯安放状态有关。银浆粘污PN结和管芯崩裂是造成漏电的最主要因素。当银浆沾污PN结时，好像有一个电阻并联到结上，形成漏电通路，从而产生漏电。管芯崩裂是因为安放管芯时设备顶针位置调校不当，使管芯受损从而产生漏电。LED的主要技术参数（续）•3.2辐射度学参数辐射度学是有关某一给定辐射体的光辐射能量或功率,与人眼对亮度和颜色的灵敏度无关。光源的总辐射能量是各种波长能量之和，波长不同能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，如图3。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带宽。LED的主要技术参数（续）图〈3〉LED光谱分布图LED的主要技术参数（续）3.2.1峰值波长λp峰值波长λp是指光谱强度最大处的波长,它可以由光谱图很容易地确定。3.2.2半波宽度光谱辐射功率等于最大值一半的波长间隔。3.2.3中心波长和重心波长3.2.4辐射功率或辐射通量辐射功率定义为一个光源在单位时间内发射的总功率，单位为瓦特（W）LED的主要技术参数（续）3.2.5辐射强度•辐射强度定义为单位时间、单位立体角内发射的功率，单位是：瓦/球面度（W/Sr）3.3光度学参数为了了解光度学参数，必须首先了解视见函数。LED的主要技术参数（续）•人眼对各种波长的辐射的灵敏度是不同的，它不能感觉到红外线和紫外线，只能感受从380～760nm范围的可见光，而且在可见光中对各种波长的光的响应程度也是不同的。我们把人眼响应随波长而变化的函数关系称为视见函数，LED的主要技术参数（续）•度量辐射能的各个量是仅与客观条件有关的物理量，但光度学的量不仅与客观条件有关，而且还与人的视见函数有关。在辐射度学中引入的各个量，乘上一个与视觉有关的比例系数——即视见度Kλ，就得到光度学中的各个量。LED的主要技术参数（续）•3.3.1光通量假定LED的辐射通量为Pλ,该量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量Fλ,它表示单位时间内流出光能的大小,单位是流明（lm）。Pλ与Fλ之间的关系可用下式表示：Fλ=KλPλ式中，Kλ表示波长为λ的辐射通量每瓦可以产生多少流明的光通量。LED的主要技术参数（续）•3.3.2发光强度一光源在单位立体角内所发出的光通量称为该光源的光强I。一个光源的发光强度确定后，它的总光输出也就完全确定了，其它的光学结构（如反射腔等）不能使它增大，而只是可以将光从其它方向往某一方向集中，以提高该方向的光强。在芯片法向上的发光强度称为法向光强IV。发光强度的单位是坎德拉（cd）,一单位立体角内发出一流明的光称为一坎德拉。坎德拉是一个光源在给定方向上的发光强度。•LED的主要技术参数（续）3.3.3半值角θ在发光强度分布图形中，发光强度等于最大强度一半构成的角度称为半值角。如图3所示。图中，沿LED法向为机械轴方向，最大发光强度方向为光轴方向，机械轴与光轴之间的夹角成为偏差角。图3半值角θθD12Imax22ImaxImaxθ△机械轴光轴ZLED的主要技术参数（续）•芯片的厚度、封装模条的外形尺寸、支架反射杯的深度以及支架在模腔中的插入深度都对半值角的大小有直接影响。制造中，可以根据客户要求，通过选取不同的材料及选用不同的封装尺寸来得到不同大小的半值角。LED的主要技术参数（续）•3.4色度学参数•实验证明，大多数颜色可以由三种基本的颜色以适当的比例合成，这三种基本的颜色可以任意选定，但它们之间是互相独立的，即其中的一种不能由另外二种以适当的比例合并而成，一般选择红、绿、蓝三种颜色为三个基色，这就是所谓的三基色原理。CIE（国际照明委员会在三基色原理的基础上建立了CIE色度图，如图〈4〉，有关色度学的参数必须从色度图上理解。图〈4〉CIE色度图LED的主要技术参数（续）•3.4.1纯度和主波长色度学中两个最重要的参数是纯度和主波长，图〈6〉中给出了色坐标点为F的光源在色度图上的位置。我们通常选定白光W作照明光源，因此光源F的纯度定义为，自W向F作一直线，与单色光轴相交于G，距离WF占总长WG的百分数即为F的纯度：PF=图（6）中F点的纯度为75%，由此相应在光谱轨迹上的G点，其纯度为100%。此外还定义G点处光谱轨迹上的波长为光源F的主波长λD，在图（6）中，F点的主波长为600nm。WFWGLED的主要技术参数（续）•3.4.2色温光源的光辐射所呈现的颜色与某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度为光源的色温。所谓黑体，是指能够完全吸收由任何方向入射的任何波长的辐射的热辐射体。不同温度下，绝对黑体的色坐标见表2LED的主要技术参数（续）T°KXYT°KXY5000.7210.27950000.3450.35110000.6520.34560000.3220.33115000.5860.39370000.3060.31618000.5490.408100000.2800.28820000.5260.413240000.2500.25323000.4950.415∞0.2400.234表2绝对黑体的色坐标LED的主要技术参数（续）•将表2色坐标画于色度图上,即得到图中的黑体迹线。当某一光源的色坐标(x,y）位于色度图上黑体迹线时，就以黑体的绝对温度定义为该光源的色温。但是，有许多光源的色坐标并不在黑体迹线上，而是在此轨迹的附近。于是，我们又定义了相关色温，即在色度图上，和某一光源的色坐标点相距最近的那个黑体的绝对温度就定义为该光源的相关色温。实际应用中，有时为方便起见，采用色温来表示颜色，显然，这是一种近似的表示方法。LED的主要技术参数（续）•3.4.3显色指数显色指数：灯光下所显示的颜色与阳光下的颜色相比较之数值。3.5热学参数在大功率LED的设计中，必须充分考虑器件的散热性能，因此有必要了解器件的热学参数，主要的热学参数有结温和热阻。LED的主要技术参数（续）结温是LED处于工作状态时，PN结所产生的温度。热阻定义为PN结和器件参考点的温差和加在芯片上的功率之比，可用下式表示：θjx=器件参考点可以是管壳，环境或PCB板等，相应的热阻表示为θjc、θjA、和θjB。Tj-TxPH四、工艺简介工艺流程管芯安放金线键合封装成型热老化除披锋尺寸检查上连筋切断浸锡点灯外观检查切脚特性检查包装抽检入库工艺简介（续）•4.1管芯安放管芯安放工序的目的是用粘合剂把管芯放支架的发射杯中。见图〈7〉管芯安放后应在硬化炉中进行粘合剂硬化，硬化后用推力计抽测其推力，一般要求推力大于150g，否则视为粘附不牢。图〈7〉管芯安放示意图工艺简介（续）•4.2金线键合金线键合的目的是用金线把管芯的电极连接到支架上（见图8）。本工序对产品的可靠性有着重要影响。键合后用拉力计抽测拉力，要求拉力必须大于