LED基础知识-LED光源的封装讲义

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LED基础知识/白光LED封装

陈志忠2007/8/31

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伯乐达做的LED是A级！

XX伯乐达光电科技XX JIangsu Bright Optoelectronic Technology Co.Ltd

伯乐达－Bright！

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提纲

LED基础知识

LED的概念，LED的发光原理LED的历史LED的基本参数，LED的结构，LED的产品分类，LED的产业链，

白光LED封装

白光LED的概念，白光LED的优点白光LED基本参数白光LED封装的基本工艺白光LED的封装技术

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1.1 LED基本概念

LED是发光二极管LIGHT EMISSION DIODE ; LIGHT EMITTING DIODE . ? LED是通过半导体PN结把电能转化成光能的器件

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1.2 LED的基础知识：基本原理

其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P 区注入N区。进入对方区域N 的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。量子阱把经过结区的电子空穴限制住，提高复合效率。

PN结－》量子阱

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1.3 LED的基础知识：历史

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1、1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，效率0.1lm/W,比白炽灯低100倍，售价45$/只。

2、1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。

3、1971年，GaP绿色芯片LED。用途：指示用，长寿命10万小时，可靠

4、80年代AlGaAs技术使得LED效率达到10流明/瓦，90年代的AlGaInP技术使得LED效率达到100流明/瓦。用途：显示，信号用。用于室外的运动信息发布以及汽车的高位刹车灯。

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5、1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度蓝色发光二极管。用途：由于蓝光LED的出现，人们首次实现红黄蓝LED的全色显示，从90年代中期开始，许多广告、体育和娱乐场所开始应用LED大屏幕显示。

6、1997年，中村修二和美国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二极管激发黄光荧光粉得到白光LED，效率不足10lm/W。

7、2000年，

日亚报道了15lm/W白光LED，8、2003年，日亚报道的光效达到60lm/W，2006年3月，其光效达到100lm/W，9、2006年7月，Cree公司报道了130lm/W白光LED，10、2006年11月，日亚报道的光效达到150lm/W，其效率已经超过节能灯，实现了真正意义上的照明。

11 、2007年3月，美国CREE公司光效达到157lm/W，目前LED的效率向200Lm/W前进。

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1.4.1 基本参数－电学参数

正向工作电压VfIf ? 反向漏电流IrVr ? 功率P=Vf*If ? 测量方法

Vr Ir

1.4.2 光学参数

? ? 峰值波长（λp，nm），半峰宽（FWHM，nm）色纯度：反应了单色光和白光的比例主波长（λd，nm），视觉函数（V（λ））

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发光功率（Po，mW)，光通量（Lf，lm）发光效率（Le，lm/W）当Lf=632∫V （λ）Po （λ）d λ,当电功率全部转化成光功率,最大的发光效率为632lm/W,若蓝光激发荧光粉或三色LED 混合得到白光,其效率小于300lm/W. 发光强度(Iv,Lop，mcd）:单位立体角内的光通量. 照度(illumination，lm/m2 ,Lx）:单位面积上光通量，被照表面的明亮情况。亮度（luminance，Cd/m2)：单位面积上的发光强度。光源的明亮情况。

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光通量与光强的关系

–LED的光强与角度有关系，而光通量与角度无关；发光角度为一半光强所夹的角（15o，30o，60o，90o，100o，120o，150o，180o）

0 330 30

若LED作为点光源，光通量Φ与光强ΙV的关系Φ= IV ?2π?（1－cosθ1/2)

300

若60度发光角度光强为2000mcd, 则光通量约为1.68lm

270

900 600 300 0 300 600 900 Luminous Output (mcd)

但是光强随着角度变化并不是常数，以上公式只能近似的计算光通量，实际的情况是光强随着角度增大而减少。具体的数值需要通过配光曲线计算得到。

1.4.3 热学参数与可靠性

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LED的结温结温定义为LED的PN结的温度，通常芯片具有很小的结温尺寸，因此通常把芯片的温度等效结温。结温高将使得LED性能变差，失效性能变差，性能变差失效。影响结温的因素：1）不良的器件结构，大的串连电阻发热；2）封装材料的热阻，大的热阻导致散热的困难，材料和导热途径；3）发光效率低下，30％的电能转化成光能，其他转化成电能；4）环境的温度和联结材料，工艺。降低结温与耐热封装材料耐热封装材料是高可靠性LED的保证。降低结温耐热封装材料

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其他可靠性测试：恒温恒湿：高温高湿测量其对高湿环境下的可靠性高低温循环：测

试LED对昼夜和四季的适应性冷热冲击：测试其开关特性高温工作：加速老化，测试寿命过锡试验：深加工耐温能力大电流老化测试：比加温更苛刻的老化条件，考虑结温分布不均匀性ESD抗静电击穿能力：抗静电能力

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LED寿命寿命

LED作为电子－空穴对复合发光，对半导体而言，理论上它的寿命是无限长的。10万-100万小时的寿命概念源于半导体的性能。使用寿命则是指能够发挥作用的寿命，一般当光衰超过50％,LED的寿命就到期了。浴盆效应：初期和后期失效率较高，初始工作还会出现性能高低起伏的退火期,而中间期大多数器件能够正常工作。在同一批LED样本中，统计失效率来评价整体器件水平。在规定时间内，失效率越低，可靠性越好。

寿命的测试方法

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LED的光衰一般遵循以下规律：I=I0*EXP（-t/τ）时间常数τ与温度有关系，在一定的时间内分别测得温度Τ1对应的时间常数τ1，Τ2对应的τ2。我们把LED失效的因素归结于一个激活能Εa，则有τ=τ0? EXP（-Ea/ΚΤ）根据上面Τ1，Τ2对应的两个时间常数τ1，τ2则可得到τ0与Εa的值，这样我们就可以求得一定结温下的寿命值。以上的温度均指结温。

1.5 LED结构

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Lumileds Packaging

GaN-LED芯片的基本结构

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p-electrode (Ni/Au) p-electrode (Ni/Au) p-GaN layer InGaN MQW active layer n-GaN layer GaN buffer layer Sapphire substrate n-electrode(Ti/Al)

芯片基本结构:flip-chip

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芯片基本结构:SiC 垂直结构

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芯片基本结构:金属衬底、垂直结构

N-electrode pad ITO contact layer

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N-GaN

InGaN/GaN MQW P-GaN Transparent ohmic contact Ag Reflector Cu Heat Sinking

1.6 LED分类

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按发光颜色分：可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm 等。从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。半值角为5°～20°或更小。（2）标准型。其半值角为20°～45°。（3）大角度。按发光二极管的结构分有全环氧包封、金

属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。按发光强度和工作电流分:有普通亮度的LED（发光强度<10mcd）；超高亮度的LED（发光强度>100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。

LED分类

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数码管(Display)

普通LED (P2)

食人鱼(P4)

贴片(SMD)

大功率(High Power Led)

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1.7 LED产业链? LED设备，原材料：MOCVD，激光划片机，检测设备? 上游：材料生长，结构设计；亮度，波长，正向电压，可靠性；外延片2”? 中游：芯片制备；正向电压，出光，可靠性；芯片：0.3mm-1.5mm ? 下游：封装；出光效率，正向电压，可靠性，散热；LED lamp, SMT, high power，数码管等? 应用产品：灯具，工程；出光效率，散热，美学设计，建筑，文化等；装饰照明，路灯，LCD背光，车灯，太阳灯，普通照明，特种照明

产业链材料体系

上游衬底等原材料中科镓英：GaAs 外延

中游芯片

下游XX伯乐达光电科技XX 封装应用

XX三安、XX华光、河北汇能、XX福地、XX 普光、圣科佳XX欣磊、XX金桥大晨、XX奥伦德、XX 立德XX三安、XX蓝光、深圳方大、XX路美、XX 联创、XX蓝宝、长电、XX福地、XX普光

AlGaInP 南大光电：MO 源

中科嘉浦、深圳淼浩：蓝宝石GaN 南大光电：MO 源XX光明化工、XX科利德：高纯氨气

睿源

XX国星、利XX华联、亚德、XX升普、XX青XX量子、松、上XX鑫谷、海三思、XX伯乐XX洛普、深达、XX 稳润、天圳海洋津天星、王、深XX奥雷、圳珈伟、XX创元、XX通福日科光士达、XX伯乐达、乐达、XX鸿联

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二、白光LED封装

白光LED的概念，白光LED的优点白光LED基本参数白光LED封装的基本工艺白光LED的封装技术

2.1 白光LED的概念

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三基色通过适当的混合能产生所有的颜色，同样绝大多数颜色也可以分解成红、绿、蓝三种色光，这就是色度学中最基本原理——三基色原理三基色原理。三基色原理XX伯乐达光电科技XX

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实现白光的四种方式：

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4、直接发白光的技术

图15. 级联型GaN 基白光LED 的设计结构

图16.级联型级联型GaN基白光LED的电致发光光谱

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2.2 白光LED照明的优势

节能: 10倍白炽灯;2倍日光灯,一年节约一个三峡的发电量:870亿度

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环保

? ? ? 减少温室气体排量:减少CO2排量1.12亿吨/年. 减少水银等有害废弃物对环境的污染无频闪(直流工作) 无红外\紫外线成分

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安全低电压、节能

手机、笔记本等移动电器的背光源? 与太阳能电池合用，不需要高压逆变器（庭院灯，草坪灯，缺电地区照明）? 矿灯? 矿井坑道灯? 特殊环境：监狱，精神病院XX伯乐达光电科技XX

坚固、寿命长

? ? ? ? 防爆灯具军用灯具耐腐蚀环境使用车灯景观照明

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模拟日光的变化对生物节律的影响

延长花期，改变农作物的生长周期，提高产量? 改变人体节律，提高运动员成绩，夜班工人工作效率? 人文关怀的绿色照明（昼夜节律）

2.3 白光LED的基本参数

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1）电学参数2）光学参数3）可靠性参数4）色度学参数：色品图CIE1931,色坐标，色温，显色指数

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色品图CIE1931,色坐标，色坐标，色品图色坐标1931年国际照明委员会确认三刺激值作为颜色的基准色，其他颜色可以从三刺激组合而成，因为三个坐标值之和X+Y+Z=1, 所以色坐标往往用（x，y）表示。色温：色温：与光源有相同光色的绝对黑体的温度值。此温度值对应色品图上的普朗克曲线。但一般光源不会正好落在这条线上，因此光源的色温用相对色温表示，经验公式如下：显色指数：光源还原被照射物显色指数体颜色的能力。

，

Tc = 669 A4 ? 799 A3 + 3660 A2 ? 7047 A + 5652 ( x ? 0.329 ) 式中，A = y ? 0.187 ( )

2.4白光LED封装的基本工艺

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1、固晶：芯片粘在支架上粘接胶体的选择，芯片的位置，胶体的多少烘烤的温度，时间。共晶焊，压力，功率，温度，时间，表面处理。主要设备：自动固晶机asm，烘箱，等离子体清洗机，扩晶机，干燥箱

2、焊线：压力，功率，温度，时间焊球的大小，一焊，二焊，拱丝的弧度，劈刀的型号，金丝的尺寸。主要设备：eagle60/V

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3、点荧光粉：树脂的种类，A：B胶，荧光粉的比例，分散，表面修饰，脱泡，点胶的

方法。烘烤的方式，温度，时间。主要设备：Asymtek自动点胶机，宜极邦4、树脂密封：树脂的配比，模条的选择，封装的角度，芯片的位置。主要设备：自动封胶机5、长烤，提高老化性能6、冲切，一切，二切，设备：液压冲床，全切机7、老化、寿命测试。设备：恒温恒湿机，高低温冲击，盐雾机，老化台，热分析仪，热阻测试仪。8、测试、分拣，根据不同的色度，光学，电学参数。主要设备：自动测试分拣机9、包装。主要设备：包装机，回流焊机，贴片机等

2.5 白光LED的封装技术

2.5.1白光LED的提高发光效率技术1）荧光粉的选择相对亮度：不同厂家的荧光粉的吸收效率和转化效率相差很大。相对亮度高的荧光粉将大大提高白光发光效率。颗粒度：尺寸和分布，颗粒大的易发生沉淀。颗粒不均匀也影响效率。老化特性：能够耐温度，耐紫外照射。激发波长和发射波长：荧光粉的激发波长是获得最大荧光转换效率的LED 主波长；发射波长则是在该激发波长下荧光的峰值波长。

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2）荧光粉的配比及胶量控制；白光胶体的选择

3）荧光粉的涂覆方式

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建議Lens點透明膠填至此處一樣高即可建議phosphors點膠至此黃色處杯口在凸一點點

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4）封装胶体的选择全反射、高折射率材料、变折射率材料

GaN/air全反射角21.8o，透光率1/2n2~8% Epoxy/air全反射角35.70，透光率~22%

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n4 n3 n2 n1

5）绝缘胶与反射杯

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绝缘胶可以使得射向底部的光线通过反射杯反射出来，可以提高光效20－30％。

6）降低结温

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1、固晶方法：高导热的固晶胶＋底面反射镜共晶焊方法，倒装焊方法

2、支架的材料和散热途径。

3、使用时有效散热。

2.5.2白光LED的光色一致性的技术? 点胶工艺? 配胶：搅拌＋脱泡

–自动配胶，行星式

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荧光粉的使用时间? 荧光粉的颗粒和白光胶体中的抗沉淀剂? 固化的温度和时间? 白光分BIN的标准

荧光粉和色区的划分

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2.5.3 白光LED的可靠性技术

1）结温的降低2）银胶的导热与玻璃化温度，膨胀系数与封装胶体的匹配3）胶体的老化：封装胶体的耐温特性抗紫外特性吸水透气性与金属、芯片的黏附性热胀系数的匹配4）荧光粉的老化荧光粉的耐温特性中间隔离胶层隔开荧光粉与芯片直接接触5）可靠性，寿命的模型及测试，对可靠性的持续改进。