专业知识LED相关知识.docx
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专业知识LED相关知识
Zhye
SMDLED surface-mountdeviceLED。
表面粘着型LED。
表面粘着型LED的出现是在1980年初,是因应更小型封装和工厂自动化而生。
初期厂商裹足不前,主要因素是表面粘着LED最早面临的问题是无法完成高温红外线下焊锡回流的步骤。
LED的比热较IC低,温度升高时不仅会造成亮度下降,且超过摄氏100度时将加速组件的劣化。
LED封装时使用的树脂会吸收水分,这些水分子急速汽化时,会使原封装树脂产生裂缝,影响产品效益。
在1990年初,HP和SiemensComponentGroup合作开发长分子键聚合物,作为表面粘着型LED配合取放机器的设计,表面粘着型LED到此才算正式登场。
LED LightEmittingDiode。
发光二极管。
LED为通电时可发光的电子组件,是半导体材料制成的发光组件,材料使用III-V族化学元素(如:
磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等),发光原理是将电能转换为光,也就是对化合物半导体施加电流,透过电子与电洞的结合,过剩的能量会以光的形式释出,达成发光的效果,属于冷性发光,寿命长达十万小时以上。
LED最大的特点在于:
无须暖灯时间(idlingtime)、反应速度很快(约在10^-9秒)、体积小、用电省、污染低、适合量产,具高可*度,容易配合应用上的需要制成极小或数组式的组件,适用范围颇广,如汽车、通讯产业、计算机、交通号志、显示器等。
LED又可以分成上、中、下游。
从上游到下游,产品在外观上差距相当大。
上游是由磊芯片形成,这种磊芯片长相大概是一个直径六到八公分宽的圆形,厚度相当薄,就像是一个平面金属一样。
LED发光颜色与亮度由磊晶材料决定,且磊晶占LED制造成本70%左右,对LED产业极为重要。
上游磊晶制程顺序为:
单芯片(III-V族基板)、结构设计、结晶成长、材料特性/厚度测量。
中游厂商就是将这些芯片加以切割,形成为上万个晶粒。
依照芯片的大小,可以切割为二万到四万个晶粒。
这些晶粒长得像沙滩上的沙子一样,通常用特殊胶带固定之后,再送到下游厂商作封装处理。
中游晶粒制程顺序为:
磊芯片、金属膜蒸镀、光罩、蚀刻、热处理、切割、崩裂、测量。
而,下游封装顺序为:
晶粒、固晶、粘着、打线、树脂封装、长烤、镀锡、剪脚、测试。
国内主要的LED生产厂商有:
鼎元、光磊、国联、三安等企业。
红外线发光二极管 红外线LightEmittingDiode。
主要以GaAs系列材料发展为主,通常以LPE液相磊晶法的方法制作,发光波长从850~940不等。
GaP 磷化镓。
磷化镓,是Ⅲ-Ⅴ族(三五族)元素化合的化合物。
GaP是一种间接迁移型半导体,具有低电流、高效率的发光特性,可发光范围函盖红色至黄绿色,为LED主要使用材料之一。
GaN 氮化镓。
氮化镓,是Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物。
GaN使MOVPE制作技术,可制作高亮度纯蓝光LED及纯绿光LED,更可应用于蓝光、绿光雷射二极管之制作。
MOVPE虽已是一成熟的磊晶制作技术,但以此技术制作GaN蓝光LED其中仍须相当的专业知识、经验和技巧
AlInGaP 磷化铝铟镓。
AlInGaP此材料是近年来用在高亮度LED之制造上较新的材料,使用MOVPE磊晶法制程。
目前世界上仅有三家厂商供应此产品的公司,即美国HP、日本Toshiba、台湾国联光电。
AlGaAs 砷化铝镓。
为GaAs和AlAs的混晶。
AlGaAs适合于制造高亮度红光及红外线LED,主要以LPE磊晶法量产,但因需制作AlGaAs基板,技术难度高。
反向粘着型薄芯片LED reversemountingtype薄芯片LED。
此种芯片可粘着在穿式印刷电路板上,减少LED所占的厚度。
主要可用作可携式电话按键之背光源。
侧面发光直角LED
此种LED芯片是从最上层面发光,但可将发光面旋转一个面焊接。
侧面发光直角LED有超小型和高亮度两种,超小型是用于LCD背光源、呼叫器、行动电话;高亮度型是用作汽、机车第三剎车灯和户外显示器。
直角表面粘着型LED灯泡 SIDELED。
直角表面粘着型LED灯泡不需额外的光学件或反射器,焊接后光线的行径路线可与各电路板平行,使工程人员在设计时有较大的弹性,因而可在设计的后段再加上此产品,而不需事先考虑。
产品可应用在自动安全断电开关、背光源和光导管等,用作电话和数据处理系统的指示灯。
可见光LED 可见光LightEmittingDiode。
LED(发光二极管)的种类繁多,依发光波长大致分为可见光与不可见光两类。
可见光LED产品主要包括传统LED、高亮度AlGaInP(磷化铝镓铟)红、黄、橘光LED及InGaN(氮化铟镓)蓝、绿光LED、以及白光LED。
其产品以显示用途为主,又以亮度一烛光(1cd)作为一般LED和高亮度LED之分界点。
一般LED广泛应用于各种室内显示用途;高亮度LED后者则适合于户外显示,如汽车第三煞车灯、户外信息看板和交通号志等。
不可见光LED 不可见光LightEmittingDiode。
LED(发光二极管)的种类繁多,依发光波长大致分为可见光与不可见光两类。
不可见光LED,波长850至1550奈米,其短波长红外光可作为红外线无线通讯使用,如红外线LED应用在影印纸张尺寸检知、家电用品遥控器、工厂自动检测、自动门、自动冲水装置控制等;长波长红外光,则应用在中、短距离光纤通讯上,作为光通讯用光源。
GaNLED 氮化镓发光二极管。
GaNLED是属于直接能隙之半导体材料,其能隙为3.4ev,而AlN为6.3ev,InN为2.0ev,将这几种材料做成混晶时,可以将能隙从2.0ev连续改变到6.3ev,因此可以获得从紫外线、紫光、蓝光、绿光到黄光等范围的颜色。
目前最成功的GaN组件有高亮度蓝光及绿光LED,因GaN高亮度蓝光、绿光LED的开发成功,使得户外全彩LED显示器及LED交通号志得以实现,各种LED的应用也更加广泛。
以高亮度蓝光LED激发萤光物质(phospher)可以产生白光,其低耗电及高寿命的特性,未来有可能取代一般照明用的白炽灯泡,GaNLED的市场潜力十分雄厚。
OLED OELD。
OrganicElectro-LuminescenceDisplay。
有机电激发光。
透过电流驱动有机薄膜来发光,其发光可为单独的之红色、蓝色、绿色,甚至是全彩。
由于OLED所使用的有机化合物材料会自行发光,因此不像LCD面板后方须要加上背光源,可以大幅降低耗电、简化制程、使面板厚度变薄。
OLED的特点为具有自发光、广视角、响应速度快、低耗电量、对比强、亮度高、厚度薄、可全彩化,及动画显示等,被认为是极具潜力的平面显示技术。
国内目前有铼宝、光磊、东元激光、翰立光电等厂商投入。
室内用LED显示看板
LED显示看板不管尺寸大小,都是由单一组件的LED加以拼装而成,LED的单一组件,来自下游封装好的点矩阵式的LED,或是单位模块Cluster,再由显示看板的厂商将这些单一组件,依照各种不同的需求,组装成各种大型的看板,加上控制电路,然后到各施工地点安装测试。
室内用的LED显示看板,因观看的距离近,所以要求的分辨率较高,一般是使用点矩阵式模块,因室内的环境较稳定,所以比较不需要做防水防护装置及散热等措施,施工方面比较容易。
户外用LED显示看板
LED显示看板不管尺寸大小,都是由单一组件的LED加以拼装而成,LED的单一组件,来自下游封装好的点矩阵式的LED,或是单位模块Cluster,由显示看板的厂商将这些单一组件,依照各种不的需求,组装成各种大型的看板,加上控制电路,然后到各施工地点安装测试。
户外LED看板,观看距离较远,分辨率要求相对的较低,但对亮度、可见度及耐候性的要求都比较高,所以在户外的施工上比较需要考虑散热和防水等问题。
大型LED显示屏
大型LED显示屏需要组合不同的元组件与技术,一家厂商很难完全自产自足,因此外围产业的分工十分重要。
大型LED显示屏需要的元组件包括:
DriverIC、LEDCluster、PowerSupply、Cable及机械框架等;技术方面的需求包括:
防静电设计、电力配电规划、驱动线路设计、驱动软件设计、机械结构设计(散热、视角、支撑、遮阳、防潮等考量)以及亮度、色度的测试技术等。
UVLED紫外线二极管
UVLED(紫外线发光二极管)照明不仅可净化空气、节约能源,并可望取代现有的萤光灯与白热灯等照明装置,加上过去仅及405nm的波长带最近扩大到200nm,预期应用范围将大幅扩大到杀菌、废水处理、除臭、医疗、皮肤病治疗、辨识伪钞与环境Sensor等领域。
光通量(Luminousflux,Φ)单位为:
流明(lumen,lm)由一光源所发射并被人眼感知之所有辐射能称之为光通量。
光强度(luminousintensity,I)光源在某一方向立体角内之光通量大小。
单位:
坎德拉(candela,cd)照度(Illuminance,E)单位:
勒克斯(Lux,lx)照度是光通量与被照面之比值。
1lux之照度为1lumen之光通量均匀分布在面积为一平方米之区域。
辉度(Luminance,L)单位:
坎德拉每平方米(cd/㎡)一光源或一被照面之辉度指其单位表面在某一方向上的光强度密度,也可说是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度。
发光二极管(LightEmittingDiode,简称LED)?
是一种藉外加电压激发电子而放射出光(电能→光)的光电半导体组件。
发光现象属半导体中的直接发光(没有第三质点的介入)。
整个发光现象可分为三个过程(直接发光):
价电带的电子受外来的能量(顺向偏压),被激发至导电带,并同时于价电带遗留一个电洞,形成电子-电洞对。
受激发的电子于导电带中,与其它质点碰撞(散射),损失部份能量,而接近导电带边缘。
一旦导电带边缘的电子于价电带觅得电洞时,电子即从导电带边缘,经由陷阱中心(释放热能)或发光中心(释放光能),回到价电带与电洞复合,电子-电洞对消失。
因为LED主要是电子经由发光中心与电洞复合而发光,所以是一种微细的固态光源,不但体积小、寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性特佳,而且能够配合轻、薄和小型化之应用设备的需求,成为日常生活中十分普遍的产品。
利用各种化合物半导体材料及组件结构之变化,设计出不同的LED。
依其发光波长分为可见光、不可见光(红外光、紫外光)。
可见光:
有红、橙、黄、绿、蓝、紫等各种颜色,主要以显示用途为主。
又以亮度1烛光(cd)作为一般亮度和高亮度之分界点。
一般亮度LED广泛应用于各种室内显示用途;高亮度LED则适合于户外显示,如:
汽车第三煞车灯、户外信息看板和交通号志等。
不可见光:
短波长红外光可作为红外线无线通讯使用;长波长红外光则使用在中、短距离光纤通讯上,作为光通讯用光源。
使用的材料基本上已大致决定LED所释出的波长,其中,适合制作1000mcd以上之高亮度LED的材料,由长波长而短波长,分别为AlGaAs(砷化铝镓)、AlGaInP(磷化铝铟镓)及GaInN(氮化铟镓)等。
AlGaAs(砷化铝镓)适合于制造高亮度红光及红外线LED,主要以液相磊晶(LPE)法进行量产,使用双异质接面构造(DH)为主,但因为须制作AlGaAs基板,技术的困难度很高,故投资开发的厂商较少。
AlGaInP(磷化铝铟镓)适合于高亮度红、橘、黄及黄绿光LED,主要以金属有机气相磊晶(MOVPE)法进行量产,使用双异质接面(DH)及量子井(QW)构造,效率更为提高。
且由于AlGaInP红光LED在高温与高湿环境下,其寿命试验结果优于AlGaAs红光LED,未来有成为红光LED主流的趋势。
GaInN(氮化铟镓)适合于高亮度深绿、蓝、紫及紫外光LED,以高温的金属有机气相磊晶(MOVPE)法进行量产,也采用双异质接面(DH)及量子井(QW)构造,效率比前述的AlGaAs、AlGaInP更高。
全球各大厂均已积极投入相关材料组件技术之研发,并有所突破。
白光LED,乃是日本日亚公司利用蓝光LED加上黄色萤光材料构成的,其光电转换效率于1998年4月已提升至15流明/瓦,比传统灯泡略高,若以常见照明灯具之开发历程来看,白光LED极有机会成为未来于照明产业之明星产品。
LED设计之初,主要是利用于家用电器品显示器,广告看板或装饰用。
但由于其具有固定波长及操作方便等特点,已逐渐利用于植物生产研究上。
1987年开始有学者利用LED固定波长特性,应用在植物向地性,型态改变及病害发生上的研究。
日本千叶大学古在(Kozai)教授研究室将其应用在组织瓶苗的生产研究上。
预计未来在光研究上将有极大应用价值。
当然,目前LED亮度和价格仍未达实用化阶段,不过,由于极具市场潜力,各方面研究正急速的展开,LED势必成为提供植物生长的新兴光源。
外延片生长外延生长的基本原理是,在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有红宝石和SiC两种)上,气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面,生长出特定单晶薄膜。
目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
MOCVD金属有机物化学气相淀积(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition,简称MOCVD),1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。
该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体,是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备,主要用于GaN(氮化镓)系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造,也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
LED产品的光衰就是光在传输中的讯号减弱,而现阶段全球LED大厂们做出的LED产品光衰程度都不同,大功率LED同样存在光衰,这和温度有直接的关係,主要是由芯片、萤光粉和封装技术决定的。
目前,市场上的白光LED其光衰可能是向民用照明进军的首要问题之一。
针对LED的光衰主要有以下二大因素:
一、LED产品本身品质问题:
1、采用的LED芯片体质不好,亮度衰减较快。
2、生产工艺存在缺陷,LED芯片散热不能良好的从PIN脚导出,导致LED芯片温度过高使芯片衰减加剧。
二、使用条件问题:
1、LED为恒流驱动,有部分LED采用电压驱动原因使LED衰减过来。
2、驱动电流大于额定驱动条件。
其实导致LED产品光衰的原因很多,最关键的还是热的问题,儘管很多厂商在次级产品不特别注重散热的问题,但这些次级LED产品长期使用下,光衰程度会比有注重散热的LED产品要高。
LED芯片本身的热阻、银胶的影响、基板的散热效果,以及胶体和金线方面也都与光衰有关係。
融化
此过程是将置放于石英坩锅内的块状原材料加热至其融化温度之上,此阶段中最重要的参数为坩锅的位置与热量的供应,若使用较大的功率来融化原材料,石英坩锅的寿命会降低,反之功率太低则融化的过程费时太久,影响整体的产能。
颈部成长
当融浆的温度稳定之后,慢慢的将晶种往上拉升,并使直径缩小到一定(约6mm),维持此直径并拉长10-20cm,以消除晶种内的排差(dislocation),此种零排差(dislocation-free)的控制主要为将排差局限在颈部的成长。
晶冠成长
长完颈部后,慢慢地降低拉速与温度,使颈部的直径逐渐增加到所需的大小。
晶体成长
利用拉速与温度变化的调整来维持固定的晶棒直径,所以坩锅必须不断的上升来维持固定的液面高度,于是由坩锅传到晶棒及液面的辐射热会逐渐增加,此辐射热源将致使固业界面的温度梯度逐渐变小,所以在晶棒成长阶段的拉速必须逐渐地降低,以避免晶棒扭曲的现象产生。
尾部成长
当晶体成长到固定(需要)的长度后,晶棒的直径必须逐渐地缩小,直到与液面分开,此乃避免因热应力造成排差与滑移面现象。
切割:
晶棒长成以后就可以把它切割成一片一片的,也就是Wafer。
磊晶:
砷化镓磊晶依制程的不同,可分为LPE(液相磊晶)、MOCVD(有机金属气相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。
LPE的技术较低,主要用于一般的发光二极管,而MBE的技术层次较高,容易成长极薄的磊晶,且纯度高,平整性好,但量产能力低,磊晶成长速度慢。
MOCVD除了纯度高,平整性好外,量产能力及磊晶成长速度亦较MBE为快,所以现在大都以MOCVD来生产。
其过程首先是将GaAs衬底放入昂贵的有机化学汽相沉积炉(简MOCVD,又称外延炉),再通入III、II族金属元素的烷基化合物(甲基或乙基化物)蒸气与非金属(V或VI族元素)的氢化物(或烷基物)气体,在高温下,发生热解反应,生成III-V或II-VI族化合物沉积在衬底上,生长出一层厚度仅几微米(1毫米=1000微米)的化合物半导体外延层。
长有外延层的GaAs片也就是常称的外延片。
外延片经芯片加工后,通电就能发出颜色很纯的单色光,如红色、黄色等。
不同的材料、不同的生长条件以及不同的外延层结构都可以改变发光的颜色和亮度。
其实,在几微米厚的外延层中,真正发光的也仅是其中的几百纳米(1微米=1000纳米)厚的量子阱结构。
反应式:
Ga(CH3)3+PH3=GaP+3CH4
LED制程主要可分为三个阶段:
前段、中段、后段(也称:
上游、中游、下游。
专业术语则为:
材料生长,芯片制备和器件封装。
)
如下表所示:
步骤
内容
前段
前段主要是外延片衬底以及外延层的生长
中段
中段主要包括:
研磨、蒸镀、光刻、切割等过程
后段
后段则是根据不同的需要把做好的LED封装成各种各样的形式
(一)LED发光原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)、AlGaInP(磷化铝镓铟)等半导体制成的,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。
此外,在一定条件下,它还具有发光特性。
在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。
这些电子与价带上的空穴复合,复合时得到的能量以光能的形式释放。
这就是P-N结发光的原理。
如图1所示。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即
λ≈1240/Eg(mm)
电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量,大小为禁带宽度Eg,由光的量子性可知,hf=Eg[h为普朗克常量,f为频率,据f=c/λ,可得λ=hc/Eg,当λ的单位用um,Eg单位用电子伏特(eV)时,上式为λ=1.24um·ev/Eg],若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在1.59~3.26eV之间。
在此能量范围之内,带隙为直接带的III-V族半导体材料只有GaN等少数材料。
解决这个问题的一个办法是利用III-V族的二元化合物组成新的三元或四元III-V族固溶体,通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。
由两种III-V族化合物(如GaP和GaAs、GaP和InP)组成三元化合物固溶体,它们也是半导体材料,并且其能带结构、禁带宽度都会随着组分而变化,由一种半导体过渡到另一种半导体。
由此可见,调节X的值就能改变材料的能级结构,即改变LED的发光颜色。
此即所谓的能带工程。
■定义﹕
MB芯片﹕MetalBonding(金属粘着)芯片﹔该芯片属于UEC的专利产品
■特点﹕
1:
采用高散热系数的材料---Si 作为衬底﹐散热容易.
MB-typeAlGaInPLED
TS-typeAlGaInPLED
Standardtype
Advancedtype
Standardtype
TIP-type
(Thedistancefromlightemittingareatoheatsink)
150um
150um
200um
50um
(Substrate)
Silicon
Copper
GaP
GaP
*ThermalConductivity
GaAs:
46W/m-K
GaP:
77W/m-K
Si:
125~150W/m-K
Cupper:
300~400W/m-k
SiC:
490W/m-K
2﹕通过金属层来接合(waferbonding)磊晶层和衬底,同时反射光子,避免衬底的吸收.
3:
导电的Si衬底取代GaAs衬底,具备良好的热传导能力(导热系数相差3~4 倍),更适应于高驱动电流领域。
4:
底部金属反射层﹐有利于光度的提升及散热
5:
尺寸可加大﹐应用于Highpower领域﹐eg:
42milMB
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定义﹕
GB芯片﹕GlueBonding(粘着结合)芯片﹔该芯片属于UEC的专利产品
特点﹕
1﹕透明的蓝宝石衬底取代吸光的GaAs衬底﹐其出光功率是传统AS(Absorbablestructure)芯片的2倍以上﹐蓝宝石衬底类似TS芯片的GaP衬底.
2﹕芯片四面发光﹐具有出色的Pattern图
3﹕亮度方面﹐其整体亮度已超过TS芯片的水平(8.6mil)
4﹕双电极结构﹐其耐高电流方面要稍差于TS单电极芯片
TS芯片﹕transparentstructure(透明衬底)芯片﹐该芯片属于HP的专利产品。
■特点﹕
1.芯片工艺制作复杂﹐远高于ASLED
2.信赖性卓越
3.透明的GaP衬底﹐不吸收光﹐亮度高
4.应用广泛
晶片又称芯片,英文叫做CHIP,
它是制作LEDLAMP,LEDDISPLAY,LEDBACKLIGHT的主要材料,由磷化镓(GaP),镓铝砷(GaAlAs),或砷化镓(GaAs),氮化镓(GaN)等材质组成,其内部结构为一个PN结,具有单向导电性。
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LED芯片LED晶片大功率LED芯片LED外延片LED晶粒LED衬底LED磊芯片
倒装结构的LED芯片
1、LPE:
LiquidPhaseEpitaxy(液相磊晶法)GaP/GaP
2、VPE:
VaporPhaseEpitaxy(气相磊晶法)GaAsP/GaAs
3、MOVPE:
MetalOrganicVaporPhaseEpitaxy(有机金属气相磊晶法)AlGaInP、GaN
4、SH:
GaAlAs/GaAsSingleHeterostructure(单异型结构)GaAlAs/GaAs
5、DH:
GaAlAs/GaAsDoubleHeterostructure,(双异型结构)GaAlAs/GaAs
6、DDH:
GaAlAs/GaAlAsDoubleHeterostructure, (双异型结构)GaAlAs/GaAlAs
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