交通信号灯作业

1、 目录摘 要21 前言 32 国内外研发进展 33 我国LED封装业的现状与未来43.2 LED封装产能53.3 LED封装生产及测试设备53.5 LED封装应用方向63.6 LED封装业人才状况64 技术原理 64.1 光谱特性 74.2  散热技术 84.3  取光技术 95  技术路线 10结束语 11 氮化镓基半导体照明及其封装与未来摘 要 文章分析了照明用半导体的外延、芯片及封装等相关技术，介绍了在光谱特性、散热性能、出光技术等方面的探

2、索，提出了一些具体的解决方案，并对的产业化生产进行了讨论。  中国是LED封装大国，据估计全世界80%数量的LED器件封装集中在中国，分布在各类美资、台资、港资、内资封装企业。在过去的五年里，外资LED封装企业不断内迁大陆，内资封装企业不断成长发展，技术不断成熟和创新。在中低端LED器件封装领域，中国LED封装企业的市场占有率较高，在高端LED器件封装领域，部分中国企业有较大突破。随着工艺技术的不断成熟和品牌信誉的积累，中国LED封装企业必将在中国这个LED应用大国里扮演重要和主导的角色。关键词：半导体照明 封装 氮化镓 氮化镓是一种宽禁带半导体材料，在室温下其直

3、接带隙宽度为3.39eV，具有热导率高、耐高温、耐酸碱、高硬度等特性，是第三代半导体的代表。这些特性使氮化镓基材料广泛地被用于蓝、绿、紫外发光二极管和激光器，以及高温大功率器件。发光二极管是直接把电能转换成光的半导体器件，同传统的光源相比具有寿命长、可靠性高、低能耗等特点。 本文研究了氮化镓的外延生长、LED芯片的制造工艺，获得的主要结果如下： 1、用透明的ITO薄膜代替半透明的Ni/Au金属薄膜作为LED的电流扩展层，制备了氮化镓基发光二极管，并研究了它的电学性能和光学性能。在相同的驱动电流下，ITO/LED.氮化镓是一种宽禁带半导体材料，在室温下其直接带隙宽度为3.39eV，具有热导率高、

4、耐高温、耐酸碱、高硬度等特性，是第三代半导体的代表。这些特性使氮化镓基材料广泛地被用于蓝、绿、紫外发光二极管和激光器，以及高温大功率器件。发光二极管是直接把电能转换成光的半导体器件，同传统的光源相比具有寿命长、可靠性高、低能耗等特点。 本文研究了氮化镓的外延生长、LED芯片的制造工艺，获得的主要结果如下： 1、用透明的ITO薄膜代替半透明的Ni/Au金属薄膜作为LED的电流扩展层，制备了氮化镓基发光二极管，并研究了它的电学性能和光学性能。在相同的驱动电流下，ITO/LED具有更高的光输出功率。同时，ITO/LED保持了很好的可靠性。经过1000小时的30毫安的驱动电流的老化，ITO/LED的光

5、输出功率仍然在初始功率的80以上。 2、应用ICP干法刻蚀和自然光刻技术，粗化氮化镓基LED芯片的透明导电薄膜ITO。实验结果表明，粗化的ITO表面极大地改善了氮化镓基LED芯片的出光效率。在20mA的直流驱动下，ITO表面粗化过的LED与传统的LED相比，发光强度提高了70。 3、在氮化镓基LED芯片的外延生长时，在P型氮化镓层中间生长一夹杂层，使其P型氮化镓薄膜的表面自然粗化。实验结果表明，P型氮化镓表面自然粗化过的LED芯片的出光效率提高了60。典型的20mA时的电压值仅仅比传统的LED高了0.15V。1 前言  发光二极管（ ，）是可以直接将电能转化为可见

6、光和辐射能的发光器件，具有工作电压低、耗电量小、响应时间短、光色纯、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小等一系列特性。近年来，LED发展突飞猛进。其中基于氮化镓氮化镓材料的高亮度功率型半导体照明是化合物半导体乃至整个光电子和半导体产业界的研发热点，发展前景极其广阔。与传统照明技术相比，这种新型光源具有高效节能、长寿命、小体积、易维护、环保、安全、耐候性好等优势，被公认为是极具发展前途的照明光源。随着北京市各项奥运工程的深入开展，新一代城市景观照明灯、大屏幕全彩显示屏、户内外公共场所信息指示牌等众多应用将进一步加大对高亮度半导体照明光源的需求量，LED在民用照明领域内的应用也将

7、进一步得到推广。 2 国内外研发进展  在高亮度及功率型研发方面居于国际先进水平的公司主要分布在美国、日本、欧洲和韩国，代表性的公司有：美国的，公司，日本的，T 公司，欧洲的，公司等。这些跨国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占领绝大多数的市场份额。台湾的一些光电企业，如，等也起步较早，在下游工艺和封装以及上游材料外延方面具备了若干自主知识产权，也占有一定的市场份额。最近年内，韩国，等公司的相关技术优势更加突出。我国在功率型芯片，特别是氮化镓基高亮度蓝绿色、紫色管芯芯片及半导体白光照明灯具方面的研究正在迅速发展。代表性的企业主要有：方大国科、华光、蓝宝、路美、

8、厦门三安、上海蓝光等。  在传统的蓝绿色市场中，此种在我国特别是珠江三角洲地区有大量的封装厂和产品销售，但是芯片大多由台湾和韩国进口。由于该类低价芯片一般为功率水平较低的低档产品（电功率输入下，蓝绿光的发光功率为），在车载仪表显示、高品质大屏幕应用等方面不具有竞争力。在各种照明领域，其产业链正处于初步发展的阶段。世界各国、各地区的生产厂商均在加大研发力度。而我国在该领域则刚刚起步，面向半导体照明的大功率管芯产品几乎还是空白。 3 我国LED封装业的现状与未来  3.1 LED封装产品 LED封装产品大致分为直插式（LAMP）、贴片式（SMD）、大功率（HI-POW

9、ER）三大类，三大类产品中有不同尺寸、不同形状、不同颜色等各类产品。我国的LED封装产品经过十多年的发展，已形成门类齐全的各类封装型号，与国外的封装产品型号基本同步，在国内基本能找到各类进口产品的替代产品。在今后的几年里，我国的LED封装产品种类将更加齐全，与国外产品保持同步。 3.2 LED封装产能 中国已逐渐成为世界LED封装器件的制造中心，其中包括台资、港资、美资等企业在中国的制造基地。    据估算，中国的封装产能（含外资在大陆的工厂）占全世界封装产能的60%，并且随着LED产业的聚集度在中国的增加，此比例还在上升。大陆LED封装企业的封装产能扩充较快，随

10、着更多资本进入大陆封装产业，LED封装产能将会快速扩张。 3.3 LED封装生产及测试设备    LED封装主要生产设备有自动固晶机、自动焊线机、自动封胶机、自动分光分色机、自动点胶机、自动贴带机等；LED主要测试设备有IS标准仪、光电综合测试仪、TG点测试仪、积分球流明测试仪、荧光粉测试仪、冷热冲击箱、高温高湿箱等。五年前，LED主要封装设备是欧洲、台湾厂商的天下，国产设备多为半自动设备，现在，除自动焊线机外，国产全自动设备已能批量供应，不过精度和速度有待进一步提高。LED的主要测试设备，除IS标准仪外，其它设备已基本实现国产化。就硬件水平来说，中国规模以上的L

11、ED封装企业是世界上最先进的。当然，一些更高层次的测试分析设备还有待进一步配备。  中国在封装设备硬件上，由于购买了最新型和最先进的封装设备，拥有后发优势，具备先进封装技术和工艺发展的基础。3.4 LED芯片 LED封装器件的性能在50%程度上取决于芯片，50%取决于封装工艺和辅助材料。目前中国大陆的LED芯片企业约有十家左右，起步较晚，规模不够大，最大的LED芯片企业年产值约3个亿人民币，每家平均产能在1至2个亿。国内中小尺寸芯片（指15mil以下）已能基本满足国内封装企业的需求，大尺寸（指功率型瓦级芯片）还需进口，主要来自美国、台湾企业。国产品牌的中小尺寸芯片性能与国外

12、品牌差距较小，具有良好的性价比，能满足绝大部分LED应用企业的需求。国产大尺寸瓦级芯片还需努力，以满足未来照明市场的巨大需求。随着资本市场对上游芯片企业的介入，预计未来三年我国LED芯片企业将有较大的发展，将有力地促进LED封装产业总体水平的提高。3.5 LED封装应用方向  目前，我国的LED封装产品已广泛地应用在指示、背光、显示、照明等应用方向，应用领域涵盖消费类电子业、汽车业、广告业、交通业、体育业、娱乐业、建筑业等全方位领域。我国LED封装器件应用领域的广度将会更加拓展，我国在LED的应用上已走在世界的前列。3.6 LED封装业人才状况  我国L

13、ED封装业的人才是建立在消化吸收台、港、美资LED企业的技术和管理人才基础上再培养和成长起来的。行业的中、高层技术及管理人才满足不了现有LED行业快速发展的需要，行业内经验型人才偏多，技术型、学术型人才偏少。可喜的是，随着产业的发展，部分高校已设置相关光电专业进行培养人才，产学研的合作深入也为我国LED封装企业输送和培养了一批人才。4 技术原理  组成物质的基本粒子、原子和电子在电场的作用下会发生能态跃迁，当它们从高能态回到低能态时，多余的能量会以光的形式释放出来，产生电致发光的现象。20世纪20年代，法国科学家··就发现了碳化硅材料的电致发光现象。直到20世纪4

14、0年代，随着材料与器件工艺的发展，才研制成功砷磷镓发光二极管。的核心发光部分是由型和型半导体构成的-结管芯，当注入-结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光、紫外光或近红外光。到上世纪90年代，采用双异质结与多量子阱结构，提高了发光二极管的亮度，之后，又通过技术在蓝宝石与碳化硅的衬底上成功生长了具有器件结构的氮化镓基的发光二极管外延片，制造出亮度很高的蓝绿光发光二极管。  实际上，产生的所有光并不是都可以释放出来的，这主要取决于半导体材料的质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料。如常规型封装是将边长的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键

15、合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状。由于管芯折射率与环氧树脂折射率相差较大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在管芯内部经多次反射而被吸收，导致光的过多损失。   选择不同折射率的封装材料及封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面

16、形，其相应视角将增大。  一般情况下，的发光波长随着温度变化为/，光谱宽度也随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经-结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高，的发光强度会相应减少左右。目前，很多功率型的驱动电流可以达到、甚至级，需要改进封装结构，借助全新的封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。 关键技术问题 4.1 光谱特性  要作为照明光源，半导体常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，目前距离甚远。因此，关键要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。半导体照明所用的外延材料采用的外延生长技术和多

17、量子阱结构，其特点是高光功率输出、优异的光谱特性。光谱特性是指发光波长的稳定和极窄的光谱半高宽。发光二极管中心波长随注入电流变化是外延片材料制备过程中遇到的关键难题之一。众多商品化的芯片发光的中心波长一般随注入电流增大而造成发光波长的严重不稳定性。此外，芯片电致发光光谱的半高宽也是衡量外延片质量的重要参数之一，半高宽越窄，发光颜色越纯。高质量的氮化镓/氮化镓多量子阱有源区生长是氮化镓材料研究中的难点，也是各研究小组和生产厂商的核心技术。采用了新型量子阱结构的芯片，在注入电流由变化时，中心发光波长移动小于。上述芯片注入下的电荧光光谱的半高全宽仅为，并且随注入电流变化（）仅为。同时，均匀性与重复性

18、是外延片产业化技术中的重要评价指标。实现规模化生产、要求在高质量外延片的产业化能力方面须具有雄厚的技术基础和保证，从而使外延片的成品率大大增加。 4.2  散热技术  传统的照明器件散热问题很容易解决，白炽灯、荧光灯在使用过程中灯丝达到非常高的温度，发出的光包含红外线，可以通过辐射的方式散发热量。如白炽灯泡的热量是通过辐射散出的。但是的发光机理不同，是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不包含红外部分，所以其热量不能靠辐射散出，因此，又被称为“冷”光源。但是，目前的发光效率仅能达到，还有的能量转换成了热量。由于传统的管芯功率小，需要散热也小，因而散热问题不严重。目前

19、制作的大功率白光的芯片尺寸大多在×以上，单个器件的耗散功率在以上，如果简单地把封装尺寸也按比例放大，芯片的热量不能散出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可能导致倒装焊的焊锡熔化，使芯片失效。而且，当温度上升时，色度变差，随着蓝光波长变动，荧光粉吸收率下降，总发光强度会减少，白光色度变差。同时将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升，环氧碳化变黄，从而加速器件的光衰直至失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此，对于大工作电流的半导体照明芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是技术关键。解决热问题的方法主要有两种：提高器件内的量子效率，提高芯片的发光效率，从根本上减少

20、热量的产生；改进的结构，加快内部热量的散发，以有效降低芯片的温度。 在芯片制作与封装方面，我们主要采用以下方法帮助散热：    （1）芯片制作采用倒装焊的结构，的热量主要产生于很薄的有源层中，而封装完成后的器件，其热量则主要依靠向管座的热传导来散开。蓝宝石衬底的导热系数很小，因此普通正装的芯片结构会使管座与芯片有源层间产生很大的温差，导致管芯温度上升，从而影响器件的各项性能。采用倒装焊芯片结构后，利用热沉作为散热的中间导体，因为是热的良导体，其传热效果要远远好于正面出光的，靠蓝宝石来散热的片子。  （2）改进原有的封装结构，采取特殊的铝基板作为

21、器件的承载平台，器件的反光与散热都由厚的铝基板完成，同时将氮化镓芯片粘附在热沉上，与的仅靠碗状模具散热相比，更有利于热量的传输。  （3）采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在器件的内部填充柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内（一般为），胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路。零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。  4.3  取光技术  从理论上讲，当我们在发光的p-n结上施加正向电压时，p-n结会有电流通过，电子和空穴在p-n结过渡层中复合会产生光子，但是光子并不能地逸出到空气中。 主要原因如下：

22、0; （1）由光的传播理论中的光线折射定律可知，两种不同材料的界面在折射系数不同时，将出现光线被反射的现象，发光的芯片与周围介质在折射系数上不同，因此必然导致光线不能全部逸出；   （2）发光芯片为了施加工作电流和电压，必须固定在引线支架上，同时还需制作便于馈送电流的p型和n型两个电极，而这种能引出导线的电极一般由不透光的金属构成，这就阻挡了一部分光线逸出；   （3）用作包封材料的环氧树脂，其透光率存在一定的比率，并且在高温下随时间的延长会变黄，透光率衰减严重，导致一部分光线不能逸出；   （4）环氧树脂的包封形状及其与空气在折射系数上不同，对光线的逸出效率有较大的影响。目前，主要采用以下方法解决取光问题： 5  技术路线