半导体照明技术(第十讲)

1、 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第十二章第十二章 LEDLED封装技术封装技术 在这一章，将介绍常用的封装方式，包括在这一章，将介绍常用的封装方式，包括、表面贴片表面贴片 (SMD) LED封装、封装、食人鱼食人鱼(Piranha) LED以及大功率以及大功率LED封装封装等内容。等内容。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术概述概述 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术LED分类数码管(Display)大功率(High Power Led)贴片(SMD)食人鱼(P4)普通LED(P2) 半半

2、 导导 体体 照照 明明 技技 术术LED分类分类功率大小：小功率、大功率、超大功率。光波长：不可见光（红外、紫外）、可见光。封装形式：插件式、贴片式、多晶封装。插件式插件式贴片式贴片式多晶封装多晶封装小功率小功率 1W超大功率超大功率 10W 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第二节第二节 LEDLED器件的设计器件的设计 LED LED器件的设计包括电学、热学、光学和结构设计，这四方器件的设计包括电学、热学、光学和结构设计，这四方面是互相关联的，有时还有矛盾，考虑的原则是以光学参数面是互相关联的，有时还有矛盾，考虑的原则是以光学参数( (特特

3、别是光通量和光强别是光通量和光强) )为主的最佳折中。为主的最佳折中。一、设计原则一、设计原则 PNPN结发光器件的外量子效率为：结发光器件的外量子效率为：uijexuji 为电子注入效率，为电子注入效率， 为转化为光子的内量子效率，为转化为光子的内量子效率， 为为取光效率，提高这三个效率就可以提高器件的外量子效率。取光效率，提高这三个效率就可以提高器件的外量子效率。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 电学设计问题主要在外延和芯片制作是考虑。电学设计问题主要在外延和芯片制作是考虑。 1、提高、提高PN结注入效率主要是要选择适当的载流子浓度。结注入效率主要是要选择适当的载流子浓度。 外外

4、延层的载流子浓度不能太少。其原因是注入的少数载流子与延层的载流子浓度不能太少。其原因是注入的少数载流子与多子复合的概率与多子浓度成正比。另外，浓度太低会增加多子复合的概率与多子浓度成正比。另外，浓度太低会增加器件串联电阻，增加压降，导致器件过热，增加温升，降低器件串联电阻，增加压降，导致器件过热，增加温升，降低发光效率。但浓度太高又会导致俄歇过程这种非辐射复合中发光效率。但浓度太高又会导致俄歇过程这种非辐射复合中心的增加，并且会增加晶体不完整性，甚至出现杂质沉淀物心的增加，并且会增加晶体不完整性，甚至出现杂质沉淀物或各种络合物，从而降低发光效率。或各种络合物，从而降低发光效率。 2、衬底完整性

5、要好。、衬底完整性要好。因为较多的缺陷会使外延层完整性降因为较多的缺陷会使外延层完整性降低，造成非辐射复合中心，严重影响器件的发光效率。低，造成非辐射复合中心，严重影响器件的发光效率。二、电学设计二、电学设计 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术三、热学设计三、热学设计 热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。它不仅与器热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。它不仅与器件的可靠性有关，还直接影响到发光效率，因为一般半导体发件的可靠性有关，还直接影响到发光效率，因为一般半导体发光效率均随结温升高而降低。光效率均随结温升高而降低。1、热阻、热阻 结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。结构对热功

6、率传输所产生的阻力称为热阻。 通常将两个节点间单位热功率传输所产生的温度差定义为通常将两个节点间单位热功率传输所产生的温度差定义为该两个节点间的热阻。该两个节点间的热阻。DTPTR式中式中RT为两点间的热阻，为两点间的热阻， 为两点间的温度差，为两点间的温度差，PD为两点为两点间的热功率流。热阻单位为间的热功率流。热阻单位为C/W或或K/WT 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2、结构层热阻、结构层热阻 结构层热阻结构层热阻RT正比于层的厚度正比于层的厚度L，反比于材料的热导率，反比于材料的热导率和和层的面积层的面积S： SLRT3、扩展热阻、扩展热阻 当一热流通过一小面积进入无限固体中

7、时，所产生的热阻当一热流通过一小面积进入无限固体中时，所产生的热阻称为扩散热阻。称为扩散热阻。 它的大小除与其无限固体的热导率有关外，还与接触面积它的大小除与其无限固体的热导率有关外，还与接触面积和形状有关。面积一定时，细长形接触的扩展热阻低于方形，和形状有关。面积一定时，细长形接触的扩展热阻低于方形，环形的小于椭圆形的，更小于圆形的。环形的小于椭圆形的，更小于圆形的。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术4、实际器件的热阻、实际器件的热阻 实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、引线实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、引线架的扩展热阻、管壳的热阻和键合热阻。架的扩展热阻、

8、管壳的热阻和键合热阻。 器件的总温升为各热阻部分引起的温升之和。器件的总温升为各热阻部分引起的温升之和。5、降低热阻的措施、降低热阻的措施a、减少各结构层的厚度，采用高热导焊料，降低各结构层的、减少各结构层的厚度，采用高热导焊料，降低各结构层的 热阻。热阻。b、采用适当形状的、采用适当形状的PN结或管芯，降低扩展热阻。结或管芯，降低扩展热阻。c、封装时选用高热导的引线架、降低管壳的热阻。、封装时选用高热导的引线架、降低管壳的热阻。d、加大键合面积，降低键合热阻。、加大键合面积，降低键合热阻。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术四、光学设计四、光学设计 光学设计主要是为了获得较高的光出射效

9、率。光学设计主要是为了获得较高的光出射效率。 VARTAiiiiu4)1 ( 式中，式中，为吸收系数，为吸收系数，V V为管芯体积，为管芯体积，A Ai i为面积，为面积，T Ti i为透过为透过率，率，R Ri i为反射率。为反射率。 由该式可见，要提高出光效率，就要减少管芯材料的体吸由该式可见，要提高出光效率，就要减少管芯材料的体吸收和减少欧姆接触对光的吸收，并增大其他界面的透过率。收和减少欧姆接触对光的吸收，并增大其他界面的透过率。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术1、减少体吸收、减少体吸收（1）使材料吸收光谱的能量大于发射光谱的能量。）使材料吸收光谱的能量大于发射光谱的能量。（

10、2）高杂质补偿的）高杂质补偿的III-V族材料中，电发光辐射的能量远低于带族材料中，电发光辐射的能量远低于带隙宽度，吸收系数较非补偿的低隙宽度，吸收系数较非补偿的低n个数量级。个数量级。（3）在出光一侧做成透光性好的）在出光一侧做成透光性好的“窗口窗口”，可大大减少自吸收。，可大大减少自吸收。2、增大表面透过率、增大表面透过率 由于由于LED晶体的折射率比较高，当光线射向晶体内表面时，晶体的折射率比较高，当光线射向晶体内表面时，在晶体和空气的交界面上就要产生折射，容易发生全反射。在晶体和空气的交界面上就要产生折射，容易发生全反射。 采用拱形管芯可以增加临界角，调高出光效率。同理，在采用拱形管芯

11、可以增加临界角，调高出光效率。同理，在管芯表面涂覆具有中等折射率的介质层或淀积增透膜，可增大管芯表面涂覆具有中等折射率的介质层或淀积增透膜，可增大临界角减少全反射，提高出光效率。临界角减少全反射，提高出光效率。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术3、反射器、反射器 采用合适的金属或塑料反射腔结构，可以使下部和侧面的采用合适的金属或塑料反射腔结构，可以使下部和侧面的光经过反射到达器件前方，从而提高出光效率。光经过反射到达器件前方，从而提高出光效率。 反射器件结构有抛物面结构、多面体结构等。反射器件结构有抛物面结构、多面体结构等。4、采用透镜控制光强分布、采用透镜控制光强分布 对对LED光强

12、分布的控制有两种方法：光强分布的控制有两种方法：a、采用聚碳酸酯透明塑料制成的不同曲率的透镜，作为功率、采用聚碳酸酯透明塑料制成的不同曲率的透镜，作为功率LED器件的出光端；器件的出光端；b、直接将封装硅树脂采用模具封装成一定曲率的硅树脂透镜，、直接将封装硅树脂采用模具封装成一定曲率的硅树脂透镜，以达到各种光强分布的目的。以达到各种光强分布的目的。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术五、视觉因素五、视觉因素 作为指示、显示器件乃至照明光源来说，还必须考虑到人眼作为指示、显示器件乃至照明光源来说，还必须考虑到人眼视觉这一主观性很强的因素，它除了不同的视感灵敏度外，还视觉这一主观性很强的因素

13、，它除了不同的视感灵敏度外，还受视觉分辨能力、光源大小和观察距离受视觉分辨能力、光源大小和观察距离( (视距视距) )、颜色、反差等、颜色、反差等因素影响。因素影响。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术LED的封装技术的封装技术一、一、LED封装的发展过程封装的发展过程 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 常规小功率常规小功率LED的封装形式主要有：的封装形式主要有：；n表面贴装式表面贴装式SMD LED；n食人鱼食人鱼Piranha LED。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（三）引脚式封

14、装工艺流程（三）引脚式封装工艺流程 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术五大物料五大物料五大制程五大制程晶片晶片支架支架固晶固晶銀胶銀胶金丝金丝焊线焊线环氧树脂环氧树脂封胶封胶切脚切脚测试测试 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术手工刺片手工刺片 将扩张后将扩张后LED芯片（芯片（或未或未）安置在刺片台的夹具）安置在刺片台的夹具上，上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一

15、个芯片一个一个刺到相应的位置上。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。的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术自动装架自动装架 自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤：自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤：n先在先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），支架上点上银胶（绝缘胶），n然后用真空吸嘴将然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，芯片吸起移动位置，n再安置在相应的支架位置上。再安置在相应的支架位置上。 自动

16、装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的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。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，防止对在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面芯片表面的损伤，特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤的损伤，特别是兰、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。芯片表面的电流扩散层。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术烧结烧结 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。止批次性不良。 银胶烧结的温度一般

17、控制在银胶烧结的温度一般控制在150，烧结时间，烧结时间2小时。根据小时。根据实际情况可以调整到实际情况可以调整到170，1小时。小时。 绝缘胶一般绝缘胶一般150，1小时。小时。 银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或小时（或1小时）打开小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。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。烧结烘箱不得再其他用途，防止污染。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术压焊压焊 压焊的目的将电极引到压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的芯片上，完成产品内外引线的连接工作。连接工作。 LED的

18、压焊工艺有两种：的压焊工艺有两种：n金丝球焊金丝球焊n铝丝压焊铝丝压焊1）铝丝压焊过程：）铝丝压焊过程：n先在先在LED芯片电极上压上第一点，芯片电极上压上第一点，n再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。2）金丝球焊过程：）金丝球焊过程： 在压第一点前先烧个球，其余过程类似。在压第一点前先烧个球，其余过程类似。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 压焊是压焊是LED封装技术中的封装技术中的关键环节关键环节，工艺上主要需要监控，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。的是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状

19、，拉力。 对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题，如金（铝）对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题，如金（铝）丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀（钢嘴）选用、劈刀（钢丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀（钢嘴）选用、劈刀（钢嘴）运动轨迹等等。嘴）运动轨迹等等。点胶封装点胶封装 点胶封装基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。点胶封装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。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（一般的LED无法通过气密性试验）无法通过气密性试验） 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术灌胶封装灌胶封装 灌封的过程是：灌封的过程是：n先在先在LED成型模腔内注入液态环氧，成型模腔内注入液态环氧，n然后插入压焊好的然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，支架，放入烘箱让环氧固化后，n将将LED从模腔中脱出即成型。从模腔中脱出