第一章LED封装概述

封装技术LED2023/2/31LED优点高光效高节能光源方向性好光色多安全性高环保寿命长光源快速响应灯具结构合理运行成本低

2023/2/321.1LED的基本概念一、LED基本结构和发光原理1.LED的结构2023/2/332.LED芯片结构LED芯片有单电极芯片结构和双电极芯片结构。芯片是单电极还是双电极取决于芯片结构。二元（GaAs）、三元（GaAsP）、四元（AlGaInP）、SiC材料的采用单电极结构。蓝宝石衬底的，采用双电极结构。2023/2/34§2.1.1LED单电极芯片图2.1单电极芯片结构示意图DEFCAHIBAGGJ电极直径Jn型结晶基板E电极厚度In层D芯片高度Hp层C芯片尺寸（长×宽）G发光区Bn极金属层Fp极金属层A说明代码说明代码

单电极芯片结构代码含义2023/2/35§2.1.2LED双电极芯片JHIGMNGABCEDFKLHL双电极芯片结构示意图芯片尺寸（长）I低温缓冲层Bn极金属层H蓝宝石基板A说明代码说明代码双电极芯片结构代码含义2023/2/36n极电极直径Np极金属层Gp极电极直径M透明导电层F电极厚度Lp型接触E芯片高度K发光层D芯片尺寸（宽）Jn型接触CJHIGMNGABCEDFKLHL双电极芯片结构示意图2023/2/373.LED工作原理2023/2/382023/2/392023/2/310LED特性LED的电学特性LED的光学特性LED的热特性

2023/2/311二、LED的常用性能指标

I-V特性是LED芯片性能主要参数。

I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。（1）正向死区（2）正向工作区（3）反向死区。（4）反向击穿区2023/2/3122023/2/3131、LED电学参数（1）LED电参数

正向工作电流IF:指LED正常发亮时的正向电流值。

正向工作电压UF：指通过LED的正向电流为正向工作电流时，在二极管两极间产生的电压降。红黄绿的电压是1~2.4V；白、蓝、翠绿的电压是2~3.6V。2023/2/314

反向工作电压UR：被测发光二极管器件通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。

反向电流IR：加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。2023/2/315（2）极限参数的意义

允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。

正向极限电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。

反向极限电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2023/2/3162、LED光特性分析①光通量(φ)

:

表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能好坏。F为LED向各个方向发光的能量只和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。单位为lm。2023/2/317②发光强度：简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布θ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺，透镜的材料，透镜的曲率，芯片周围的反光杯。2023/2/318③发光效率：是指每瓦电功率能发多少流明的光。通常来说，光效越高越省电，越节能。LED理论上最大光效：683lm/W；白炽灯光效：6~12lm/W；荧光灯光效：60~100lm/W。2023/2/319LED光特性发光效率LED效率有两种

内部效率：pn结附近由电能转化成光能的效率。内部效率只用来分析和评价芯片优劣的特性

外部效率：辐射到外部的效率。发光效率：辐射出光能量（发光量）与输入电能之比量子效率

η=发射的光子数/pn结载流子数流明效率：LED的光通量/外加耗电功率流明效率是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。理论计算中，最大的流明下来率为683lm/W。同此相比，LED未来的发展前景很广阔。2023/2/320LED光特性品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高.LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为η=ηiηcηe

，

ηi向为p、n结区少子注入效率

ηc为在势垒区少子与多子复合效率

ηe为外部出光（光取出效率）效率。2023/2/321LED光特性由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。2023/2/322LED光特性如何提高外部出光效率ηe？

1.用折射率较高的透明材料覆盖在芯片表面

2.把芯片晶体表面加工成半球形

3.用Eg半导体化合物能隙大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。2023/2/323LED光特性⑤发光峰值波长及其光谱分布

LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布等。单色LED的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光LED的光谱由多种单色光谱合成。LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示，而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数。LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。2023/2/324LED光特性发光峰值波长及其光谱分布如图1蓝光InGaN/GaN

发光谱峰λp=460～465nm2绿光GaP:N

发光谱峰λp=550nm3红光GaP:Zn-O

发光谱峰λp=680～700nm4红外GaAs

发光谱峰λp=910nm5Si光敏光电管通常作光电接收用6标准钨丝灯2023/2/3252023/2/326GaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAs850nm~940nm红外线不可见光GaInN/Sapphire455nm~485nm高亮度蓝GaInN/Sapphire490nm~540nm高亮度蓝绿/绿AlGaInP/GaAs高亮度绿GaP/GaP555nm~560nm绿AlGaInP/GaAs高亮度黄绿GaP/GaP569nm~575nm黄绿AlGaInP/GaAs高亮度黄GaAsP/GaP585nm~600nm黄AlGaInP/GaAs高亮度橙GaAsP/GaP605nm~622nm橙AlGaInP/GaAs630nm~645nm高亮度红AlGaAs/GaAs645nm~655nm红可见光结构波长颜色类别晶粒种类2023/2/327LED光特性峰值波长：无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个。2023/2/328LED光特性⑥发光亮度亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2

或Nit。LED亮度与外加电流密度有关，电流密度增加发光亮度也近似增大。LED亮度还与环境温度有关，环境温度升高，复合效率下降，发光亮度减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。2023/2/329LED常用词汇总结7.经济寿命：在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。室外的光源为70%，室内的光源为80%。2023/2/3308.色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。光源色温不同，光色也不同，色温在3000k以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000k-5000k为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000k以上有冷的感觉。单位：K。2023/2/3312023/2/332LED光特性老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关。外加恒流源越大老化越快。寿命：通常把亮度降到初始亮度一半所经历的时间称为二极管的寿命。测量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103~104小时后，先后测得BO,Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。显色性：光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳能）照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性。要正确表现物体本来的颜色需使用显色指数高的光源。单位：Ra。眩光：视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。2023/2/333LED热学特性LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或λp

就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。LED的主波长随温度关系可表示为λp（T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。2023/2/334LED热学特性LED测量的环境温度一般为Tamb＝25oC。随着温度的增加，LED波长的中心会发生蓝移或红移随着温度的增加，LED的光强将会减小2023/2/335LED热学特性2023/2/336LED热学特性2023/2/337LED热学特性2023/2/338LED热学特性LED散热结构2023/2/339§1.2LED芯片分类

LED的封装工艺有其自己的特点。对LED封装前首先要做的是控制原物料。因为许多场合需要户外使用，环境条件往往比较恶劣，不是长期在高温下工作就是长期在低温下工作，而且长期受雨水的腐蚀，如LED的信赖度不是很好，很容易出现瞎点现象，所以注意对原物料品质的控制显得尤其重要。LED芯片是半导体发光器件LED的核心部件，它主要由砷(AS)、铝(AL)、镓(Ga)、铟(IN)、磷(P)、氮(N)、锶(Ｓr)这几种元素中的若干种组成。2023/2/340（1）芯片按发光亮度分类可分为：☆一般亮度：R(红色GAaAsP655nm)、H

(

高红GaP697nm

)、G

(

绿色GaP565nm

)、Y

(

黄色GaAsP/GaP585nm

)、E(桔色GaAsP/

GaP635nm

)等；☆高亮度：VG(较亮绿色GaP565nm)、VY(较亮黄色GaAsP/

GaP585nm)、SR(较亮红色GaA/AS660nm)；☆超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。（2）芯片按组成元素可分为：☆二元晶片(磷﹑镓)：H﹑G等；☆三元晶片(磷﹑镓﹑砷)：SR(较亮红色GaA/AS660nm)、HR

(超亮红色GaAlAs660nm)、UR(最亮红色GaAlAs660nm)等；2023/2/341☆四元晶片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)：SRF(

较亮红色

AlGalnP

)、HRF(超亮红色

AlGalnP)、URF(最亮红色AlGalnP630nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黄色AlGalnP595nm)、UY(最亮黄色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黄色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔色AlGalnP620nm)、UG(最亮绿色AIGalnP574nm)LED等。（3）发光二极管芯片制作方法和材料的磊晶种类：1.LPE：

液相磊晶法

GaP/GaP；2.VPE：

气相磊晶法

GaAsP/GaAs；3.MOVPE：有机金属气相磊晶法)AlGaInP、GaN；2023/2/3422023/2/3434.SH：单异型结构

GaAlAs/GaAs；5.DH：双异型结构

GaAlAs/GaAs；6.DDH：双异型结构

GaAlAs/GaAlAs。不同LED芯片，其结构大同小异，有外延用的芯片基板(蓝宝石基板、碳化硅基板等)和掺杂的外延半导体材料及透明金属电极等构成。2023/2/344§2.1.6制作LED磊芯片方法的比较

HB-LEDLDVCSELHBT高亮度LED成本较高良好率低原料取得不易磊晶纯度佳磊晶薄度控制佳磊晶平整度佳将有机金属以气体形式扩散至基板促使晶格表面粒子凝结MOCVD有机金属化学气相沉渍法传统LED一般亮度LED磊晶薄度及平整度控制不易磊晶长成速度快量产能力尚可以气体或电浆材料传输至基板促使晶格表面粒子凝结或解离VPE气相磊晶法传统LED一般亮度LED磊晶薄度控制差磊晶平整度差操作简单磊晶长成速度快具量产能力以溶融态的液体材料直接和基板接触而沉积晶膜LPE液相磊晶法主要应用缺点优点特色磊晶方法

制作磊芯片的几种常用方法2023/2/345（4）芯片按衬底材料分类

对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。◆

蓝宝石（Al2O3）◆

硅

（Si）◆

碳化硅（SiC）一、蓝宝石衬底蓝宝石衬底有许多的优点：

1.生产技术成熟、器件质量较好

;2.稳定性很好，能够运用在高温生长过程中;3.机械强度高，易于处理和清洗。

三种衬底材料：2023/2/346蓝宝石衬底存在的问题：1.晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；2.蓝宝石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；3.增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。

蓝宝石的硬度非常高,在自然材料中其硬度仅次于金刚石,但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割(从400nm减到100nm左右)。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。

蓝宝石衬底导热性能不是很好(在100℃约为25W/m·K)，制作大功率LED往往采用倒装技术(把蓝宝石衬底剥离或减薄)。2023/2/347二、硅衬底

硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。硅衬底芯片电极采用两种接触方式:

V电极芯片L电极芯片采用蓝宝石衬底和碳化硅衬底的LED芯片2023/2/348

常用芯片简图（在此只给出几种）一、单电极芯片1.圆电极芯片009UOV008RN010SOTK110DR2.方电极芯片010YGK009UYG113YGUM80SOU2023/2/3493.带角电极芯片012UY512UOL012UYG012IRA二、双电极芯片＆几种双电极芯片

514GSB4713DC010BLTB024I2023/2/350三、碳化硅衬底

碳化硅衬底（CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片，电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。

碳化硅的导热系数为490W/m·K，要比蓝宝石衬底高出10倍以上。碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。

缺点优点2023/2/351好高好良-1.4490碳化硅(SiC)好低好良5~20150硅(Si)一般中差一般1.946蓝宝石(Al2O3)抗静电能力成本导热性稳定性膨胀系数(×10-6)导热系数(W/m·K)衬底材料

三种衬底材料的性能比较

除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。

2023/2/352LED制造工艺三个阶段：前段→上游→材料生长中段→中游→芯片制备后段→下游→器件封装→外延片衬底及外延层的生长→蒸镀金属电极、切割→把做好的LED芯片封装成各种形式2023/2/353LED衬底生长关键工艺融化颈部生长晶体生长尾部生长切割2023/2/354LED芯片的制作流程扩散和键合晶粒光刻镀金晶圆芯片抛光检验划片崩裂等离子体刻蚀GaNLED芯片的制作流程绿光晶粒样品2023/2/355LampLEDTOPLED食人鱼LEDSMDLEDPOWERLED2023/2/3562.LED芯片的供应商国外LED芯片厂商：

CREE，惠普（HP），日亚化学（Nichia），丰田合成，大洋日酸，东芝、昭和电工（SDK），Lumileds，旭明（Smileds），Genelite，欧司朗（Osram），GeLcore，首尔半导体等，普瑞，韩国安萤（Epivalley）等。台湾LED芯片厂商：晶元光电（Epistar）简称：ES、（联诠、元坤，连勇，国联），广镓光电（Huga），新世纪（GenesisPhotonics），华上（ArimaOptoelectronics）简称：AOC，泰谷光电（Tekcore），奇力，钜新，光宏，晶发，视创，洲磊，联胜（HPO），汉光（HL），光磊（ED），鼎元（Tyntek）简称：TK，曜富洲技TC，灿圆（FormosaEpitaxy），国通，联鼎，全新光电（VPEC），2023/2/357大陆LED芯片厂商：三安光电简称（S）、上海蓝光（Epilight）简称（E）、士兰明芯（SL）、大连路美简称（LM）、迪源光电、华灿光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪晶源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电子、乾照光电、晶达光电、深圳方大，山东华光、上海蓝宝等。华兴（LedtechElectronics）、东贝（UnityOptoTechnology）、光鼎（ParaLightElectronics）、亿光（Eve