何谓发光二极体Word文件下载.docx
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發光二極體晶粒的組成材料是半導體,其中含有帶正電的電洞比率較高的稱為P型半導體,含有帶負電的電子比率較高的稱為N型半導體。
P型半導體與N型半導體相接處的接面稱作PN接面。
在發光二極體的正負極兩端施予電壓,當電流通過時,會使得電子與電洞結合,結合的能量便以光的形式發出,依使用材料的能階高低決定發光的波長,因此就會發出不同顏色的光。
大多數的發光二極體歸類於三五族半導體,因為它們的組成元素屬於周期表中的三族及五族,三族元素如鋁、鎵、銦等,五族元素如砷、氮、磷等。
磷化鎵與鋁砷化鎵,因為亮度低,開發時間早,且內含2種或3種元素,多稱為傳統二元或三元LED。
而鋁銦鎵磷因發光亮度較高,且由4種元素組成,多稱為四元LED。
氮化鎵材料則因為可以發出以上材料不能發出的藍光,一般另稱為氮化物LED。
LED的製作方法
發光二極體主要由晶粒發光,在此以氮化鎵LED為例,簡介其中晶粒的製作方法發光二極體是半導體材料,需要先進行磊晶成長,也就是在基板上成長P型及N型半導體。
氮化鎵LED多成長在藍寶石基板上,成長的方法以有機金屬化學氣相沉積法(metalorganicchemical-vapordeposition,MOCVD)為大宗。
MOCVD是用來沉積出薄膜的技術,這薄膜可能是介電材料(絕緣體)、導體或半導體。
在進行化學氣相沉積時,把含有被沉積材料的氣體,導入受到嚴密控制的反應室內。
當這些氣體在受熱的基板表面上起化學反應時,會在基板表面產生一層固態薄膜。
成長完氮化鎵磊晶片後,需要進行晶粒製程,把磊晶片製成一顆顆的發光二極體晶粒供下游封裝。
晶粒製程可分為電極製作的前段製程,以及把磊晶片分割為獨立晶粒的後段製程兩部分。
前段製程包含許多黃光、蒸鍍、蝕刻、剝離等製程,因此需要在無塵室等級的環境下製作。
而後段製程需要避免製作過程中的靜電損傷元件,因此特別注重靜電防護的問題。
晶粒製程流程 圖
(1)中的磊晶結構圖
(2)中的高台(或高原mesa)蝕刻,再如圖(3)所示鍍上透明電極,其中TCL是透明導電層(transparentconductorlayer)的縮寫,最後如圖(4)所示加上保護膜和金屬接墊。
製作完成的發光二極體晶粒由於體積相當小,無法單獨拿取保存,因此多使用膠膜做為晶粒的承載物
氮化鎵LED使用的基板材料是藍寶石,因為藍寶石不導電,無法在上面製作電極,必須利用較複雜的技巧把正負兩電極製作在同一平面上,使得製程較為繁雜。
一般做法是使用乾式蝕刻機把表面的P型半導體部分區域挖除,露出底下的N型半導體,再在P及N型半導體上製作電極,使得電流可以導通而發光。
氮化鎵發光二極體磊晶片成長流程,圖中MQW是multiplequantumwell(多量子井)的縮寫,PL(photoluminescene)是光激發光譜儀,用來量測待測材料結構的發光光譜。
片
成長完畢進行測試的氮化鎵磊晶片用氮化鎵(GaN)形成的藍光LED
LED製程
在LED工廠生產中主要步驟是:
清洗-裝架-壓焊-封裝-銲接-切膜-裝配-測試-包裝。
其中封裝工藝尤為重要
一、晶片檢驗
鏡檢:
材料表面是否有機械損傷及細微的坑洞。
二、擴片
由於LED晶片在劃片後依然排列緊密間距很小(約0.1mm),不利於後工序的操作。
我們採用擴片機對黏結晶片的膜進行擴張,是LED晶片的間距拉伸到約0.6mm。
也可以採用手工擴張,但很容易造成晶片掉落浪費等不良問題。
三、點膠
在LED支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。
(對於GaAs、SiC導電襯底,具有背面電極的紅光、黃光、黃綠晶片,採用銀膠。
對於藍寶石絕緣襯底的藍光、綠光LED晶片,採用絕緣膠來固定晶片。
)製程難點在於點膠量的控制,在膠體高度、點膠位置均有詳細的製程要求。
四、備膠
和點膠相反,備膠是用備膠機先把銀膠塗在LED背面電極上,然後把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。
備膠的效率遠高於點膠,但不是所有產品均適用備膠製程。
五、手工刺片
將擴張後LED晶片(備膠或未備膠)安置在刺片台的夾具上,LED支架放在夾具底下,在顯微鏡下用針將LED晶片一個一個刺到相應的位置上。
手工刺片和自動裝架相比有一個好處,便於隨時更換不同的晶片,適用於需要安裝多種晶片的產品。
六、自動裝架
自動裝架其實是結合了沾膠(點膠)和安裝晶片兩大步驟,先在LED支架上點上銀膠(絕緣膠),然後用真空吸嘴將LED晶片吸起移動位置,再安置在相應的支架位置上。
自動裝架在工藝上主要要熟悉設備操作編程,同時對設備的沾膠及安裝精度進行調整。
在吸嘴的選用上儘量選用膠木吸嘴,因為鋼嘴會劃傷晶片表面的電流擴散層。
七、燒結
燒結的目的是使銀膠固化,燒結要求對溫度進行監控,防止批次性不良。
銀膠燒結的溫度一般控制在150℃,燒結時間2小時。
根據實際情況可以調整到170℃,1小時。
絕緣膠一般150℃,1小時。
銀膠燒結烘箱的必須按工藝要求隔2小時(或1小時)打開更換燒結的產品,中間不得隨意打開。
燒結烘箱不得再其他用途,防止污染。
八、壓焊
壓焊的目的將電極引到LED晶片上,完成產品內外引線的連接工作。
LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。
壓焊是LED封裝技術中的關鍵環節,工藝上主要需要監控的是壓焊金絲(鋁絲)拱絲形狀,焊點形狀,拉力。
九、封膠
LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種。
基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點。
設計上主要是對材料的選型,選用結合良好的環氧和支架。
1.點膠:
TOP-LED和Side-LED適用點膠封裝。
手動點膠封裝對操作水準要求很高,主要難點是對點膠量的控制,因為環氧在使用過程中會變稠。
白光LED的點膠還存在螢光粉沉澱導致出光色差的問題。
2.灌膠封裝
Lamp-LED的封裝採用灌封的形式。
灌封的過程是先在LED成型模腔內注入液態環氧,然後插入壓焊好的LED支架,放入烘箱讓環氧固化後,將LED從模腔中脫出即成型。
3.模壓封裝
將壓焊好的LED支架放入模具中,將上下兩副模具用液壓機合模並抽真空,將固態環氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中,環氧順著膠道進入各個LED成型槽中並固化。
十、固化與後固化
固化是指封裝環氧的固化,一般環氧固化條件在135℃,1小時。
模壓封裝一般在150℃,4分鍾。
後固化是為了讓環氧充分固化,同時對LED進行熱老化。
後固化對於提高環氧與支架(PCB)的粘接強度非常重要。
一般條件為120℃,4小時。
十一、切筋和劃片
由於LED在生產中是連在一起的(不是單個),Lamp封裝LED採用切筋切斷LED支架的連筋。
SMD-LED則是在一片PCB板上,需要劃片機來完成分離工作。
十二、測試
測試LED的光電參數、檢驗外形尺寸,同時根據客戶要求對LED產品進行分選。
十三、包裝
將成品進行計數包裝。
超高亮LED需要防靜電包裝。
藍光與白光發光二極體
自LED面世後,相隔多年仍未能製造出能產生藍光的LED,由於藍色是三原色之一,以當時其他LED所能產生的光波長較藍光長,因此未能以其他已有的LED間接製造出藍光來,缺少了藍光LED也導致不能製造出同白光LED。
藍光LED
1993年,當時在日本日亞化工(NichiaCorporation)工作的中村修二(ShujiNakamura)發明了基於寬禁帶半導體材料氮化鎵(GaN)和銦氮化鎵(InGaN)的具有商業應用價值的藍光LED,這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。
白光LED
紅綠藍系統(RGBsystem)
有了藍光LED之後,結合原有的紅光LED和綠光LED便可產生白光,這樣產生的白光LED有很廣的色域,但由於成本相當高,大部份白光LED很少採用這方法,現在只有只有在高檔次、有高要求的產品中使用。
磷光劑白光LED
現在大部份的白光LED都採用單一發光單元發出較短波長的光,再用磷光劑把部份或全部光轉化成一或多種其他顏色的光(波長較長的光),當所有光混合起來後,看起來便像白光。
這種光波波長轉化作用稱為螢光,原理是短波長的光子(如藍光或紫外光)被螢光物質(如磷光劑)中的電子吸收後,電子被激發(跳)至較高能量、不穩定的激發狀態,之後電子在返回原位時,一部份能量散失成熱能,一部份以光子形式放出,由於放出的光子能量比之前的小,所以波長較長。
由於轉化過程中有部份能量化成熱能,造成能量損耗,因此這類白光LED的效率型都較低。
發光單元有採用藍光LED的,也有採用紫外光LED的。
日亞化工開發並從1996年開始生產的白光LED採用藍光LED作發光單元,波長450nm至470nm,磷光劑通常是摻雜了鈰的釔-鋁-鎵(Ce3+:
YAG)(實際上單晶的摻鈰(Ce)的YAG被視為閃爍器多於磷光體。
)。
LED發出的部份藍光由螢光劑轉換成黃光為主的較寬光譜(光譜中心約為580nm),由於黃光能刺激人眼中的紅光和綠光受體,加上原有餘下的藍光刺激人眼中的藍光受體,看起看起來就像白色光,而其所呈現的色澤常被稱作「月光的白色」。
若要調校淡黃色光的顏色,可以把摻雜在Ce3+:
YAG中的鈰(Ce)換作其他稀釋金屬,例如鋱或釓,甚至可以以取代YAG中的部份或全部鋁的模式做到。
而基於其光譜的特性,紅色和綠色的物件在這種LED照射下看起來會不及闊譜光源照射時那麼鮮明。
另外由於生產工藝的波動,這種LED的成品的色溫並不統一,從暖黃色的到冷的藍色都有,所以在生產過程中會以其出來的特性作出區分。
而這種LED的結構是把藍光LED封進混入了磷光劑的環氧樹脂中而造成,但也有較複雜的方法,由PhilipsLumileds取得專利的方法便是把磷光劑塗在LED上,值由控制磷光劑的厚度增加效率。
另一種白光LED的發光原理跟螢光燈是一樣的。
發光單元是紫外光LED,外面包著兩種磷光劑混合物,一種是發紅光和藍光的銪,另一種磷光劑是發綠光的銅和鋁摻雜了硫化鋅(ZnS)。
內裡的紫外光LED發出的紫外光被外層的磷光劑轉換成紅、藍、綠三色光,混合後就成了白光。
但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂劣化變質,所以生產難度較高,而壽命亦較短。
與第一種方法比較,因為StokesShift前者較大,光波在轉化過程中有較多被化成熱能,因此效率較低,但好處是光譜的特性較佳,產生的光比較好看。
而由於紫外光的LED功率較高,所以其效率雖比較第一種方法低,但出來的亮度卻相若。
最新一種製造白光LED的方法沒再用上磷光體。
新的做法是在硒化鋅(ZnSe)基板上生長硒化鋅的磊晶層。
通電時其活躍地帶會發出藍光而基板會發黃光,混合起來便是白色光。
其他顏色
近期開發出來的LED顏色包括粉紅色和紫色,都是在藍光LED上覆蓋上一至兩層的磷光體造成。
粉紅色LED用的第一層磷光體能發黃光,而第二層則發出橙色或紅色光。
而紫色LED用的磷光體發橙色光。
另外一些粉紅色LED的製造方法則存在一定的問題,例如有些粉紅色LED是在藍光LED塗上螢光