何谓发光二极体Word文件下载.docx

1、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

2、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（metal organic chemical vapor deposition,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

3、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（transparent conductor layer）的縮寫，最後如圖（4）所示加上保護

4、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multiple quantum well（多量子井）的縮寫， PL（photo luminescene）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

5、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

6、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LE

7、D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

8、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

9、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

10、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LED1993年，當時在日本日亞化工（Nichia Corporation）工作的中村修二（Shuji Nakamura）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

11、LED，這類LED在1990年代後期得到廣泛應用。白光LED紅綠藍系統（RGB system）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、

12、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 450 nm 至 470 nm，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

13、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Philips Lumileds取得專利的方法便

14、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Stokes Shift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