半导体发光二极管基本知识.docx

1、半导体发光二极管基本知识半导体发光二极管基本知识自从60年代初期GaAsP红色发光器件小批量出现进而十年后大批量生产以来，发光二极管新材料取得很大进展。最早发展包括用 GaAs-xPx制成的同质结器件，以及 GaP掺锌氧对的红色器件，GaAs-xPx掺氮的红、橙、黄器件，GaP掺氮的黄绿器件等等。到了 80年代中期出现了 GaAlAs发光二极管，由于GaAlAs材料为直接带材料，且具有高发光 效率的双异质结结构，使 LED的发展达到一个新的阶段。这些 GaAlAs发光材料使LED 的发光效率可与白炽灯相媲美，到了 1990年，Hewlett-Packard公司和东芝公司分别提 出了一种以AlG

2、aIn材料为基础的新型发光二极管。由于 AlGaIn在光谱的红到黄绿部分 均可得到很高的发光效率，使 LED的应用得到大大发展，这些应用包括汽车灯（如尾灯 和转弯灯等），户外可变信号，高速公路资料信号，户外大屏幕显示以及交通信号灯。 近 几年来，由于CaN材料制造技术的迅速进步，使蓝、绿、白 LED的产业化成为现实，而 且由于芯片亮度的不断提高和价格的不断下降，使得蓝、绿、白 LED在显示、照明等领域得到越来越广泛的应用。本课程将介绍LED的基本结构、LED主要的电学、光度学和色度学参数，并简单介绍LED制造主要工艺过程。1.发光二极管（Light Emitting Diode ） 的基本结构

3、图1是普通LED的基本结构图。它是用银浆把管芯装在引线框架（支架）上，再用金线把管芯的另一侧连接到支架的另一极，然后用环氧树脂封装成型。组成LED的主要材料包括：管芯、粘合剂、金线、支架和环氧树脂。1.1管芯事实上，管芯是一个由化合物半导体组成的 PN结。由不同材料制成的管芯可以发出不同的颜色。即使同一种材 料，通过改变掺入杂质的种类或浓度，或者改变材料的组 份，也可以得到不同的发光颜色。下表是不同颜色的发光二极管所使用的发光材料。 图1普通led基本结构图表1不同颜色的发光二极管所使用的发光材料发光颜色使用材料波长普通红磷化傢 （GaP700咼亮度红磷砷傢 （GaAsP）：630超咼亮红傢铝

4、砷 (GaAlAs)660超咼亮红傢 铟 铝 磷(AlGaI nP)625-640普通绿、黄绿磷化傢 （GaP565-572咼亮绿傢 铟 铝 磷(AlGaI nP)572超咼亮绿氮化傢 （ In GaN ）505-540普通黄、橙磷砷傢 (GaAsP)590,610超咼亮黄、橙傢 铟 铝 磷(AlGaI nP)590-610蓝氮化傢 （ In GaN ）455-480紫氮化傢 （GaN ）400,430白氮化镓+荧光粉460+YAG红外砷化傢 （GaAs）780Emission Area0.254 X 0.254图2是LED芯片图形。多数管芯正面为 P面，连接到电源的正极, 连接到电源的负极（

5、GaAIAs芯片正面为N,背面为P;以蓝宝石衬底的蓝、绿芯片 P、N都在正面）。约在管芯2/3高处，是P区和N区的交界处，称PN结。当有电P ElectrodeGaP P Epi LayerGaP N Epi LayerGaP N SubstrateN Electrode流通过PN结时产生发光，发光颜色取决于芯片材料， 而发光强度除了和材料有关外，还和通过 PN结电流的 大小以及封装形式有关。电流越大，发光强度越高，但 当电流达到一定程度时出现光的饱和，这时电流再增加， 光强不再增加。1.2粘合剂粘合剂的作用是把管芯粘在支架的反射杯上， 一般使用导电银浆作为粘合剂，但对于蓝宝石衬底的芯片，因两

6、个电极都在正面，因此使用绝缘胶作为粘合剂。银浆有单 组份和双组份两种，目前使用的银浆大都为单组份银浆，这种银浆必须在低温下保存。 粘合剂的性能对制品的可靠性及透光效果有直接影响，因此，必须根据实际情况，选 择合适的粘合剂，并注意应在规定的期限内使用。1.3金线金线的作用是把管芯的电极连接到支架上。主要有 25卩m和 30卩m两种规格，一般场合使用 25卩m金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用 30 卩m金线。1.4支架支架也即LED的外引线，一般使用基体为铁并镀银的支架，但有时为了提高制品的 散热性能，则使用基体为铜的支架，当然，其材料成本也相应增加。1.5环氧树脂LED采用环

7、氧树脂作为封装材料。环氧树脂的性能对 LED的光电特性尤其是可靠性有很大影响。它的选择必须充分考虑其可靠性、出光效果、工艺可行性及价格等。 目前国内较常用的是台湾产的 EP系列环氧树脂，而我公司外加工线则较多使用日本产 的502、512、514等树脂。502树脂的流动性较好，但出光效果较差，512树脂的出光 效果好，但粘度较高，工艺可行性差，可靠性也较差， 514树脂的最大优点是耐热性能好，因此，常用于可靠性要求较高的制品。树脂分为主剂和硬化剂两部分，有的树 脂在主剂中加入了颜料，因此得到了各种颜色的主剂，而大多数树脂主剂出厂时是一 种淡蓝色的液体，封装时根据需要加入不同颜料，硬化剂是一种无色

8、透明的液体。在 树脂中加入适量的散射剂可以提高发光的均匀性，增大散射角，但同时法向发光强度 降低。2.LED的主要技术参数2.1电学参数2.1.1正向压卩 指每个LED通过的正向电流为规定值时，正、负极之间产 生的电压降，用符号Vf表示。由不同材料制成的LED具有不同的Vf值。此外电极材料的选择以及电极制造过程 工艺条件的控制也对 Vf值有着重要影响。组装过程影响 Vf值的因素主要是银浆的质 量。银浆过期变质，使用双组份银浆时搅拌不均匀都可能造成 Vf值增加。2.1.2反向漏电流 是指给LED加上规定的反向电压时，通过 LED的电流， 用符号I R表示。正常的LED IR值应接近0。反向漏电流

9、的产生除了和管芯本身的质量有关外，还和组装时管芯安放状态有 关。银浆粘污PN结和管芯崩裂是造成漏电的最主要因素。 当银浆沾污PN结时，好像有一个电阻并联到结上，形成漏电通路，从而产生漏电。管芯崩裂是因为安放管芯时 设备顶针位置调校不当，使管芯受损从而产生漏电，由于管芯崩裂现象镜检时较难发 现且由此造成的漏电现象呈不稳定状态， 使得在成品检测时易出现漏判，成为影响产 品质量的一大隐患。2.2光度学及光度学参数2.2.1能量的辐射分布光源的总辐射能量是各种波长能量之和，波长不同能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以 P入表示。发光器件在入1和入2范围

10、内的辐射功率可表示为：入2P 入1P入2 = / P入d入 (1 )入1P入是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带 宽。(1)峰值波长入p峰值波长入p是指光谱强度最大处的波长，它可以由光谱图很容易地确定。图 是 CaN绿色LED的光谱曲线,由曲线可见,其峰值波长是505 nm。(2)半波宽度入0.5半波宽度入0.5由入p两边的两个波长X 0. 5 - X 0. 5 求得： X 0. 5 = X 0.5 -WavBlsngth (nm)*90 0 nm(CU) E4 CU)Specie StepQ.5 nmGam : 1Peak IntensrlS230 9 CULa

11、aif532G 蚀 nSamplBs/Spol : 1Psak Wwelenth508 5 nmLm-SspphfFeSlit Widh : 4000 11MFuU Width 时 Half Mai31 1 nmDetecfflT TjpeSfiicanMDF Sdlimq : 1.0 O.D.Upper Ha!Tht?i)r. Wmnaliigth525.4 nmGt剧眄VrsAlsLower Half Man .494.3 nm图 CaN绿色LED的光谱曲线2.2.2辐射度量及单位光谱涉及从紫外光到辐射度学是有关某一给定辐射体的光辐射能量或功率的 红外光的整个范围，与人眼对亮度和颜色的灵敏

12、度无关。基本的辐射度参数有4个：（1）辐射通量或辐射功率辐射功率P定义为一个光源在单位时间内发射的总功率:dQeP = -dF （ 3）辐射功率的单位为瓦特（W。（2）辐射强度dPd 3辐射强度J定义为单位时间、单位立体角内发射的功率:(4)J的单位是：瓦/球面度 （W/Sr）这里的立体角就是以点光源为顶点的一个封闭锥体的锥角，其大小等于锥体底面积A与锥体的斜边边长r的平方成之比，即：d 3 = d （5）r（3）辐射照度落在单位面积上通量的数值，称为辐射照度耳h = d）d（Tdp是落在元表面上的通量值。辐射照度 H用瓦/平方米（W/m）作单位 由以上公式可推得某一点光源的辐射强度 J和辐射

13、照度之间的关系：Jd 3 d d（4） 辐射亮度考虑辐射源上表面dd ,以此为顶点的立体角内d3内的辐射通量为dp, d3的轴线v与dA的法线n成B角，如图（4）所示。dp与d3及dd在v方向的有效截面积d d cos 0有关，即：或：R 0 = dpd d cos 0 d 3dp = R 0 d d cos 0 d 3R。就称为面辐射源在角0所决定方向v上的亮度，也就是在给定方向上单位有效截面积在单位立体角内的辐射通量值。Re的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方 向而改变，通常以 W/Sr为单位。2.2.3光度量及单位2.2.3.1视见函数对于可见光的辐射通常采用光度学的量来描述。为此，必

14、须首先了解视见函数。一般发光器件的辐射都不是单色光，各有一定宽度的光谱分布曲线，人眼对各种 波长的辐射的灵敏度是不同的，它不能感觉到红外线和紫外线，只能感受从380760 nm范围的可见光，而且在可见光中对各种波长的光的响应程度也是不同的。我们把 人眼响应随波长而变化的函数关系称为视见函数，用 V (入)表示。度量辐射能的各个量是仅与客观条件有关的物理量， 但光度学的量不仅与客观条件有关，而且还与人的视见函数有关。在辐射度学中引入的各个量，乘上一个与视 觉有关的比例系数一一即视见度 K入，就得到光度学中的各个量。223.2光度学参数(1)光通量假定某辐射体发出的光线是波长为 入的单色光，该辐射

15、体单位时间内所辐射的能量就是辐射通量 P入，由该量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量 F入，它表示单位时间内流出光能的大小，单位是流明(Im)。R与B之间的关系可用下式表示：Fx = K x R = V (入)KmP (10)式中，Kx表示波长为X的辐射通量每瓦可以产生多少流明的光通量，即同一波长 下所测得的光通量与辐射通量之比。 Km = 680 lm/W表示人的日间视觉在550nm处能将1W功率转变成680 lm的光能。各波长发出的总光通则为：780nmF = Km/ V ( X ) Pxdx ( 11 )380nm由它可以计算器件的效率，用以判别发光器件或材料的性能好坏。(2)发光强度一

16、光源在单位立体角内所发出的光通量称为该光源的光强 I。dF d 3一个点光源所发出的光强是各向相同的，则总光通量图 LED光强分布图亮度B与辐射亮度类似。发光体之表面de在与其法向成B角的方向上的亮度Be(13)就是说，一个光源的发光强度I确定后，它的总光输出也就完全确定了，其它的 光学结构（如反射腔等）不能使它增大，而只是可以将光从其它方向往某一方向集中， 以提高该方向的光强。在芯片法向上的发光强度称为法向光强。发光强度的单位是坎德拉（cd）, 一单位立体角内发出一流明的光称为一坎德拉。坎德拉是一个光源在给定方向上的发光强度（3）半值角在发光强度分布图形中，发光强度等于最大强度一半构成的角度

17、称为半值角。如图所示。图中，沿LED法向为机械轴方向，最大发光强度方向为光轴方向，机械轴与光轴之间的夹角成为偏差角。芯片的厚度、封装模条的外形尺寸、 支架反射杯的深度以及支架在模腔中的 插入深度都对半值角的大小有直接影响。 制造中，可以根据客户要求，通过选取 不同的材料及选用不同的封装尺寸来得 到不同大小的半值角。（4）亮度dFd e cos e d 3(14)图等于：B其中dF为立体角d 3的光通量，如图（6）所示 亮度单位cd/m2 （尼特），也即每平方米表面沿法 线方向产生一坎德拉的光强。（5）照度照度E表示被照明物体的单位面积所接受的总光通量，即:dF d e照度的单位是勒克斯。1勒克

18、斯为1平方米面积上接受一流明的光通量，即：lm/ mAju i/ht kiMe丁.uh . |i .*d f ex i rMcnre+NSb 您Iks*Gar nwfiraN r vi KMii- |*M MM iMn M MMIl bMI| UMil2.3色度学及色度学参数显示器件的多色化显然可以大大增加显示的信息与功能，要了解和分析发光器件 的颜色问题，就必须了解色度学。实验证明，大多数颜色可以由三种基本的颜色以适当的比例合成，这三种基本的 颜色可以任意选定，但它们之间是互相独立的，即其中的一种不能由另外二种以适当 的比例合并而成，一般选择红、绿、蓝三种颜色为三个基色，这就是所谓的三基色原

19、 理。根据三基色原理，任意颜色 C可表示成：C = XR + YG + ZB （ 16）X、Y、Z就是某一颜色C的三个分量，采用归一化的方法消去其中一个非独立变 量而引入二个新的变量。令： X X + Y + Z（17X + Y + ZZX + Y + Zx + y + z = 1只要确定其中的x和y,则z随之确定，因此颜色就可按图（6）所示的二维图形 的某一点确定，其中的x和y都是从0变到1。图（6）就是国际照明协会提出的 CIE 色度图，x，y，z称三色系数。X，Y，Z又称三色视觉值。各单色光的三色视觉 值见表2。J图由表2结合（17）式即可计算出各单色光的三个系数x、y、z。例如入=59

20、0 nm的单色光，从表2得:X = 1.0263 Y= 0.7570 Z = 0.0011贝 U x = =0.5752 X + Y + Zy = 二 0.4242 X + Y + Zz = = 0.0006 X + Y + Z表2波 长XYZ波 长XYZ4000.01430.00040.06795700.76210.95200.00214100.04350.00120.20745800.91630.87000.00114200.13440.00400.64565901.02630.75700.00114300.28390.01161.38566001.06220.63100.00084400

21、.34830.02301.74716101.00260.50300.00034500.33620.03801.77216200.85440.38100.00024600.29080.06001.66926300.64240.265004700.19540.09101.28766400.44790.175004800.09560.13900.81306500.28350.107004900.03200.20800.45626600.16490.061005000.00490.32300.27206700.08740.032005100.00930.50300.15826800.04680.017

22、005200.06330.71000.07826900.02270.008205300.16550.86200.04227000.01140.004105400.29040.95400.02037100.00580.002105500.43340.99500.00875600.59450.99500.0089将可见光各波长的的x、y值均在CIE色度图上画出，则得所有可见光的色坐标，其 轨迹为一舌形曲线，见图（6）。自然界中任何一种可能的颜色都在舌形及其下端连线之内， 此范围外的点均为不存在的颜色。两种颜色合成的颜色位于这两个点的连线上。从色度图上可看到红色和绿 色部分接近为一直线，这就表示从红

23、到绿之橙、黄、黄绿等色都可以由红、绿两种光合成。白光是三种成分光的均匀混合，其 x、y值分别为1/3，故CIE色度图中的 W （ ， ）点便代表白色光。由于互补色的定义是它们之和组成白光，故通过 W点而与舌形轨迹线相交的入1入2两点所代表的颜色便是互补色。色度学的主要参数（1）纯度和主波长纯度和主波长是色度学中的两个重要参数，它描述颜色的色调。在图（ 6）中给出 了色坐标点为F的光源在色度图上的位置。我们通常选定白光 W作照明光源，因此光 源F的纯度定义为，自 W向 F作一直线，与单色光轴相交于 G,距离WF占总长WG勺 百分数即为F的纯度：T Kxy5000.7210.27910000.65

24、20.34515000.5860.39318000.5490.40820000.5260.41323000.4950.41550000.3450.35160000.3220.33170000.3060.316100000.2800.288240000.2500.253OO0.2400.234表3绝对黑体的色坐标图（6）中F点的纯度为75%由此相应在光谱轨迹上的 G点，其纯度为100% 此外还定义G点处光谱轨迹上的波长为光源 F的主波长入D,在图（6）中，F点的主波 长为600 nm而当F连线的交点落在直线PQ上时，则其主波长的数值以其补偿波长来 代表，而在其补偿波长下附以注脚“ C表示。例如光

25、源H,从W向H作直线的交点在PQ上,因此即由H向相反方向与 W连直线，并延长与轨迹线相交于I，H的主波长即为 502C nm而H点的纯度仍以502C nm的I点为准，与F点纯度求法相同（2）色温当某辐射体与绝对黑体在可见光区域（0.4 0.7卩）具有相同形状的光谱能量分布时的温 度，称为该辐射体的色温。即在此温度下，该 辐射体的辐射色调与绝对黑体的辐射色调相同。 所谓黑体，是指能够完全吸收由任何方向入射 的任何波长的辐射的热辐射体。不同温度下， 绝对黑体的色坐标见表3将表3色坐标画于色度图上，即得到 图中的黑体迹线。当某一光源的色坐标（x,y ） 位于色度图上黑体迹线时，就以黑体的绝对 温度定

26、义为该光源的色温。但是，有许多光 源的色坐标并不在黑体迹线上，而是在此轨迹的附近。于是，我们又定义了相关色温, 即在色度图上，和某一光源的色坐标点相距最近的那个黑体的绝对温度就定义为该光源的相关色温。实际应用中，有时为方便起见，采用色温来表示颜色，显然，这是一种近似的表 示方法。（3）显色指数显色指数：灯光下所显示的颜色与阳光下的颜色相比较之数值。3.LED生产工艺简介3.1支架式普通LED支架式普通LED制造工艺流程如下管芯安放除披锋特性检查* 封装成型 一 抽检入库热老化上连筋切断点灯检查图8管芯安放示意图图9金线键合示意图3.1.1管芯安放管芯安放工序的目的是用粘合剂把管芯放在支架的发射

27、 杯中。粘合剂高度不可超过 PN结位置（管芯2/3高度处） 一般以1/31/2个管芯高为宜,见图7。管芯安放后应在 硬化炉中进行粘合剂硬化，硬化后用推力计抽测其推力，一般要求推力大于150g,否则视为粘附不牢3.1.2金线键合金线键合的目的是用金线把管芯的电极连接到支架上。本工序对产品的可靠性有着重要影响。键合后，要求 A点应2/3以上在管芯电极内，E点应在管芯中间且呈鱼尾状，金线弧度约1/21个管芯高（见图8）。键合后用拉力 计抽测拉力，要求拉力必须大于 7 g，且断点不能为A、E点, 否则视为键合不良。3.1.3封装成型本工序的目的是使用环氧树脂把完成金线键合的半成品封装成型，使用不同的模

28、具，可以得到不同规格的 LED本工序对成品率影响重大，重点必须注意以下问题:1） 确保树脂配方正确无误，树脂配好后要进行脱泡处理；2） 树脂配好后存放时间不宜太长，一般不得超过 4小时；3） 模具使用前要进行除尘处理，并视使用次数决定是否需要喷涂离型剂，离型剂 喷涂量应适中，太少可造成脱模困难，太多则可使制品表面变形；4） 掌握好树脂注入份量，部分品种树脂注入后要做脱泡处理；5） 支架插入前要先“点树脂”否则会造成杯内气泡；6） 注意支架插入方向的正确性，同时确保支架完全插入模条定位槽中；7） 根据使用树脂的要求设定硬化条件，完成制品的硬化步骤；8） 注意对硬化完成品表面的检查，发现有伤痕或变

29、形时应及时更换模具；3.1.4热老化热老化的目的是使树脂彻底硬化，从而确保树脂有良好的可靠性。3.1.5除披锋和尺寸检查除披锋的目的是使用专门的器具除去制品裙边的毛刺。 尺寸检查则是使用专门的检查工具，将支架插入深度不足部分不良品分开。3.1.6连筋切断连筋切断的目的是切除支架的上连筋，并将支架的正、负极分开，以便进行点灯 检查。3.1.7点灯检查点灯检查是将LED成排点亮后，剔除NL （不亮）及外观不良品，有的检查机还可 同时剔除Vf和I R不良品。3.1.8特性检查特性检查就是使用特性检查机，对经过点灯检查剔除了外观不良品的制品进行光电参数检测，剔除Vf和Ir不良品，并将光强分为若干个档次。使用台湾 T620测试机, 还可对主波长或峰值波长以及色度坐标进行分档。为了确保分档的正确性，通常使用更为准确的检测机对分档结果进行监控和校正。3.1.9包装包装就是按规定的每包、每盒数量将制品包装