1、 目錄摘 要21 前言 32 國內外研發進展 33 我國LED封裝業的現狀與未來43.2 LED封裝產能53.3 LED封裝生產及測試設備53.5 LED封裝應用方向63.6 LED封裝業人才狀況64 技術原理 64.1 光譜特性 74.2  散熱技術 84.3  取光技術 95  技術路線 10結束語 11 氮化鎵基半導體照明及其封裝與未來摘 要 文章分析了照明用半導體的外延、芯片及封裝等相關技術，介紹了在光譜特性、散熱性能、出光技術等方面的探

2、索，提出了一些具體的解決方案，并對的產業化生產進行了討論。  中國是LED封裝大國，據估計全世界80%數量的LED器件封裝集中在中國，分布在各類美資、臺資、港資、內資封裝企業。在過去的五年里，外資LED封裝企業不斷內遷大陸，內資封裝企業不斷成長發展，技術不斷成熟和創新。在中低端LED器件封裝領域，中國LED封裝企業的市場占有率較高，在高端LED器件封裝領域，部分中國企業有較大突破。隨著工藝技術的不斷成熟和品牌信譽的積累，中國LED封裝企業必將在中國這個LED應用大國里扮演重要和主導的角色。關鍵詞：半導體照明 封裝 氮化鎵 氮化鎵是一種寬禁帶半導體材料，在室溫下其直

3、接帶隙寬度為3.39eV，具有熱導率高、耐高溫、耐酸堿、高硬度等特性，是第三代半導體的代表。這些特性使氮化鎵基材料廣泛地被用于藍、綠、紫外發光二極管和激光器，以及高溫大功率器件。發光二極管是直接把電能轉換成光的半導體器件，同傳統的光源相比具有壽命長、可靠性高、低能耗等特點。 本文研究了氮化鎵的外延生長、LED芯片的制造工藝，獲得的主要結果如下： 1、用透明的ITO薄膜代替半透明的Ni/Au金屬薄膜作為LED的電流擴展層，制備了氮化鎵基發光二極管，并研究了它的電學性能和光學性能。在相同的驅動電流下，ITO/LED.氮化鎵是一種寬禁帶半導體材料，在室溫下其直接帶隙寬度為3.39eV，具有熱導率高、

4、耐高溫、耐酸堿、高硬度等特性，是第三代半導體的代表。這些特性使氮化鎵基材料廣泛地被用于藍、綠、紫外發光二極管和激光器，以及高溫大功率器件。發光二極管是直接把電能轉換成光的半導體器件，同傳統的光源相比具有壽命長、可靠性高、低能耗等特點。 本文研究了氮化鎵的外延生長、LED芯片的制造工藝，獲得的主要結果如下： 1、用透明的ITO薄膜代替半透明的Ni/Au金屬薄膜作為LED的電流擴展層，制備了氮化鎵基發光二極管，并研究了它的電學性能和光學性能。在相同的驅動電流下，ITO/LED具有更高的光輸出功率。同時，ITO/LED保持了很好的可靠性。經過1000小時的30毫安的驅動電流的老化，ITO/LED的光

5、輸出功率仍然在初始功率的80以上。 2、應用ICP干法刻蝕和自然光刻技術，粗化氮化鎵基LED芯片的透明導電薄膜ITO。實驗結果表明，粗化的ITO表面極大地改善了氮化鎵基LED芯片的出光效率。在20mA的直流驅動下，ITO表面粗化過的LED與傳統的LED相比，發光強度提高了70。 3、在氮化鎵基LED芯片的外延生長時，在P型氮化鎵層中間生長一夾雜層，使其P型氮化鎵薄膜的表面自然粗化。實驗結果表明，P型氮化鎵表面自然粗化過的LED芯片的出光效率提高了60。典型的20mA時的電壓值僅僅比傳統的LED高了0.15V。1 前言  發光二極管（ ，）是可以直接將電能轉化為可見

6、光和輻射能的發光器件，具有工作電壓低、耗電量小、響應時間短、光色純、結構牢固、抗沖擊、耐振動、性能穩定可靠、重量輕、體積小等一系列特性。近年來，LED發展突飛猛進。其中基于氮化鎵氮化鎵材料的高亮度功率型半導體照明是化合物半導體乃至整個光電子和半導體產業界的研發熱點，發展前景極其廣闊。與傳統照明技術相比，這種新型光源具有高效節能、長壽命、小體積、易維護、環保、安全、耐候性好等優勢，被公認為是極具發展前途的照明光源。隨著北京市各項奧運工程的深入開展，新一代城市景觀照明燈、大屏幕全彩顯示屏、戶內外公共場所信息指示牌等眾多應用將進一步加大對高亮度半導體照明光源的需求量，LED在民用照明領域內的應用也將

7、進一步得到推廣。 2 國內外研發進展  在高亮度及功率型研發方面居于國際先進水平的公司主要分布在美國、日本、歐洲和韓國，代表性的公司有：美國的，公司，日本的，T 公司，歐洲的，公司等。這些跨國大公司多有原創性的專利，引領技術潮流，占領絕大多數的市場份額。臺灣的一些光電企業，如，等也起步較早，在下游工藝和封裝以及上游材料外延方面具備了若干自主知識產權，也占有一定的市場份額。最近年內，韓國，等公司的相關技術優勢更加突出。我國在功率型芯片，特別是氮化鎵基高亮度藍綠色、紫色管芯芯片及半導體白光照明燈具方面的研究正在迅速發展。代表性的企業主要有：方大國科、華光、藍寶、路美、

8、廈門三安、上海藍光等。  在傳統的藍綠色市場中，此種在我國特別是珠江三角洲地區有大量的封裝廠和產品銷售，但是芯片大多由臺灣和韓國進口。由于該類低價芯片一般為功率水平較低的低檔產品（電功率輸入下，藍綠光的發光功率為），在車載儀表顯示、高品質大屏幕應用等方面不具有競爭力。在各種照明領域，其產業鏈正處于初步發展的階段。世界各國、各地區的生產廠商均在加大研發力度。而我國在該領域則剛剛起步，面向半導體照明的大功率管芯產品幾乎還是空白。 3 我國LED封裝業的現狀與未來  3.1 LED封裝產品 LED封裝產品大致分為直插式（LAMP）、貼片式（SMD）、大功率（HI-POW

9、ER）三大類，三大類產品中有不同尺寸、不同形狀、不同顏色等各類產品。我國的LED封裝產品經過十多年的發展，已形成門類齊全的各類封裝型號，與國外的封裝產品型號基本同步，在國內基本能找到各類進口產品的替代產品。在今后的幾年里，我國的LED封裝產品種類將更加齊全，與國外產品保持同步。 3.2 LED封裝產能 中國已逐漸成為世界LED封裝器件的制造中心，其中包括臺資、港資、美資等企業在中國的制造基地。    據估算，中國的封裝產能（含外資在大陸的工廠）占全世界封裝產能的60%，并且隨著LED產業的聚集度在中國的增加，此比例還在上升。大陸LED封裝企業的封裝產能擴充較快，隨

10、著更多資本進入大陸封裝產業，LED封裝產能將會快速擴張。 3.3 LED封裝生產及測試設備    LED封裝主要生產設備有自動固晶機、自動焊線機、自動封膠機、自動分光分色機、自動點膠機、自動貼帶機等；LED主要測試設備有IS標準儀、光電綜合測試儀、TG點測試儀、積分球流明測試儀、熒光粉測試儀、冷熱沖擊箱、高溫高濕箱等。五年前，LED主要封裝設備是歐洲、臺灣廠商的天下，國產設備多為半自動設備，現在，除自動焊線機外，國產全自動設備已能批量供應，不過精度和速度有待進一步提高。LED的主要測試設備，除IS標準儀外，其它設備已基本實現國產化。就硬件水平來說，中國規模以上的L

11、ED封裝企業是世界上最先進的。當然，一些更高層次的測試分析設備還有待進一步配備。  中國在封裝設備硬件上，由于購買了最新型和最先進的封裝設備，擁有后發優勢，具備先進封裝技術和工藝發展的基礎。3.4 LED芯片 LED封裝器件的性能在50%程度上取決于芯片，50%取決于封裝工藝和輔助材料。目前中國大陸的LED芯片企業約有十家左右，起步較晚，規模不夠大，最大的LED芯片企業年產值約3個億人民幣，每家平均產能在1至2個億。國內中小尺寸芯片（指15mil以下）已能基本滿足國內封裝企業的需求，大尺寸（指功率型瓦級芯片）還需進口，主要來自美國、臺灣企業。國產品牌的中小尺寸芯片性能與國外

12、品牌差距較小，具有良好的性價比，能滿足絕大部分LED應用企業的需求。國產大尺寸瓦級芯片還需努力，以滿足未來照明市場的巨大需求。隨著資本市場對上游芯片企業的介入，預計未來三年我國LED芯片企業將有較大的發展，將有力地促進LED封裝產業總體水平的提高。3.5 LED封裝應用方向  目前，我國的LED封裝產品已廣泛地應用在指示、背光、顯示、照明等應用方向，應用領域涵蓋消費類電子業、汽車業、廣告業、交通業、體育業、娛樂業、建筑業等全方位領域。我國LED封裝器件應用領域的廣度將會更加拓展，我國在LED的應用上已走在世界的前列。3.6 LED封裝業人才狀況  我國L

13、ED封裝業的人才是建立在消化吸收臺、港、美資LED企業的技術和管理人才基礎上再培養和成長起來的。行業的中、高層技術及管理人才滿足不了現有LED行業快速發展的需要，行業內經驗型人才偏多，技術型、學術型人才偏少。可喜的是，隨著產業的發展，部分高校已設置相關光電專業進行培養人才，產學研的合作深入也為我國LED封裝企業輸送和培養了一批人才。4 技術原理  組成物質的基本粒子、原子和電子在電場的作用下會發生能態躍遷，當它們從高能態回到低能態時，多余的能量會以光的形式釋放出來，產生電致發光的現象。20世紀20年代，法國科學家··就發現了碳化硅材料的電致發光現象。直到20世紀4

14、0年代，隨著材料與器件工藝的發展，才研制成功砷磷鎵發光二極管。的核心發光部分是由型和型半導體構成的-結管芯，當注入-結的少數載流子與多數載流子復合時，就會發出可見光、紫外光或近紅外光。到上世紀90年代，采用雙異質結與多量子阱結構，提高了發光二極管的亮度，之后，又通過技術在藍寶石與碳化硅的襯底上成功生長了具有器件結構的氮化鎵基的發光二極管外延片，制造出亮度很高的藍綠光發光二極管。  實際上，產生的所有光并不是都可以釋放出來的，這主要取決于半導體材料的質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料。如常規型封裝是將邊長的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵

15、合為內引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光，向期望的方向角內發射。頂部包封的環氧樹脂做成一定形狀。由于管芯折射率與環氧樹脂折射率相差較大，致使管芯內部的全反射臨界角很小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分在管芯內部經多次反射而被吸收，導致光的過多損失。   選擇不同折射率的封裝材料及封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到的軸線方向，相應的視角較小；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面

16、形，其相應視角將增大。  一般情況下，的發光波長隨著溫度變化為/，光譜寬度也隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當正向電流流經-結，發熱性損耗使結區產生溫升，在室溫附近，溫度每升高，的發光強度會相應減少左右。目前，很多功率型的驅動電流可以達到、甚至級，需要改進封裝結構，借助全新的封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。 關鍵技術問題 4.1 光譜特性  要作為照明光源，半導體常規產品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，目前距離甚遠。因此，關鍵要將其發光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。半導體照明所用的外延材料采用的外延生長技術和多

17、量子阱結構，其特點是高光功率輸出、優異的光譜特性。光譜特性是指發光波長的穩定和極窄的光譜半高寬。發光二極管中心波長隨注入電流變化是外延片材料制備過程中遇到的關鍵難題之一。眾多商品化的芯片發光的中心波長一般隨注入電流增大而造成發光波長的嚴重不穩定性。此外，芯片電致發光光譜的半高寬也是衡量外延片質量的重要參數之一，半高寬越窄，發光顏色越純。高質量的氮化鎵/氮化鎵多量子阱有源區生長是氮化鎵材料研究中的難點，也是各研究小組和生產廠商的核心技術。采用了新型量子阱結構的芯片，在注入電流由變化時，中心發光波長移動小于。上述芯片注入下的電熒光光譜的半高全寬僅為，并且隨注入電流變化（）僅為。同時，均勻性與重復性

18、是外延片產業化技術中的重要評價指標。實現規模化生產、要求在高質量外延片的產業化能力方面須具有雄厚的技術基礎和保證，從而使外延片的成品率大大增加。 4.2  散熱技術  傳統的照明器件散熱問題很容易解決，白熾燈、熒光燈在使用過程中燈絲達到非常高的溫度，發出的光包含紅外線，可以通過輻射的方式散發熱量。如白熾燈泡的熱量是通過輻射散出的。但是的發光機理不同，是靠電子在能帶間躍遷產生光，其光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能靠輻射散出，因此，又被稱為“冷”光源。但是，目前的發光效率僅能達到，還有的能量轉換成了熱量。由于傳統的管芯功率小，需要散熱也小，因而散熱問題不嚴重。目前

19、制作的大功率白光的芯片尺寸大多在×以上，單個器件的耗散功率在以上，如果簡單地把封裝尺寸也按比例放大，芯片的熱量不能散出去，會加速芯片和熒光粉的老化，還可能導致倒裝焊的焊錫熔化，使芯片失效。而且，當溫度上升時，色度變差，隨著藍光波長變動，熒光粉吸收率下降，總發光強度會減少，白光色度變差。同時將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升，環氧碳化變黃，從而加速器件的光衰直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產生的應力造成開路而失效。因此，對于大工作電流的半導體照明芯片，低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是技術關鍵。解決熱問題的方法主要有兩種：提高器件內的量子效率，提高芯片的發光效率，從根本上減少

20、熱量的產生；改進的結構，加快內部熱量的散發，以有效降低芯片的溫度。 在芯片制作與封裝方面，我們主要采用以下方法幫助散熱：    （1）芯片制作采用倒裝焊的結構，的熱量主要產生于很薄的有源層中，而封裝完成后的器件，其熱量則主要依靠向管座的熱傳導來散開。藍寶石襯底的導熱系數很小，因此普通正裝的芯片結構會使管座與芯片有源層間產生很大的溫差，導致管芯溫度上升，從而影響器件的各項性能。采用倒裝焊芯片結構后，利用熱沉作為散熱的中間導體，因為是熱的良導體，其傳熱效果要遠遠好于正面出光的，靠藍寶石來散熱的片子。  （2）改進原有的封裝結構，采取特殊的鋁基板作為

21、器件的承載平臺，器件的反光與散熱都由厚的鋁基板完成，同時將氮化鎵芯片粘附在熱沉上，與的僅靠碗狀模具散熱相比，更有利于熱量的傳輸。  （3）采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片；在器件的內部填充柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內（一般為），膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路。零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。  4.3  取光技術  從理論上講，當我們在發光的p-n結上施加正向電壓時，p-n結會有電流通過，電子和空穴在p-n結過渡層中復合會產生光子，但是光子并不能地逸出到空氣中。 主要原因如下：

22、0; （1）由光的傳播理論中的光線折射定律可知，兩種不同材料的界面在折射系數不同時，將出現光線被反射的現象，發光的芯片與周圍介質在折射系數上不同，因此必然導致光線不能全部逸出；   （2）發光芯片為了施加工作電流和電壓，必須固定在引線支架上，同時還需制作便于饋送電流的p型和n型兩個電極，而這種能引出導線的電極一般由不透光的金屬構成，這就阻擋了一部分光線逸出；   （3）用作包封材料的環氧樹脂，其透光率存在一定的比率，并且在高溫下隨時間的延長會變黃，透光率衰減嚴重，導致一部分光線不能逸出；   （4）環氧樹脂的包封形狀及其與空氣在折射系數上不同，對光線的逸出效率有較大的影響。目前，主要采用以下方法解決取光問題： 5  技術路線