封裝技術LED2023/2/31LED優點高光效高節能光源方向性好光色多安全性高環保壽命長光源快速響應燈具結構合理運行成本低

2023/2/321.1LED的基本概念一、LED基本結構和發光原理1.LED的結構2023/2/332.LED芯片結構LED芯片有單電極芯片結構和雙電極芯片結構。芯片是單電極還是雙電極取決于芯片結構。二元（GaAs）、三元（GaAsP）、四元（AlGaInP）、SiC材料的采用單電極結構。藍寶石襯底的，采用雙電極結構。2023/2/34§2.1.1LED單電極芯片圖2.1單電極芯片結構示意圖DEFCAHIBAGGJ電極直徑Jn型結晶基板E電極厚度In層D芯片高度Hp層C芯片尺寸（長×寬）G發光區Bn極金屬層Fp極金屬層A說明代碼說明代碼

單電極芯片結構代碼含義2023/2/35§2.1.2LED雙電極芯片JHIGMNGABCEDFKLHL雙電極芯片結構示意圖芯片尺寸（長）I低溫緩沖層Bn極金屬層H藍寶石基板A說明代碼說明代碼雙電極芯片結構代碼含義2023/2/36n極電極直徑Np極金屬層Gp極電極直徑M透明導電層F電極厚度Lp型接觸E芯片高度K發光層D芯片尺寸（寬）Jn型接觸CJHIGMNGABCEDFKLHL雙電極芯片結構示意圖2023/2/373.LED工作原理2023/2/382023/2/392023/2/310LED特性LED的電學特性LED的光學特性LED的熱特性

2023/2/311二、LED的常用性能指標

I-V特性是LED芯片性能主要參數。

I-V特性具有非線性、整流性質：單向導電性，即外加正偏壓表現低接觸電阻，反之為高接觸電阻。（1）正向死區（2）正向工作區（3）反向死區。（4）反向擊穿區2023/2/3122023/2/3131、LED電學參數（1）LED電參數

正向工作電流IF:指LED正常發亮時的正向電流值。

正向工作電壓UF：指通過LED的正向電流為正向工作電流時，在二極管兩極間產生的電壓降。紅黃綠的電壓是1~2.4V；白、藍、翠綠的電壓是2~3.6V。2023/2/314

反向工作電壓UR：被測發光二極管器件通過的反向電流為確定值時，在兩極間所產生的電壓降。

反向電流IR：加在發光二極管兩端的反向電壓為確定值時，流過發光二極管的電流。2023/2/315（2）極限參數的意義

允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發熱、損壞。

正向極限電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

反向極限電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極管可能被擊穿損壞。

工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2023/2/3162、LED光特性分析①光通量(φ)

:

表征LED總光輸出的輻射能量，它標志器件的性能好壞。F為LED向各個方向發光的能量只和，它與工作電流直接有關。隨著電流增加，LED光通量隨之增大。單位為lm。2023/2/317②發光強度：簡稱光強，國際單位是candela（坎德拉）簡寫cd。是表征發光器件發光強弱的重要性能。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90°。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。發光強度的角分布θ是描述LED發光在空間各個方向上光強分布。它主要取決于封裝的工藝，透鏡的材料，透鏡的曲率，芯片周圍的反光杯。2023/2/318③發光效率：是指每瓦電功率能發多少流明的光。通常來說，光效越高越省電，越節能。LED理論上最大光效：683lm/W；白熾燈光效：6~12lm/W；熒光燈光效：60~100lm/W。2023/2/319LED光特性發光效率LED效率有兩種

內部效率：pn結附近由電能轉化成光能的效率。內部效率只用來分析和評價芯片優劣的特性

外部效率：輻射到外部的效率。發光效率：輻射出光能量（發光量）與輸入電能之比量子效率

η=發射的光子數/pn結載流子數流明效率：LED的光通量/外加耗電功率流明效率是評價具有外封裝LED特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發光效率。理論計算中，最大的流明下來率為683lm/W。同此相比，LED未來的發展前景很廣闊。2023/2/320LED光特性品質優良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發出的光盡可能多，即外部效率要高.LED向外發光僅是內部發光的一部分，總的發光效率應為η=ηiηcηe

，

ηi向為p、n結區少子注入效率

ηc為在勢壘區少子與多子復合效率

ηe為外部出光（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。當芯片發出光在晶體材料與空氣界面時（無環氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當一部分的吸收，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.用折射率較高的透明材料覆蓋在芯片表面

2.把芯片晶體表面加工成半球形

3.用Eg半導體化合物能隙大的化合物半導體作襯底以減少晶體內光吸收。有人曾經用n=2.4~2.6的低熔點玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。2023/2/323LED光特性⑤發光峰值波長及其光譜分布

LED的光譜特性參數主要包括峰值發射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。單色LED的光譜為單一波峰，特性以峰值波長和帶寬表示，而白光LED的光譜由多種單色光譜合成。LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示，而由LED的光譜功率分布還可計算得到色度參數。LED發光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線——光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦隨之而定。LED的光譜分布與制備所用化合物半導體種類、性質及pn結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關。2023/2/324LED光特性發光峰值波長及其光譜分布如圖1藍光InGaN/GaN

發光譜峰λp=460～465nm2綠光GaP:N

發光譜峰λp=550nm3紅光GaP:Zn-O

發光譜峰λp=680～700nm4紅外GaAs

發光譜峰λp=910nm5Si光敏光電管通常作光電接收用6標準鎢絲燈2023/2/3252023/2/326GaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAs850nm~940nm紅外線不可見光GaInN/Sapphire455nm~485nm高亮度藍GaInN/Sapphire490nm~540nm高亮度藍綠/綠AlGaInP/GaAs高亮度綠GaP/GaP555nm~560nm綠AlGaInP/GaAs高亮度黃綠GaP/GaP569nm~575nm黃綠AlGaInP/GaAs高亮度黃GaAsP/GaP585nm~600nm黃AlGaInP/GaAs高亮度橙GaAsP/GaP605nm~622nm橙AlGaInP/GaAs630nm~645nm高亮度紅AlGaAs/GaAs645nm~655nm紅可見光結構波長顏色類別晶粒種類2023/2/327LED光特性峰值波長：無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示。只有單色光才有λp波長。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側±△λ處，存在兩個光強等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。主波長：有的LED發光不單是單一色，即不僅有一個峰值波長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發出主要單色光的波長。單色性越好，則λp也就是主波長。如GaP材料可發出多個峰值波長，而主波長只有一個。2023/2/328LED光特性⑥發光亮度亮度是LED發光性能又一重要參數，具有很強方向性。其正法線方向的亮度，指定某方向上發光體表面亮度等于發光體表面上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光通量，單位為cd/m2

或Nit。LED亮度與外加電流密度有關，電流密度增加發光亮度也近似增大。LED亮度還與環境溫度有關，環境溫度升高，復合效率下降，發光亮度減小。當環境溫度不變，電流增大足以引起pn結結溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態。2023/2/329LED常用詞匯總結7.經濟壽命：在同時考慮燈泡的損壞以及光束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時數。室外的光源為70%，室內的光源為80%。2023/2/3308.色溫：光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，色溫在3000k以下有溫暖的感覺，達到穩重的氣氛；色溫在3000k-5000k為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000k以上有冷的感覺。單位：K。2023/2/3312023/2/332LED光特性老化：LED發光亮度隨著長時間工作而出現光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關。外加恒流源越大老化越快。壽命：通常把亮度降到初始亮度一半所經歷的時間稱為二極管的壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點燃103~104小時后，先后測得BO,Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。顯色性：光源的顯色性是由顯色指數來表明，它表示物體在光下顏色比基準光（太陽能）照明時顏色的偏離能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現物體本來的顏色需使用顯色指數高的光源。單位：Ra。眩光：視野內有亮度極高的物體或強烈的亮度對比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質量的重要因素。2023/2/333LED熱學特性LED的光學參數與pn結結溫有很大的關系。一般工作在小電流IF＜10mA，或者10~20mA長時間連續點亮LED溫升不明顯。若環境溫度較高，LED的主波長或λp

就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩定性影響應專門設計散射通風裝置。LED的主波長隨溫度關系可表示為λp（T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每當結溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發光的均勻性、一致性變差。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度的設計尤其應注意用散熱好的燈具外殼或專門通用設備、確保LED長期工作。2023/2/334LED熱學特性LED測量的環境溫度一般為Tamb＝25oC。隨著溫度的增加，LED波長的中心會發生藍移或紅移隨著溫度的增加，LED的光強將會減小2023/2/335LED熱學特性2023/2/336LED熱學特性2023/2/337LED熱學特性2023/2/338LED熱學特性LED散熱結構2023/2/339§1.2LED芯片分類

LED的封裝工藝有其自己的特點。對LED封裝前首先要做的是控制原物料。因為許多場合需要戶外使用，環境條件往往比較惡劣，不是長期在高溫下工作就是長期在低溫下工作，而且長期受雨水的腐蝕，如LED的信賴度不是很好，很容易出現瞎點現象，所以注意對原物料品質的控制顯得尤其重要。LED芯片是半導體發光器件LED的核心部件，它主要由砷(AS)、鋁(AL)、鎵(Ga)、銦(IN)、磷(P)、氮(N)、鍶(Ｓr)這幾種元素中的若干種組成。2023/2/340（1）芯片按發光亮度分類可分為：☆一般亮度：R(紅色GAaAsP655nm)、H

(

高紅GaP697nm

)、G

(

綠色GaP565nm

)、Y

(

黃色GaAsP/GaP585nm

)、E(桔色GaAsP/

GaP635nm

)等；☆高亮度：VG(較亮綠色GaP565nm)、VY(較亮黃色GaAsP/

GaP585nm)、SR(較亮紅色GaA/AS660nm)；☆超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。（2）芯片按組成元素可分為：☆二元晶片(磷﹑鎵)：H﹑G等；☆三元晶片(磷﹑鎵﹑砷)：SR(較亮紅色GaA/AS660nm)、HR

(超亮紅色GaAlAs660nm)、UR(最亮紅色GaAlAs660nm)等；2023/2/341☆四元晶片(磷﹑鋁﹑鎵﹑銦)：SRF(

較亮紅色

AlGalnP

)、HRF(超亮紅色

AlGalnP)、URF(最亮紅色AlGalnP630nm)、VY(較亮黃色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黃色AlGalnP595nm)、UY(最亮黃色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黃色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔色AlGalnP620nm)、UG(最亮綠色AIGalnP574nm)LED等。（3）發光二極管芯片制作方法和材料的磊晶種類：1.LPE：

液相磊晶法

GaP/GaP；2.VPE：

氣相磊晶法

GaAsP/GaAs；3.MOVPE：有機金屬氣相磊晶法)AlGaInP、GaN；2023/2/3422023/2/3434.SH：單異型結構

GaAlAs/GaAs；5.DH：雙異型結構

GaAlAs/GaAs；6.DDH：雙異型結構

GaAlAs/GaAlAs。不同LED芯片，其結構大同小異，有外延用的芯片基板(藍寶石基板、碳化硅基板等)和摻雜的外延半導體材料及透明金屬電極等構成。2023/2/344§2.1.6制作LED磊芯片方法的比較

HB-LEDLDVCSELHBT高亮度LED成本較高良好率低原料取得不易磊晶純度佳磊晶薄度控制佳磊晶平整度佳將有機金屬以氣體形式擴散至基板促使晶格表面粒子凝結MOCVD有機金屬化學氣相沉漬法傳統LED一般亮度LED磊晶薄度及平整度控制不易磊晶長成速度快量產能力尚可以氣體或電漿材料傳輸至基板促使晶格表面粒子凝結或解離VPE氣相磊晶法傳統LED一般亮度LED磊晶薄度控制差磊晶平整度差操作簡單磊晶長成速度快具量產能力以溶融態的液體材料直接和基板接觸而沉積晶膜LPE液相磊晶法主要應用缺點優點特色磊晶方法

制作磊芯片的幾種常用方法2023/2/345（4）芯片按襯底材料分類

對于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應該采用哪種合適的襯底，需要根據設備和LED器件的要求進行選擇。◆

藍寶石（Al2O3）◆

硅

（Si）◆

碳化硅（SiC）一、藍寶石襯底藍寶石襯底有許多的優點：

1.生產技術成熟、器件質量較好

;2.穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程中;3.機械強度高，易于處理和清洗。

三種襯底材料：2023/2/346藍寶石襯底存在的問題：1.晶格失配和熱應力失配，會在外延層中產生大量缺陷；2.藍寶石是一種絕緣體，在上表面制作兩個電極，造成了有效發光面積減少；3.增加了光刻、蝕刻工藝過程，制作成本高。

藍寶石的硬度非常高,在自然材料中其硬度僅次于金剛石,但是在LED器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割(從400nm減到100nm左右)。添置完成減薄和切割工藝的設備又要增加一筆較大的投資。

藍寶石襯底導熱性能不是很好(在100℃約為25W/m·K)，制作大功率LED往往采用倒裝技術(把藍寶石襯底剝離或減薄)。2023/2/347二、硅襯底

硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。硅襯底芯片電極采用兩種接觸方式:

V電極芯片L電極芯片采用藍寶石襯底和碳化硅襯底的LED芯片2023/2/348

常用芯片簡圖（在此只給出幾種）一、單電極芯片1.圓電極芯片009UOV008RN010SOTK110DR2.方電極芯片010YGK009UYG113YGUM80SOU2023/2/3493.帶角電極芯片012UY512UOL012UYG012IRA二、雙電極芯片＆幾種雙電極芯片

514GSB4713DC010BLTB024I2023/2/350三、碳化硅襯底

碳化硅襯底（CREE公司專門采用SiC材料作為襯底）的LED芯片，電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。

碳化硅的導熱系數為490W/m·K，要比藍寶石襯底高出10倍以上。碳化硅制造成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。

缺點優點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藍寶石(Al2O3)抗靜電能力成本導熱性穩定性膨脹系數(×10-6)導熱系數(W/m·K)襯底材料

三種襯底材料的性能比較

除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作為襯底，通常根據設計的需要選擇使用。

2023/2/352LED制造工藝三個階段：前段→上游→材料生長中段→中游→芯片制備后段→下游→器件封裝→外延片襯底及外延層的生長→蒸鍍金屬電極、切割→把做好的LED芯片封裝成各種形式2023/2/353LED襯底生長關鍵工藝融化頸部生長晶體生長尾部生長切割2023/2/354LED芯片的制作流程擴散和鍵合晶粒光刻鍍金晶圓芯片拋光檢驗劃片崩裂等離子體刻蝕GaNLED芯片的制作流程綠光晶粒樣品2023/2/355LampLEDTOPLED食人魚LEDSMDLEDPOWERLED2023/2/3562.LED芯片的供應商國外LED芯片廠商：

CREE，惠普（HP），日亞化學（Nichia），豐田合成，大洋日酸，東芝、昭和電工（SDK），Lumileds，旭明（Smileds），Genelite，歐司朗（Osram），GeLcore，首爾半導體等，普瑞，韓國安螢（Epivalley）等。臺灣LED芯片廠商：晶元光電（Epistar）簡稱：ES、（聯詮、元坤，連勇，國聯），廣鎵光電（Huga），新世紀（GenesisPhotonics），華上（ArimaOptoelectronics）簡稱：AOC，泰谷光電（Tekcore），奇力，鉅新，光宏，晶發，視創，洲磊，聯勝（HPO），漢光（HL），光磊（ED），鼎元（Tyntek）簡稱：TK，曜富洲技TC，燦圓（FormosaEpitaxy），國通，聯鼎，全新光電（VPEC），2023/2/357大陸LED芯片廠商：三安光電簡稱（S）、上海藍光（Epilight）簡稱（E）、士蘭明芯（SL）、大連路美簡稱（LM）、迪源光電、華燦光電、南昌欣磊、上海金橋大晨、河北立德、河北匯能、深圳奧倫德、深圳世紀晶源、廣州普光、揚州華夏集成、甘肅新天電公司、東莞福地電子材料、清芯光電、晶能光電、中微光電子、乾照光電、晶達光電、深圳方大，山東華光、上海藍寶等。華興（LedtechElectronics）、東貝（UnityOptoTechnology）、光鼎（ParaLightElectronics）、億光（Eve