半导体发光二极管基本知识.docx
《半导体发光二极管基本知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体发光二极管基本知识.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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GaAs1-xPx制成的同质结器件，以及GaP掺锌氧对的红色器件，GaAs1-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AlGaIn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（LightEmittingDiode）的基本结构
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
磷化镓（GaP）
700
高亮度红
磷砷镓（GaAsP）
630
超高亮红
镓铝砷（GaAlAs）
660
超高亮红
镓铟铝磷（AlGaInP）
625-640
普通绿、黄绿
磷化镓（GaP）
565-572
高亮绿
镓铟铝磷（AlGaInP）
572
超高亮绿
氮化镓（InGaN）
505-540
普通黄、橙
磷砷镓（GaAsP）
590,610
超高亮黄、橙
镓铟铝磷（AlGaInP）
590-610
蓝
氮化镓（InGaN）
455-480
紫
氮化镓（GaN）
400,430
白
氮化镓+荧光粉
460+YAG
红外
砷化镓（GaAs）
>780
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，背面为N面，连接到电源的负极（（GaAlAs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
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φ25μm和φ30μm两种规格，一般场合使用φ25μm金线，对于通过电流较大，可靠性要求较高的场合，则使用φ30μm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正向压降指每个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IR表示。
正常的LED，IR值应接近0。
反向漏电流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Pλ表示。
发光器件在λ1和λ2范围内的辐射功率可表示为：
λ2
λ1
Pλ1Pλ2=∫Pλdλ
（1）
Pλ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λp
峰值波长λp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<3>是CaN绿色LED的光谱曲线,由曲线可见,其峰值波长是505nm。
（2）半波宽度Δλ0.5
”
’
半波宽度Δλ0.5由λp两边的两个波长
λ0.5-Δλ0.5求得：
’
”负责人
Δλ0.5=λ0.5-λ0.5
（2）
图<3>CaN绿色LED的光谱曲线
2.2.2辐射度量及单位
辐射度学是有关某一给定辐射体的光辐射能量或功率的,光谱涉及从紫外光到红外光的整个范围,与人眼对亮度和颜色的灵敏度无关。
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：
dQe
dt
P=（3）
辐射功率的单位为瓦特（W）。
（2）辐射强度
辐射强度J定义为单位时间、单位立体角内发射的功率：
dP
dω
J= （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：
dσ
r2
dω=（5）
（3）辐射照度
落在单位面积上通量的数值，称为辐射照度H。
dP
dσ
H=（6）
dp是落在元表面上的通量值。
辐射照度H用瓦/平方米（W/m2）作单位。
由以上公式可推得某一点光源的辐射强度J和辐射照度之间的关系：
Jdω
dP
dσ
dσ
H===J/r2（7）
（4）辐射亮度
考虑辐射源上表面dσ，以此为顶点的立体角内dω内的辐射通量为dp，dω的轴线v与dA的法线n成θ角，如图（4）所示。
dp与dω及dσ在v方向的有效截面积dσcosθ
有关，即：
dp=Rθdσcosθdω（8）
dp
或：
dσcosθdω
Rθ=（9）
图<4>
Rθ就称为面辐射源在角θ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。
Rθ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380～760nm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（λ）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——即视见度Kλ，就得到光度学中的各个量。
2.2.3.2光度学参数
（1）光通量
假定某辐射体发出的光线是波长为λ的单色光,该辐射体单位时间内所辐射的能量就是辐射通量Pλ,由该量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量Fλ,它表示单位时间内流出光能的大小,单位是流明（lm）。
Pλ与Fλ之间的关系可用下式表示：
Fλ=KλPλ=V（λ）KmPλ（10）
式中，Kλ表示波长为λ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=680lm/W表示人的日间视觉在550nm处能将1W功率转变成680lm的光能。
各波长发出的总光通则为：
780nm
380nm
F=Km∫V（λ）·Pλdλ（11）
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
dω
I=（12）
一个点光源所发出的光强是各向相同的，则总光通量
F=4πI（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称为半值角。
如图<5>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。
图<5>LED光强分布图
（4）亮度
dF
亮度B与辐射亮度类似。
发光体之表面dσ在与其法向成θ角的方向上的亮度Bθ等于：
dσcosθdω
Bθ=（14）
其中dF为立体角dω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）照度图<6>
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
dσ
E=（15）
照度的单位是勒克斯。
1勒克斯为1平方米面积上接受一流明的光通量，即：
lm/m2。
2.3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
x=
X+Y+Z
y=（17）
Z
X+Y+Z
z=
x+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>。
图<7>
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λ=590nm的单色光，从表<2>得：
X=1.0263Y=0.7570Z=0.0011有
X
X+Y+Z
则x==0.5752
Y
X+Y+Z
y==0.4242
Z
X+Y+Z
z==0.0006
表<2>
波长（nm）
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
3
1
3
1
色部分接近为一直线，这就表示从红到绿之橙、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λ1λ2两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的百分数即为F的纯度：
WF
WG
PF=（18）
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λD，在图（6）中，F点的主波长为600nm。
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502Cnm，而H点的纯度仍以502Cnm的I点为准，与F点纯度求法相同。
（2）色温
表<3>绝对黑体的色坐标
T°K
x
y
500
0.721
0.279
1000
0.652
0.345
1500
0.586
0.393
1800
0.549
0.408
2000
0.526
0.413
2300
0.495
0.415
5000
0.345
0.351
6000
0.322
0.331
7000
0.306
0.316
10000
0.280
0.288
24000
0.250
0.253
∞
0.240
0.234
当某辐射体与绝对黑体在可见光区域（0.4
～0.7μ）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
热老化
封装成型
金线键合
点灯检查
上连筋切断
尺寸检查
除披锋
抽检入库
包装
特性检查
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
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1/3～1/2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。
图<8>管芯安放示意图
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1/2～1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7g，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，使用不同的模具，可以得到不同规格的LED。
图<9>金线键合示意图
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IR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好，通常使用电子称称重的方法进行计数。
3.1.10抽检入库
抽检是由质量监督部门对准备入库的产品进行抽检，以确保符合质量标准。
通常采用AQL（合格质量水平）抽样方案，如抽检不合格,则应退回生产部门进行复检，复检后再行抽检。
3.1.11LED命名方法
下面举例说明LED的命名方法:
BT–104GEK-31-505E-C6
“BT”是本公司生产的半导体发光二极管的代码，后面第1位数表示发光颜色，“1”为绿色，“2”为红色，“3”为黄色，“4”为橙色，“5”为蓝色，“6”为双色，“7”为红外管，“9”为白色；第2、3位数是产品的系列号，该系列号决定了应该采用哪一种模具；第3位数后面的两个字母表示使用芯片的种类，如“GE”为的芯片，“BE”为台湾晶元芯片，“BU”为UOE公司的芯片等等。
第3个字母表示封装树脂种类，“K”为无色透明，“N”为有色透明，“W”为无色散射，“D”为有色散射等等；“31”表示连筋切断位不带卡位，如带卡位则为“30”；“505”表示芯片波长为505，“E”为芯片光强档次，C6表示使用模具卡位尺寸。
3.2LED显示板
3.2.1外型图
LED显示板的外形图参见图<9>
3.2.2工艺流程
LED显示板工艺流程如下:
图<10>LED显示板外形图
铝（金）线键合
抽检入库
包装
终测
热压
初测
管芯安放
3.2.3与支架式LED的主要区别
由工艺流程图可见，LED显示板的工艺流程与支架式LED工艺流程的主要区别主要在于:
（1）支架式LED采用金线作为内引线，显示板则更多的是采用铝线，这一方面是出于成本考虑，另一方面是因为在PCB上键合金线对PCB的质量要求较苛刻，而键合铝线则较易进行；
（2）显示板无须树脂封装，而采用热压的方式，将反射腔与PCB嵌合在一块，然后在其表面贴上散射膜；
（3）显示板不良品可进行翻修，LED则不能；
（4）为确保各笔段发光效果尽量一致，显示板对芯片的一致性要求较高。
3.3几种主要新产品介绍（器件类）
3.3.1一体化红外接收器
一体化红外接收器是为红外遥控系统生产的小型化器件，它将接收红外信号的光敏二极管芯片和前置放大器芯片组装在同一支架上，然后用环氧树脂封装成型。
经前置放大器放大和检波后的输出信号可以直接送入微处理器解码，其主要优点是体积小，能克服各种光和电磁干扰，成本较低。
一体化红外接收器主要工艺流程如下：
包装
打印
粘合剂固化
测试
工艺筛选
切筋
划片
封装
支架打弯
金线键合
IC安放
光敏管安放
在一体化红外接收器的研制中，材料的选择十分重要，尤其是IC的性能在很大程度上决定了制品质量。
本公司现有产品主要使用两大类IC，一类是日本NEC的μpc系列IC，其优点是价格便宜，但其抗光干扰和抗电磁干扰能力以及抗静电破坏能力都存在着一些问题，与整机的兼容性也不是很好。
另一类是美国Atmel公司的T2525系列IC，其各方面性能明显由于μpc系列IC，但由于价格高，且对中国市场限制出售，采购困难，因此目前生产量并不大。
除了IC以外，环氧树脂也是影响产品性能的关键材料。
与普通LED封装材料不同，用于一体化红外接收器的树脂必须只能够使波长为850nm以上的红外光透过，对低于该波长的杂散光必须能够起很好的阻挡作用。
否则不能保证制品有良好的抗光干扰性能。
我公
升级会员 