| faithlu |
2007-03-15 12:58 |
华中理工大学硕士研究生论文（LED的封装）
摘 要 MVatV[G
随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，白光LED的发展迅速，它已经趋向取代传统的照明，白光LED的光效已经由以前的20lm/w上升到了45lm/w。由于白光LED具有的长寿命、无污染、低功耗的特性，未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。 !_glZ*tL
本文首先简单介绍LED的概念、特点、分类以及现阶段全球和国内LED技术研究的进展，提出了现阶段白光LED存在的问题。 ~$!,-r
接着根据白光LED所存在的问题，对白光LED的封装工艺和原材料的选择搭配进行改进，在本文中白光LED有两种封装方式，一种是支架式封装形式，一种是大功率LED的封装形式。整个封装设计过程从以下几个方面进行的： [V}vd@*k
(1)荧光粉涂抹的方式。荧光粉的涂抹方式对白光LED的发光分布与色温的均匀度影响很大，荧光粉厚度较厚的位置黄光产生较多，色温会较低，因此在芯片上形成的涂抹层必须是均匀。 w0QtGQ|
(2)散热的研究。由于结温的上升会使发光复合的几率下降，发光二极管的亮度就会下降，寿命和输出光通也会随着温度的升高而下降，如果PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅提高产品的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和寿命。 ,f03TBD}
(3)封装原材料的选择。外封装材料的选择是建立在散热的基础上的，因此芯片、基板、支架、散热器和填充材料必须是低热阻，高导热率的材质。 o'Bd. B
最后是对封装好的两种白光LED的特性参数进行了测试和分析，并且通过改变封装条件进一步探讨和分析了两种封装方式。 / "m s
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关键词：固体照明 白光半导体发光二极管 封装工艺 荧光粉 散热 vrn4yHoZ
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Abstract wl=tN{R
With the development of material and the innovation of semiconductor manufacture technology, the efficiency of White LED is increasing from 20 to 45 lumens/watt, and has already begun to exceed that of incandescent lamps. Their life characteristics are important factors. When LEDs replace filter white light sources or colored neon lamps in signage, decorative and signaling applications, they will often be viable and efficient alternative. So LEDs will take a new era in “green lighting”. O7.V>7Y9H
First, The thesis introduces the concept and characteristics of LED and the development of LED technology research in the world and in china. h*%p%t<
Secondly, It states the package process of White LED in detail and discusses the following aspects: dT`nR"
One aspect is the coating method of phosphor, which influences the LED’s color temperature and range of available color properties, so，phosphor coating in manufacturing process must be uniform in thickness. AvL /gt:
Another aspect is the heat dissipated. In general, the cooler the environment, the higher an LED’s light output will be. Higher temperatures generally reduce light output. and LED’s life. If the heat within the junction is dissipated by convection and conduction, their useful life and the efficiency of LED would be increase. BD 6!,
The last aspect is the selection of material which include phosphors, chip, heat sinking and substrate. All material must be excellent conductors of heat. BRFsw` c
Thirdly, we obtain the data from measuring two kinds of White LED with different packaging process and draw a conclusion. {uDW< u_!
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Key words: solid-state lighting White semiconductor light emitting diode VPCI5mS_
Packaging process phosphor heat dissipated. ~z^l~Vyg?
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1 绪论 !G%!zNA S
1.1 引言 r #-
LED（light emitting diode，发光二极管）已有近30年的发展历程。20世纪70年代，最早的GaP、GaAsP同质结红、黄、绿色低发光效率的LED已开始应用于指示灯、数字和文字显示。从此，LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各个部门和千家万户。 目前被认为能取代传统照明方式的白光LED的光效和寿命不高，还远远不能达到家庭日常照明的需求，为了提高白光LED的性能，一方面其发光芯片的效率有待提高；另一方面，白光LED的封装技术也需改善。 lM-\: Q!
在LED产业链接中，上游是LED衬底晶片及衬底生产，中游的产业化为LED芯片设计及制造生产，下游归LED封装与测试。研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路，从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带，只有封装好的才能成为终端产品，才能投入实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。 xvGY d,dlK
本文主要从封装结构的设计、封装材料的选择和搭配及工艺技术等多方面入手，来实现白光LED，并且提高封装取光效率和LED的寿命。 "|\hTRQ
1.2 LED简介 lL}6IZ5sb
在半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二级管叫发光二级管。严格的说，LED这个术语应该仅应用于发射可见光的二极管，发射红外辐射的二极管叫做红外发光二极管，发射峰值波长在可见光短波界限附近，由部分紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管，但是习惯上把以上所说的三种半导体二极管统统叫做发光二极管[1-4]。 _/[qBe
发光二极管是由Ⅲ-V族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1-1[5-7]。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 ] 0i [=
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图1-1 LED的发光原理 -]EL|_;
1.3 LED的特点和分类 l|g*E.:4
1.3.1 LED的特点 /N0m F< P
LED和普通的照明所用的灯管是不同的，它是一种固体照明的方式，而且LED的光效率高，和传统的照明用灯相比较，它的优点如下： AArLNXzVW
(1)LED的外封装是用的环氧树脂，而且是在高温的情况下进行工作的，其硬度极好，因此它结构坚固而不容易破损。 nC:T 0OJv
(2)LED是由电子和空穴复合而发光的，自由电子和空穴耦合不发热，因此寿命要比普通的寿命长。 <5Vf3KoC&
(3)LED的光效率高，操作的电流和电压都很小，消耗的功率也很小，因此省电，而且不容易出危险。 v }>g* @
(4)由于LED的外封装有的是用模条来完成的，因此形成极小表面及很薄很轻的产品，从而实现了LED相对普通的照明灯管体积极小的特点。 O"9t,B>=i
(5)因为LED的外封装是坚固的环氧树脂，所以它不容易破碎并且可以回收对环境没有任何影响。 $.,PteYK
(6) 根据LED特殊的封装特点，可以随意的通过调节作色剂来改变LED的颜色及外观。 o!xCM:+J
(7)LED是放电性发光的，因此它的反应速度相当的快，而且传导性能很好，容易配合高频的电路来驱动。 jMT [+f
1.3.2 常见LED的分类 ? [Yn<|
(1)按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。 .+7n@Sc
(2)按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）[6-8]。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类： /cS8@ )e4
1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 &0 QUObK
2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。 t%@iF
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? 3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。 pbzt8 P[
(3)按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 G > ~/
(4)按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度小于10mcd）；超高亮度的LED（发光强度大于100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 '[
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1.4 LED的应用前景 w+m7jn!$
据CIR预测，全球LED市场将从2004年的32亿美元，增长至2008年的56亿美元，其中，高亮度LED市场产值将由16亿美元增至26.4亿美元，超高亮度LED市场则将从2006年起快速成长，并于2008年占到全球市场22%的份额，因此从各个方面来衡量，可以看出LED是个势必带动全球经济发展的一个领域[16-22]。 besc7!S
LED的应用领域已经从最初简单的电器指示灯、LED显示屏发展到LCD背光源、景观照明、室内装饰灯等其他领域。而由于LED具有的长寿命、无污染、低功耗的特性，未来LED还将逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。为此，美国、韩国、欧盟、中国台湾都制定了适合各国国情的半导体照明计划，大力推进LED灯进入普通照明灯具市场。室内照明将是LED最具市场规模和发展潜力的应用。 ?M90K)&g{
从数量上看，凭借着国内强大的制造能力，指示灯依旧是LED的使用大户，其用量占据LED市场消耗量的半壁江山。但由于指示灯多为普通亮度LED，经过多年的发展产量很大早已形成买方市场，供过于求的市场现状导致价格持续下跌，严重影响了指示灯领域的LED市场规模增长。LED指示灯市场规模只保持了一位数增长，但是随着价格的进一步滑落，LED指示灯市场规模很难在维持正增长，预计从2006年起，该市场将呈现出负增长。 4Q+ ,_iP
(1)显示屏市场是LED的主要应用市场，全彩显示屏增势强劲 `! 8\ |/
LED显示屏按使用环境分为户内显示屏、户外显示屏;按颜色上又分为单色、双色和全彩显示屏。LED全彩显示屏由RGB三基色LED组成，每基色具有256级灰度，可显示16777216种颜色，色彩鲜艳，图像逼真。LED全彩显示屏既能显示各种颜色的文字、图形，又能显示图像、2D/3D计算机动画，尤其是能显示高清晰度、色彩丰富的视频动态图像。凭借着上述优势LED全彩显示屏广泛应用在体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。 "t2T* 'j{
(2)以手机应用为主的小尺寸背光源市场放缓，中大尺寸特别是7寸背光源将成为新的关注点 hyxv+m[
LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光市场中，手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展。特别是2003年彩屏手机的出现更是推动白光LED市场的快速发展。但随着手机产量进入平稳增长阶段以及技术提升导致用于手机液晶面板背光源LED数量减少，使得LED在手机背光源中用量增速放缓。7寸液晶面板背光源使用LED数量约为30颗左右，远远少于液晶电视用几百颗甚至上千颗的用量，与CCFL间的差价可拉近到20%左右。同时LED的色彩饱和度较CCFL的75%可达到104%。在差价拉近、色彩饱和度高的双重利好因素下，7寸液晶背光源市场成为开拓中大尺寸背光源市场的首选切入点。 e_-g|ukC
(3)汽车车灯市场潜力大，但短期内国内市场很难启动 df{?E):
有统计显示，在汽车以100公里的时速行驶下，装有LED刹车灯的车辆较没有装LED刹车灯的车辆刹车距离将减少7英尺。目前，LED已经逐步应用在汽车的第三刹车灯上。虽然LED目前还面临着单位瓦数流明低、价格高以及相关政策的限制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间，但是随着成本性能比的下降以及发光效率的提升，最终LED将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED车灯市场面临着巨大的发展潜力。 O!PG ZuF
除了上述问题之外，国内LED汽车车灯市场的发展还面临其他问题的困扰。由于国内汽车厂商主要以外资企业为主，生产的车型也主要是国外汽车车型的国内改进版。这就直接导致了原始整车设计构思、整车系统集成的核心技术都掌握在外资厂商手中。而汽车设计是一个连贯的整体，每一个环节的改变都会影响到整车电气设计的改变。目前国内汽车主要以低档车为主，车型也是国外比较成熟的车型，这些车型出现时间早在最初的设计时并没有考虑使用LED，而由于国内厂商缺少整体核心技术的支持，厂商很难直接改变汽车车灯的设计，影响国内汽车车灯市场的发展。 G-CL \G\n
(4)室内装饰灯市场逐步启动，交通灯置换高峰期即将过去市场进入平稳增长期。 .J.}}"+U
经过多年的替换工作，全国主要城市由传统交通灯替换为LED交通灯的工作已经接近尾声。随着替换工作的完成，LED交通灯市场将不会再维持高速增长，预计2006年LED交通灯市场只实现5.8%的增长。 fwpp qIM
(5)奥运会、世博会带动景观照明市场快速发展，2007年市场增速达到高峰。 S 1k*"><
景观照明市场主要以街道、广场等公共场所装饰照明为主，推动力量主要来自于政府。受到2008年北京奥运会和上海世博会的影响，北京、上海等举办地加快了景观照明的步伐，由于LED功耗低，在用电量巨大的景观照明市场中具有具有很强的市场竞争力。 mjOxm wo
此外，奥运会和世博会的主要作用远远不再于自身带动景观照明市场的成长，更重要的是其榜样作用。为了迎接奥运会和世博会的召开，北京、青岛、上海等地将建成一批LED景观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用。其他城市在看到LED在景观照明中的出色表现会减少对于LED景观照明的使用顾虑，加快使用LED在景观照明中的应用。LED将会从一级城市快速向二级、三级城市扩展。 l(Y32]Z
(6)通用照明市场路漫漫，任重而道远。 ?`TQ!m6y
对于进入通用照明市场而言，功率白光LED除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外，还将面临到光学、机构与电控等的整合以及LED照明产品通用标准的制定。 a,rXG
由于酒店、商务会馆、高档商用写字楼等商用场所相对于价格的敏感度低。同时这些高档场所更注重于彰显品味与尊贵的地位，对于新兴产品抱有更大的兴趣度。这些都降低了LED照明进入的门槛。 /@"mQx~[q
不过，也正是因为LED产业对资本、设备要求较低，进入该行业的，往往以民营小企业居多。虽然这在一定程度上使得该产业市场化程度较高，却也令新应用产品、技术的成熟可靠程度不够，造成一些负面影响。中低档产品居多，高档产品较少，新产品研制的能力亟待加强等现实问题，也使得开发具有自主知识产权的LED产品，愈加成为当务之急。 y0O(n/
1.5 LED的研究进展 |A4B4/!
在芯片的研究方面，世界上第一个实用的LED于1962年开发出来，由GaAsP制成，当时这种GaAsP材料LED只能发出0.001lm的光通量。1968年Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商品化LED，其流明效率大约只有一般的60至100瓦白炽灯的百分之一。稍后利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。1971年业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于户外信息发布以及汽车高位刹车灯。1990年，业界又开发出了红光四元AlInGaP材料LED，它的光通量比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍[8-12]。 5ncW
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在封装技术的研究方面，HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED，并于1994年推出改进型的“Snap LED”，有两种工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率可达0.3W。接着OSRAM公司推出“Power TOP LED”。之后一些公司推出多种功率LED的封装结构。这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍，热阻降为几分之一。W级功率LED是未来照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，对W级功率LED的封装技术进行研究开发。 <\*)YKjn/@
单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON LED，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED。OSRAM公司于2003年推出单芯片的“Golden Dragon”系列LED，其结构特点是热沉与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，而输入功率可达1W[13-15]。 3 EAr=E]
多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装形式较多。美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED，其结构是采用六角形铝板作为衬底。Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技术封装的大功率LED阵列。松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED。 )t~ad]oM
1.6 本文工作 +@$VJM%^7b
本课题工作源于深圳市越宏电子有限公司的新产品开发项目“白光LED封装工艺的开发”。本文是单从白光LED的封装来实现白光LED的，在上节中讲到，全球白光LED的封装的发展情况，但是还存在着光效不高、色温不能达到人们所能接受的日常照明的范围，并且工艺复杂，成本相对比较高的缺点。本文就从封装工艺的设计，封装材料的合理选择和搭配等方面来实现白光LED的封装，达到深圳越宏在现有的白光LED性能上提出的参数要求： 2k!uk6
(1)显色指数大于80。 I
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(2)色温在5000K到8000K之间。 \,v^ v]|
(3)支架式白光LED的光效必须大于8lm/w；大功率白光LED的光效必须大于35lm/w。 QeY+imM
本文各章节内容如下： `LH 9@Z{
第一章绪论，主要介绍了LED的发光原理，LED的分类和特点，以及LED的发展历史和对未来的展望。 u!xgLf'`
第二章介绍了白光的LED的合成方式和相关特性参数。 bLT X_
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第三章讲述的是白光LED封装的设计过程，主要LED的制作工艺流程，和具体的工艺实现过程。 6rS
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第四章是对封装好的支架式白光LED和大功率白光LED的特性参数进行测量，并对这些测试数据进行对比和分析。 W}F~vx.
第五章是全文总结。
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