1、第一讲 半导体照明产业技术的发展历程LED 产业的发展是和半导体技术以及照明光源技术发展紧密相关的。根据 LED 技术不同发展阶段,从其应用发展来看,LED 产业的发展历程依次可分为大致以下几个阶段: 1. 指示应用阶段; 2. 信号、显示应用阶段; 3. 照明应用阶段。 1965 年,全球第一款商用化发光二极管诞生,它是用锗材料作成的可发出红外光的LED,当时的单价约为 45 美元。其后不久, Monsanto 和惠普公司推出了用 GaAsP材料制作的商用化红色 LED。这种 LED 的效率为每瓦大约 0.1 流明,比一般的 60 至100 瓦白炽灯的每瓦 15 流明要低上 100 多倍。
2、1968 年,LED 的研发取得了突破性进展,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。到了 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 流明的发光效率发红光,这一技术进步使 LED 能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位刹车灯(CHMSL)设备。1990 年,业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的 AlInGaP 技术,这比当时标准的 GaAsP 器件性能要高出 10 倍。 当今,效率最高的 LED 是用透明衬底 AlIn
3、GaP 材料做的。在 1991 年至 2001 年期间,材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化 LED 的光通量提高了将近 30倍。 1994 年,中村修二在 GaN 基片上研制出了第一只蓝色发光二级管,由此人们看到了白光 LED 的曙光以及 GaN 基 LED 广阔的市场前景和巨大商机,也由此引发了对 GaN基 LED 研究和开发的热潮。GaN 基 LED 迅速发展,并逐渐进入到应用市场领域。蓝光 LED 的出现大大加速了大屏幕显示应用,从 20 世纪 90 年代中期开始,许多广告、体育和娱乐场所开始应用 LED 大屏幕显示。在紫外和蓝光技术上的突破使得另外一种生成白光的技术成为可
4、能,即在单枚 LED 上通过蓝光激发荧光粉,生成白光,20世纪 90 年代后期制成了第一只这样的 LED。 LED 作为指示应用已经成熟,作为信号、显示等方面的应用还需要进一步发展,而作为照明应用,还属于起步阶段。随着技术的不断进步,近年来白光 LED 的发展相当迅速,白光 LED 的发光效率已经达到 30 lm/W,实验室研究成果甚至可以达到 60 lm/W,大大超过白炽灯,而向荧光灯迫近。白光 LED 的应用曙光已经显现。 第二讲 半导体照明灯具及光学系统LED 小巧轻量、驱动电压低、全彩色、寿命长、效率高、耐振动、易于控光等特性,为设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。人们习惯
5、于看日光下的东西,对于通用照明来说,人们需要的主要是接近太阳光质量的光源,所以白光LED 是半导体照明科技的重要指标。由于单只 LED 功率小,光亮度低,不宜单独使用,为此必须将多个 LED 组装在一起设计成为实用的 LED 照明系统。但目前白光 LED 与通用照明的要求还有一定的距离,还存在诸多技术与成本问题急需解决。 (1 )半导体照明灯具系统的主要技术概况 1)灯具系统的热量管理 一般常称 LED 为冷光源,这是因为 LED 发光原理是电子经过复合直接发出光子,而不需要热的过程。但由于焦耳热的存在,LED 在发光的同时也有热量伴随,而且对于大功率和多个 LED 应用的场合,热量积少成多而
6、不能小觑,LED 不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源,过高的温度会缩短,甚至终止其使用寿命。而且 LED 是温度敏感器件,当温度上升时,其效率急剧下降,所以系统结构设计及散热技术开发也是 LED 应用需面对的课题。由于强制空气冷却通常在光源中是不可取的,所以随着输入电功率的提高,散热片和其它增强自然对流冷却的方法就在 LED 灯和光源设计中发挥日益重要的作用。 2)提高显色性 目前白光 LED 普遍使用发蓝光 LED 叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石(YAG)荧光粉,合成为白光。由于其发光光谱中仅含蓝、黄这两个波谱,所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题,不符合普通照明要求。人眼对色差的敏感性
7、大大高于对光强弱的敏感性,对照明而言,光源的显色性往往比发光效率更重要。所以加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是 LED 白光照明中的一个重要的课题。 3)灯具系统的二次光学设计 传统灯具长期以白炽灯、荧光灯光源为参照物来决定灯具的光学和形状的标准,因此 LED 灯具系统应考虑摒弃传统灯具加上 LED 发光模块的组装方式,充分考虑其光学特性,为 LED 光源专门设计不同的灯具。光学系统设计内容主要包括如下几个方面: 根据照明对象、光通量的需求,决定光学系统的形状、LED 的数目和功率的大小; 将若干个 LED 发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“ 二次光源”,根据组合成的二次光
8、源,计算照明光学系统; 构成照明光学系统设计的“二次光源”上的每只 LED 管子配光分布控制十分重要。 由于 LED 发出的光束集中,更易于控制,且不需要反射器聚光,有利于减少灯具的深度。例如,利用平面镜光学系统,可以只用 12 个 LED 就可照亮很大的表面,而灯具深度很薄;而利用光导技术,LED 直接装于光导管旁,可大大减少光源及其它组件占用的体积,制成超薄的灯具。 4)电源、电路与灯具的集成 为 LED 设计灯具,需要注意白炽灯和荧光灯灯具设计师很少需要关注的一个问题就是电源。大多数白炽灯直接由交流电线供电,因此不需要电源。荧光灯使用镇流器来完成电源的功能。但 LED 需要专门的电源与驱
9、动电路与其配套,在设计灯具的时候应考虑电源与灯具系统集成。 半导体照明和太阳能发电的最大特点都是环保、节能、长寿命、安全。太阳能发电和半导体照明相结合完成光电到电光的转换,是最佳的组合。以太阳电池发电作为电源的自然能利用型独立半导体照明灯具,节能、环保、长寿命,还省去了相关的电线及配套设施,拥有巨大的市场空间。 5)提高系统的可靠性 LED 光源有人称它谓长寿灯,作为固体发光器件,其理论寿命在 10 万小时以上,其使用寿命远比传统光源要长,因此在一些不易更换维护的场合使用,其维护成本可大为降低。但是目前许多实际应用中却无法看到这项优点,反而给使用者看到的是光衰严重,且寿命短,根本用不到一万小时
10、就坏了,这是因为大家所使用的 LED 是电子工业界最常使用的指示功能的 35 mm LED,利用简单的电子电路加大电流来增加其发光强度,但是 LED 只获得了短暂的高亮度,却失去了 LED 应有的寿命。因此在半导体照明灯具设计上慎选 LED,应使用大功率 LED 作为照明设备光源。 6)提高光通量、降低价格 目前单个 1W 的 LED 器件,光通量约为 25 lm,质量好的售价要超过 5 美元,差一些的也要 3 美元。而 25 lm 的光通量对于普通照明而言太小了,一只普通的 60W 白炽灯的光通量大于 700 lm,也就是说,要代替传统照明需要多个 LED 器件,还要加上驱动电路、灯壳、灯头
11、等,如此高的成本是白光 LED 在普通照明中的最大问题。特别是效率,目前是25 45 lm/W,还有待于进一步提高。 (2 )技术发展趋势 1)摒弃目前 LED 灯具仅仅是传统灯具加 LED 发光模块的设计方法,要充分考虑LED 光学特性,开发 LED 专用灯具。 2)电源及控制电路的设计,电源方面要改变目前普遍使用的电容降压和阻抗分压的应用方式,设计出合理的小电流恒流源电路,在驱动电流方面采用时钟周期调制方式,提高 LED 灯具的稳定性,同时进一步提高电源的效率。 3)在控制电路电路设计方面,要向集中控制,标准模块化,系统可扩展性三方面发展。 4)在目前 LED 光效和光通量有限的情况下,充
12、分发挥 LED 色彩多样性的特点,开发变色 LED 灯饰的控制电路。 5)发挥 LED 的优势,开发 LED 照明与光伏系统结合的灯具系统。 6)开发适合室内照明的集成平板光源系统,发展趋势是 LED 照明灯具与建筑融为一体。 7)开发 LED 灯具模拟仿真系统,以加快产品开发速度。 8) 开发太阳能与高亮度 LED 集成技术,解决太阳能电池系统与 LED 照明系统的匹配和控制技术。第三讲 半导体照明电源及控制电路作为一种新的光源,近年来各大公司和研究机构对 LED 电源和驱动电路的研究方兴未艾。与荧光灯的电子镇流器不同,LED 驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压,并同时完成与 LE
13、D 的电压和电流的匹配。随着硅集成电路电源电压的直线下降,LED 工作电压越来越多地处于电源输出电压的最佳区间,大多数为低电压 IC 供电的技术也都适用于为 LED,特别是大功率 LED 供电。再则,LED 电源还应能利用低电压 IC 电源产量逐渐上升带来的规模经济。 (1 ) LED 电源和驱动电路主要技术概况 1)电压变换技术 电源是影响 LED 光源可靠性和适应性的一个重要组成部分必须作重点考虑。目前我国的市电是 220V 的交流电,而 LED 光源属半导体光源,通常是用直流低电压供电,这就要求在这些灯具中或外部设置 AC-DC 转换电路,以适应 LED 电流驱动的特征。目前电源选择的途
14、径有开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等多种,根据电流稳定性,瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。 2)电源与驱动电路的寿命与成本 LED 寿命方面,虽然单颗 LED 本身的寿命长达 10 万小时,但其应用时必须搭配电源转换电路,故 LED 照明器具整体寿命必须从光电整合应用加以考虑。但对照明用 LED,为达到匹配要求,电源与驱动电路的寿命必须超过 10 万小时,使其不再成为半导体照明系统的瓶颈因素。在考虑长寿命的同时又不能增加太多的成本,电源与驱动电路的寿命与成本的通常不宜超过照明系统总成本的三分之一,在半导体照明灯具产品发展的初期,必须平衡好电源与驱动电路的寿命与成本的关系
15、。 3)驱动程序的可编程技术 LED 用作光源一个显著的特点就是在低驱动电流条件下仍能维持其流明效率,同时对于 R.G.B.多晶型混光而形成白光来说,通过开发一种针对 LED 的数字 RGB 混合控制系统,使用户能够在很大范围内对 LED 的亮度,颜色和色调进行任意调节,给人以一种全新的视觉享受。在城市景观亮化应用方面,LED 光源可在微处理器控制下可以按不同模式加以变化,形成夜晚的多姿百态的动态效果,在这方面将体现 LED 相对于其它光源所具有的独特的竞争优势。 4)电源与驱动电路的效率 LED 电源与驱动电路,既要有一定的供 LED 所需的接近恒流的正向电流输出,又要有较高的转换效率,电光
16、转化效率是半导体照明的一个重要因素,否则就会失去 LED节能的优点,目前商业化的开关电源其效率约为 80%左右,作为半导体照明用电源,其转换效率仍须进一步提升。 (2 )技术发展趋势 1)针对 LED 的特点开发一系列恒压恒流控制电子电路,利用集成电路技术将每颗LED 的输入电流控制在最佳电流值,使得 LED 能获得稳定的电流,并产生最高的输出光通量。LED 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED 电流的大小。 2) LED 驱动电路具有智能控制功能,使 LED 的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。当负载电流因各种因素而产生变化时,初级控制
17、IC 可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。 3)在控制电路电路设计方面,要向集中控制,标准模块化,系统可扩展性三方面发展。 4)在目前 LED 光效和光通量有限的情况下,充分发挥 LED 色彩多样性的特点,开发变色 LED 灯饰的控制电路。第四讲 主要封装技术概况1) LED 单芯片封装LED 在过去的 30 多年里,取得飞速发展。第一批产品出现在 1968 年,工作电流 20mA 的 LED 的光通量只有千分之几流明,相应的发光效率为 0.1 lm/W,而且只有一种光色为 650 nm 的红色光。70 年代初该技术进步很快,发光效率达到 1 lm/W,颜色也扩大到红色、绿色和黄色。伴
18、随着新材料的发明和光效的提高,单个LED 光源的功率和光通量也在迅速增加。原先,一般 LED 的驱动电流仅为 20 mA。到了 20 世纪 90 年代,一种代号为“食人鱼”的 LED 光源的驱动电流增加到 50-70mA,而新型大功率 LED 的驱动电流达到 300500 mA。特别是 1998 年白光 LED 的开发成功,使得 LED 应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。A 功率型 LED 封装技术现状 功率型 LED 分为功率 LED 和瓦(W)级功率 LED 两种。功率 LED 的输入功率小于1W(几十毫瓦功率 LED 除外);W 级功率 LED 的输入功率等于或大于
19、1W。 最早有 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,热阻降为过去的几分之一。 W 级功率 LED 是未来照明的核心,世界各大公司投入很大力量,对其封装技术进行研究开发。单芯片 W 级功率 LED 最早是由 Lumileds 公司于 1998 年推出的 LUXEON
20、LED,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,将倒装芯片用硅载体直接焊在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料,现可提供单芯片1W、3W 和 5W 的大功率 LED,Lumileds 公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。OSRAM 于 2003 年推出单芯片的 Golden Dragon”系列 LED,其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。日亚的 1W LED 工作电流为 350 mA,白光、蓝光、蓝绿光和绿光的光通量分别为 23、7、 28 和 20 流明,预计其寿命为 5 万小时。 B 功率型 LED 封装技术概述 半导
21、体 LED 若要作为照明光源,常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比,距离甚远。因此,LED 要在照明领域发展,关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。由于 LED 芯片输入功率的不断提高,功率型 LED 封装技术主要应满足以下两点要求:封装结构要有高的取光效率;热阻要尽可能低,这样才能保证功率 LED 的光电性能和可靠性。 功率型 LED 所用的外延材料采用 MOCVD 的外延生长技术和多量子阱结构,虽然其内量子效率还需进一步提高,但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。现有的功率型 LED 的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率,改善芯片的热特性,并通
22、过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件的光电转换效率,从而获得较高的发光通量,除了芯片外,器件的封装技术也举足轻重。功率型 LED 封装关键技术: a.散热技术 传统的指示灯型 LED 封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达 150250/W,新的功率型芯片若采用传统式的 LED 封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。 对于大工作电流的功率型 LED 芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型
23、 LED 器件的技术关键。可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热;甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻;在器件的内部,填充透明度高的柔性硅胶,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象;零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。 普通 LED 和大功率 LED 封装结构分别见图 2-5,图 2-6。热阻参考值见表 2-1。 普通 LED 和大功率 LED 封装结构分别见图 2-5,图 2-6。热阻参考值见表 2-1。 图 2-5 普通 LED 封装结构图 图 2-6 大功率 LED 封装结构图 表 2-1
24、 普通 LED 与大功率 LED 的热阻参考值对比 LED 功率 热阻参考 (/W)普通 LED 1502501W LED 503W LED 305W LED 1810W LED 9b 二次光学设计技术 为提高器件的取光效率,设计外加的反射杯与多重光学透镜。 c.功率型 LED 白光技术 常见的实现白光的工艺方法有如下三种: 蓝色芯片上涂上 YAG 荧光粉,蓝光激发荧光粉发出的黄绿光与蓝光合成白光。该方法相对简单,效率高,具有实用性。缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好;色温偏高,显色性不理想。 RGB 三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光,或者用蓝+黄色双
25、芯片补色产生白光。只要散热得法,该方法产生的白光较前一种方法稳定,但驱动较 在紫外光芯片上涂 RGB 荧光粉,利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和 RGB 荧光粉效率较低,仍未达到实用阶段。 表 2-2 三条主要的白光 LED 制备路线比较 紫外 LED + RGB 荧光粉 蓝光 LED + 黄色荧光粉 二元互补色 LED RGB 多芯片组合 芯片 显色性 最好 一般 一般 一般 好 色稳定性 最好 好 一般 一般 好 流明保持率 未有数据 一般 好 好 好 荧光材料 在研 较成熟 - - -效率 最好 好 一般 一般 好 应用 白光照明 背光源 特殊照明 显示
26、背光源 照明用 W 级功率 LED 产品要实现产业化还必须解决如下技术问题: 荧光粉涂敷量和均匀性控制:LED 芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法,通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。在操作过程中,由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器精度等因素的影响,此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度,导致了白光颜色不均匀。 芯片光电参数配合:半导体工艺的特点,决定同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数(如波长、光强 )和电学(如正向电压)参数差异。 RGB 三基色芯片更是这样,对于白光色度参数影响很大,这是产业化必须要解决的关键技术之一。 根据应用要求产生的光
27、色度参数控制:不同用途的产品对白光 LED 的色坐标、色温、显色性、光功率(或光强 )和光的空间分布等要求不同,上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。在产业化生产中,对上述因素进行控制,得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。 d.检测技术与标准 随着 W 级功率芯片制造技术和白光 LED 工艺技术的发展,LED 产品正逐步进入照明市场,显示或指示用的传统 LED 产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。国内外的半导体设备仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器,不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异,增加了测试应用、产品性能比较工作的难度和问题复
28、杂化。LED 要往照明业拓展,建立 LED 照明产品标准是产业规范化的重要手段。e.筛选技术与可靠性保证 由于灯具外观的限制,照明用 LED 的装配空间密封且受到局限,不利于 LED 散热,这意味着照明 LED 的使用环境要劣于传统显示、指示用 LED 产品。另外,照明 LED是处于大电流驱动下工作,这就对其提出更高的可靠性要求。在产业化生产中,针对不同的产品用途,进行适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选试验,剔除早期失效品,保证产品的可靠性很有必要。 f.静电防护技术 由于 GaN 是宽禁带材料,电阻率较高,该类芯片在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失,累积到相当的程度,可以产生
29、很高的静电电压。当超过材料的承受能力时,会发生击穿现象并放电。蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面,间距很小;对于 InGaN/AlGaN/GaN 双异质结,InGaN 有源层仅几十纳米,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。GaN 基 LED 和传统的 LED 相比,抗静电能力差是其鲜明的缺点,静电导致的失效问题已成为影响产品合格率和使用推广的一个非常棘手的问题。因此,在产业化生产中,静电的防范是否得当,直接影响到产品的成品率、可靠性和经济效益。 静电的防范技术有如下几种:对生产使用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆放等方面实施防范。芯片上设计静电保护线路。LED 上
30、装配静电保护器件。 2)多芯片集成封装 为避免大尺寸芯片导致发光效率的下降等问题,可采用小尺寸芯片集成的方法来增加单管最大可发光通量。由于小芯片技术相对成熟,各种高热导绝缘夹层的铝基板散热好,对提高光效和增加器件稳定性都有好处并便于芯片集成和散热,效果不错,结构和封装形式较多。但正装小芯片固有的缺点如电极引线遮光等问题,在多片集成时会加重而影响发光效率,在基板上设计“无引线”的芯片集成可避免引线问题,是提高小芯片集成光效的途径之一。 美国 UOE 公司曾研制的 NorLux 系列。这个系列采用六角形铝板作为衬底,衬底直径为 1.25 英寸,发光区位于其中央部位,直径约为 0.375 英寸,可容
31、纳 40 个发光二极管芯片,芯片的键合引线是通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接,芯片结构可根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列管芯的数目。 Lamina 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。河北立德公司目前已具有单色、多基色、白色等各种颜色,各种工作电压,各种功率的多芯片集成 LED 功率光源产品,最大集成功率已分别达到 12W(彩色)和 6W(白色) 。 图 2-7 多芯片集成封装产品 3)荧光粉 在白光 LED
32、的制备中,荧光粉是一个非常关键的材料,它的性能直接影响白光 LED的亮度、色坐标、色温及显色性等。利用 LED 芯片配合特定荧光粉产生白光的方法工艺简单,成本较低。目前商品化白光 LED 产品及未来的发展趋势仍以单芯片型为主流,而开发具有良好发光特性的荧光粉是得到高亮度、高发光效率、高显色性白光 LED 的关键所在。 通常,选择 LED 用荧光粉的标准是:荧光粉能被与之匹配的 LED 芯片有效激发;并具有高的量子效率;化学性质稳定。 目前采用荧光粉产生白光共有三种方式:蓝光 LED 配合黄色荧光粉;蓝光 LED 配合红色、绿色荧光粉;UV-LED 配合红、绿、蓝三色荧光粉。目前商品化的白光 L
33、ED 多属蓝光 LED 配合黄色荧光粉的单芯片型,蓝光 LED 配合红色、绿色荧光粉的白光产生方式只是在 OSRAR、Lumileds 等公司的专利上报道过,但仍未有商品化产品出现,而 UV-LED 配合三色荧光粉的方式目前也尚处于开发中。不同荧光粉产生白光 LED的优缺点比较见表 2-3。 表 2-3 采用荧光粉产生白光 LED 各种方式的优缺点比较 白光产生类型 白光产生方式 优点 缺点 单芯片型 蓝光 LED 配合黄色荧光粉 单一芯片即可发白光,成本低,制作简单 效率低,显色性有待提高,低色温难以实现,光色随电流变化,容易有月晕现象 蓝光 LED 配合红色、绿色荧光粉 光谱为三波长分布,
34、显色性较高,光色及色温可调 光色随电流变化,有月晕现象但不明显 UV-LED 配合红、绿、蓝三色荧光粉 高显色性,光色及色温可调,使用高转换效率荧光粉提高发光效率,光色均匀不随电流变化 粉体混合较为困难,高效率的荧光粉有待研制 A. 稀土黄色荧光粉 在利用 LED 产生白光的单芯片型方法中,采用蓝光 LED 芯片配合发黄光的荧光粉的技术相对成熟,目前商品化的白光 LED 多数采用这种组合方式;其中采用的黄色荧光粉为铈激活的钇铝石榴石(以下简称“YAG:Ce”)。它能在蓝光 LED 芯片的激发下发出宽带的黄光,与芯片发出的蓝光混合而形成白光。同时可以根据不同芯片和应用的需要,通过调整 Y3+、
35、Gd3+或 Al3+、Ga3+的摩尔配比,得到所需波长的黄色荧光粉。 B. 稀土红色荧光粉 尽管采用蓝光配合发黄色光的荧光粉在产生白光方面已经取得巨大成功,但该方法仍存在两个缺点:显色性需进一步提高,尤其是利用单一黄色荧光粉难以制备出相关色温较低(3500 K 以下)的白光 LED,这两方面的缺点可通过添加红色荧光粉来得以改善;同时,在其它产生白光的方法中,红色荧光粉也起着举足轻重的作用,比如它可以与蓝光 LED 及绿色荧光粉配合产生白光,还能与绿、蓝色荧光粉及紫光或紫外 LED 配合产生白光。一直以来,红色荧光粉效率较低,成为 LED 用荧光粉乃至白光 LED 发展的瓶颈。 C.稀土绿色荧光
36、粉 LED 用绿色荧光粉为二价铕激活的氯硅酸镁钙(简称 CMSC),它具有较强的发射峰,并且它的激发光谱非常宽,适于紫外、紫光或蓝光 LED 激发。第五讲 LED 封装技术发展趋势1)采用大面积芯片封装 用 1x1 mm2 的大尺寸芯片取代现有的 0.3 x0.3 mm2 的小芯片封装,在芯片注入电流密度不能大幅度提高的情况下,是一种主要的技术发展趋势。 2)芯片倒装技术 解决电极挡光和蓝宝石不良散热问题,从蓝宝石衬底面出光。在 p 电极上做上厚层的银反射器,然后通过电极凸点与基座上的凸点键合。基座用散热良好的 Si 材料制得,并在上面做好防静电电路。根据美国 Lumileds 公司的结果,芯
37、片倒装约增加出光效率 1.6 倍。芯片散热能力也得到大幅改善,采用倒装技术后的大功率发光二极管的热阻可低到 1215 /W。 3)金属键合技术 这是一种廉价而有效的制作功率 LED 的方式。主要是采用金属与金属或者金属与硅片的键合技术,采用导热良好的硅片取代原有的 GaAs 或蓝宝石衬底,金属键合型LED 具有较强的热耗散能力。 4)开发大功率紫外光 LED UV LED 配上三色荧光粉提供了另一个方向,白光色温稳定性较好,使其在许多高品质需求的应用场合(如节能台灯)中得到应用。这样的技术虽然有种种的优点,但仍有相当的技术难度,这些困难包括配合荧光粉紫外光波长的选择、UV LED 制作的难度及
38、抗 UV 封装材料的开发等等。 5)开发新的荧光粉和涂敷工艺 荧光粉质量和涂敷工艺是确保白光 LED 质量的关键。荧光粉的技术发展趋势是开发纳米晶体荧光粉、表面包覆荧光粉技术,在涂布工艺方面发展荧光粉均匀的荧光板技术,将荧光粉与封装材料混合技术。 6)开发新的封装材料 开发新的安装在 LED 芯片的底板上的高导热率的材料,从而使 LED 芯片的工作电流密度约提高 5 10 倍。就目前的趋势看来,金属基座材料的选择主要是以高热传导系数的材料为组成,如铝、铜甚至陶瓷材料等,但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大,若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生的应力而造成可靠性的问题,所以一般都会在
39、材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。 原来的 LED 有很多光线因折射而无法从 LED 芯片中照射到外部,而新开发的 LED 在芯片表面涂了一层折射率处于空气和 LED 芯片之间的硅类透明树脂,并且通过使透明树脂表面带有一定的角度,从而使得光线能够高效照射出来,此举可将发光效率大约提高到了原产品的 2 倍。 目前对于传统的环氧树脂其热阻高,抗紫外老化性能差,研发高透过率,耐热,高热导率,耐 UV 和日光辐射及抗潮的封装树脂也是一个趋势。 在焊料方面,要适应环保要求,开发无铅低熔点焊料,而且进一步开发有更高导热系数和对 LED 芯片应力小的焊料是另一个重要的课题。 7)多芯片型
40、RGB LED 将发出红、蓝、绿三种颜色的芯片,直接封装在一起配成白光的方式,可制成白光发光二极管。其优点是不需经过荧光粉的转换,藉由三色晶粒直接配成白光,除了可避免因为荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外,更可以藉由分开控制三色发光二极管的光强度,达成全彩的变色效果(可变色温) ,并可藉由芯片波长及强度的选择得到较佳的演色性。利用多芯片 RGB LED 封装型式的发光二极管,很有机会成为取代目前使用 CCFL 的 LCD 背光模块中背光源的主要光源之一。 8)多芯片集成封装 目前大尺寸芯片封装还存在发光的均匀和散热等问题亟待解决。采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型 LED 可以获得较高
41、发光通量,是一种切实可行很有推广前景的功率型 LED 固体光源。小芯片工艺相对成熟,各种高热导绝缘夹层的铝基板便于芯片集成和散热。 9)平面模块化封装 平面模块化封装是另一个发展方向,这种封装的好处是由模块组成光源,其形状,大小具有很大的灵活性,非常适合于室内光源设计,芯片之间的级联和通断保护是一个难点。大尺寸芯片集成是获得更大功率 LED 的可行途径,倒装芯片结构的集成,优点或许更多一些。 第六讲 LED 芯片的技术发展状况对于标准管芯(200-350m2),日本日亚公司报道的最高研究水平,紫光(400 nm)22 mW,其外量子效率为 35.5%,蓝光(460 nm) 18.8 mW,其外
42、量子效率为34.9%。美国 Cree 公司可以提供功率大于 15 mW 的蓝色发光芯片(455475 nm)和最大功率为 21 mW 的紫光发光芯片( 395410 nm),8 mW 绿光(505 525 nm)发光芯片。台湾现在可以向市场提供 6 mW 左右的蓝光和 4 mW 左右的紫光芯片,其实验室水平可以达到蓝光 10 mW 和紫光 78 mW 的水平。国内的公司可以向市场提供 3 4mW 的蓝光芯片,研究单位的水平为蓝光 6 mW 左右,绿光 12 mW,紫光 1 2 mW。 随着外延生长技术和多量子阱结构的发展,超高亮度发光二极管的内量子效率己有了非常大的改善,如波长 625 nm
43、AlGaInP 基超高亮度发光二极管的内量子效率可达到 100%,已接近极限。lGaInN 基材料内存在的晶格和热失配所致的缺陷、应力和电场等使得 AlGaInN 基超高亮度发光二极管的内量子效率比较低,但也在 3550%之间,半导体材料本身的光电转换效率己远高过其它发光光源,因此提高芯片的外量子效率是提高发光效率的关键。这在很大程度上要求设计新的芯片结构来改善芯片出光效率,进而达到提升发光效率(或外量子效率 )的目的,大功率芯片技术也就专注于如何提升出光效率来提升芯片的发光效率,主要技术途径和发展状况阐述如下: 1)改变芯片外形的技术 当发射点处于球的中心处时,球形芯片可以获得最佳的出光效率
44、。改变芯片几何形状来提升出光效率的想法早在 60 年代就用于二极管芯片,但由于成本原因一直无法实用。在实际应用中,往往是制作特殊形状的芯片来提高侧向出光的利用效率,也可以在发光区底部(正面出光 )或者外延层材料(背面出光)进行特殊的几何规格设计,并在适当的区域涂覆高防反射层薄膜,来提高芯片的侧向出光利用率。 1999 年 HP 公司开发了倒金字塔形 AlInGaP 芯片并达到商用的目标,TIP 结构减少了光在晶体内传输距离、减少了内反射和吸收(有源区吸收和自由截流子吸收等)引起的光损耗、芯片特性大幅度改善,发光效率达 100 流明 /瓦(100 mA,610 nm),外量子效率更达到 55%(
45、650 nm),而面朝下的倒装结构使 P-N 结更接近热沉,改善了散热特性,提高了芯片寿命。 2)键合技术 AlGaInP 和 AlGaInN 基二极管外延片所用的衬底分别为 GaAs 和蓝宝石,它们的导热性能都较差。为了更有效的散热和降低结温,可通过减薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底,然后将外延层键合转移倒导电和导热性能良好热导率大的衬底上,如铜、铝、金锡合金、氮化铝等。键合可用合金焊料如 AuSn、PbSn 、 In 等来完成。Si 的热导率比 GaAs 和蓝宝石都好,而且易于加工,价格便宜,是功率型芯片的首选材料。 2001 年,Cree 推出的新一代 XBTM 系列背面出光的功率型
46、芯片,其尺寸为 0.9mm x 0.9mm,顶部引线键合垫处于中央位置,采用 “米“字形电极使注入电流能够较为均匀的扩展,底部采用 AuSn 合金将芯片倒装焊接在管壳底盘上,具有较低的热阻,工作电流 400 mA 时,波长 405 和 470 nm 的输出光功率分别为 250 mW 和 150 mW。 3)倒装芯片技术 AlGaInN 基二极管外延片一般是生长在绝缘的蓝宝石衬底上,欧姆接触的 P 电极和N 电极只能制备在外延表面的同一侧,正面射出的光部分将被接触电极所吸收和键合引线遮挡。造成光吸收更主要的因素是 P 型 GaN 层电导率较低,为满足电流扩展的要求,覆盖于外延层表面大部分的半透明
47、 NiAu 欧姆接触层的厚度应大于 5-10 nm,但是要使光吸收最小,则 NiAu 欧姆接触层的厚度必须非常薄,这样在透光率和扩展电阻率二者之间则要给以适当的折衷,折衷设计的结果必定使其功率转换的提高受到了限制。 倒装芯片技术可增大输出功率、降低热阻,使发光的 pn 结靠近热沉,提高器件可靠性。2001 年 Lumileds 报道了倒装焊技术在大功率 AlInGaN 基芯片上的应用,避免了电极焊点和引线对出光效率的影响,改善了电流扩散性和散热性,背反射膜的制备将传向下方的光反射回出光的蓝宝石一方,进一步提升出光效率,外量子效率达21%,功率换效率达 20%(200 mA,435 nm),最大
48、功率达到 400 mW(驱动电流 1A,435 nm,芯片尺寸 1mm x 1mm),其总体发光效率比正装增加 1.6 倍。4)全方位反射膜 除在键合界面制备金属基反射层外,也可以通过外延技术生长具 DBR 层的 AlInGaP和 AlInGaN 基芯片,但由于 DBR 反射率随着入射角的增加迅速减少,以全方位平均仍有较高的光损耗,反射膜效率不高。 金属基全方位反射膜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。金属基全方位反射膜可有效提升出光效率,但必须解决如何制备低阻欧姆接触,高的全方位反射率,和在后续工艺过程中反射膜不会被损害而失去低阻高反射的特性等。 5)金属键合剥离技术 美国惠普公司结合键合技
49、术最早采用大衬底剥离技术将 GaAs 衬底与外延层剥离,然后将外延层粘接在透明的 GaP 衬底上制备 AlInGaP 基芯片,此项技术可以提高近 2倍的发光效率。 1996 年报道了用激光技术将 2 英寸 HVPE GaN 与蓝宝石剥离,用 Si(或金属) 衬底取代蓝宝石衬底的 AIGaInN 功率型芯片主要由三个关键工艺步骤完成:在外延表面淀积键合金属层如 Pd 100 nm,以及在键合底板上如 Si 底板表面淀积一层 1000 nm的铟;将外延片低温键合到底板上;用 KrF 脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面,使蓝宝石和 GaN 界面的 GaN 产生热分解,再通过加热(40 度) 使蓝宝石脱离 GaN。 2003 年 2 月,德国 OSRAM 公司用激光技术将蓝宝石去除,使芯片的出光效率提至75%,是传统芯片的 3 倍。采用将芯片键合到 Cu 片上再激光剥离蓝宝石衬底,可使散热能力提高 4 倍,发光功率也提升 4 倍。 6)表面粗糙化 表面粗糙化主要是将那些满足全反射定律的光改变方向,继而在另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面,并能起防反射的功能。表面粗糙通过散射光的方向减少内反射,但同时又不能损伤材料的电光特性。透射率的增加被认为是表面粗糙化的主