1、LED光源知识讲座,市场营销部 段云峰,LED的发展历史和发光原理简介LED技术、工艺等目前行业状况 主要技术障碍以及未来技术发展方向,提 纲,LED照明领域的第三次革命 人类照明的历史经历了漫长的发展过程。过去，人们曾长期靠燃烧 木材照明；直到1772年燃气照明才进入人们的生活，这是人类照明历史 上的第一次革命。1879年爱迪生发明白炽灯，从此人类的照明进入了一 个崭新的时代，这是人类照明历史上的第二次革命。上世纪九十年代 末，随着第三代半导体材料GaN的突破，半导体技术继引发微电子革命 之后又在孕育一场新的产业革命照明革命，其标志是基于半导体发 光二极管（LED）的固态照明（亦称“半导体灯
2、”），将逐步代替白炽灯 和荧光灯进入普通照明领域。,前 言,1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。到70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源。到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。 第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。 超亮度蓝光
3、蕊片是白光LED的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光，利用这种技术制造出任何可见颜色的光。,LED的发展史,杂质半导体,发光二极管(体)也叫注入型电致发光器件 ，它是一种半导体元件，属于固体光源，英文全称为Light Emitting Diode（简称LED）。 发光原理发光二极管是由P型和N型半导体组合而成的二极管，当在PN结施加正向电压时产生发光，其发光机理是：在P型半导体与N型半导体接触时，由于载流子的扩散运动和由此产生内电场作用下的漂移运动达到平衡而形成PN结。若在PN结上施加正向电压，促使了扩散运动的进行，即从N区流向P区的电子和从P
4、区流向N区的空穴同时增多，于是有大量的电子和空穴在PN结中相遇复合，并以光和热的形式放出能量。对于发光二极管，为了将发出的光从结中引出，通常将P型半导体充分减薄，于是结中复合发光主要从垂直于PN结的P型区发出。如图所示，在电动势的作用下，电子 对从能量高的能级跳跃到能量低的空穴， 根据能量守恒，多余的能量以光和热 的形式释放出。,LED发光原理,LED发光颜色,LED电压与电流关系,LED光电特性,Vf与温度的关系,LED光电特性,亮度与温度的关系,LED光电特性,波长与温度的关系,LED光电特性,照明术语说明,照明术语说明,照明术语说明,LED的特点,CREE著名LED芯片制造商，美国CRE
5、E公司，产品以碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN),硅(Si) 及相关的化合物为基础,包括蓝,绿,紫外发光二极管(LED),近紫外激光,射频(RF)及 微波器件,功率开关器件及适用于生产及科研的碳化硅(SiC)晶圆片,国外LED企业简介,OSRAMOSRAM 是世界第二大光电半导体制造商，产品有照明，传感器，和影像处理器。公司总部位于德国，研发和制造基地在马来西亚，约有3400名员工，2004年销售额为45.9亿欧元。 OSRAM最出名的产品是LED，长度仅几个毫米，有多种颜色，低功耗，寿命长,国外LED企业简介,LUMILEDS Lumileds Lighting是全球大功率LED和固体照明的
6、领导厂商，其产品广泛用于照 明，电视，交通信号和通用照明，Luxeon Power Light Sources是其专利产品， 结合了传统灯具和LED的小尺寸，长寿命的特点。还提供各种LED晶片和LED封 装，有红，绿，蓝，琥珀，白等大功率LED. Lumileds Lighting总部在美国，工厂位于荷兰，日本，马来西亚，由安捷伦和飞 利浦合资组建于年，年飞利浦完全收购了该公司。,国外LED企业简介,SSC 首尔半导体乃韩国最大的LED环保照明技术生产商，并且是全球八大生产商之一 首尔半导体的主要业务乃生产全线LED组装及定制模组产品，包括采用交流电驱 动的半导体光源产品如：Acriche、侧
7、光LED、顶光LED、切片 LED、插件LED 及食人鱼(超强光) LED等。产品已广泛应用于一般大功率LED照明、LED显示屏 照明、移动电话背光源、电视、手提电脑、LED汽车照明、家居用品及交通讯号 等范畴之中。,国外LED企业简介,LED的发展历史和发光原理简介LED封装技术、工艺等目前行业状况 主要技术障碍以及未来技术发展方向,提 纲,LED产品分类,LED产品结构,LED封装技术,LED封装设备,LED物料,决定LED封装技术的关键因素,发光二极管组件依其制作过程可分为上游晶圆制作(单芯片与磊芯片的生产与制造)、中游晶粒制作(将磊芯片经过制作电极、平台蚀刻等程序切割出LED晶粒)及下
8、游封装(将晶粒封装成发光器件)，具体工艺流程为： 1外延片工艺： 衬底结构设计缓冲层生长N型GaN层生长多量子阱发光层生长P型GaN层生长退火检测（光荧光、X射线）外延片2晶片工艺：外延片设计、加工掩模版光刻离子刻蚀N型电极（镀膜、退火、刻 蚀）P型电极（镀膜、退火、刻蚀）划片晶片分检、分级包装3、封装工艺： 封装扩晶点银浆（绝缘胶）固晶烘干焊线封胶（环氧树脂）烘干半切电性能检测全切测试分选包装,LED上中下游关系,1、改善衬底（蓝宝石、碳化硅、硅- 表面光洁度、缺陷密度、平整度）以提升异质外延生长品质。 2、改善衬底（氮化稼）以实现同质外延生长。,LED衬底技术路线,- MOCVD 磊晶製程
9、 -,- 晶粒前製程 -,-晶粒後製程 -,- 晶粒應用製造(封裝) -,- LED成品應用(組裝) -,sapphire,LED上中下游关系,MOCVD外延生长机,MOCVD外延生长机,光照,蚀刻,电极制作,抛光,裂片,分级,晶片制作流程,波长均匀性和批次一致性不足 生产效率低（周期和生长次数） 缺乏现场监控与流程控制 晶圆弯曲问题 对低成本原材料需求及提高原材料利用率,LED晶片技术路线,LED灯具成本优化技术路线,LED封装器件的性能在50%程度上取决于晶片,50%取决于封装工艺和材料。,LED的主要封装物料：,晶片,支架,金线,固晶胶,外封胶,LED封装物料,垂直晶片,水平晶片,晶片种
10、类,晶 片,01广东 东莞福地电子材料有限公司 东莞高辉光电科技有限公司 东莞洲磊电子有限公司 深圳世纪晶源科技有限公司 深圳市方大国科光电技术有限公司 深圳市奥伦德科技有限公司 鼎友科技 深圳 有限公司 普光科技（广州）有限公司 晶科电子(广州)有限公司 广东鹤山银雨照明有限公司 深圳清芯光电股份有限公司,02福建 三安光电科技有限公司 厦门安美光电有限公司 晶宇光电（厦门）有限公司 明达光电（厦门）有限公司 福建福日科光电子有限公司 厦门乾照光电股份有限公司 和谐光电科技（泉州）有限公司 晶蓝光电科技(泉州)有限公司 03江西 南昌联创光电科技股份有限公司 南昌方大福科信息材料有限公司 晶
11、能光电（江西）有限公司 04上海 上海蓝宝光电材料有限公司 上海蓝光科技有限公司 上海宇体光电有限公司 上海大晨光电科技有限公司 上海起鼎光电有限公司,05河北 河北立德电子有限公司 河北同辉电子科技股份有限公司 河北荣毅新能源有限公司 06江苏 扬州华夏集成光电有限公司 扬州汉光光电有限公司 无锡联欣达光电有限公司 宜兴盛德丰光电科技 扬州银雨芯片半导体有限公司 聚灿光电科技(苏州)有限公司 07湖北 武汉迪源光电科技有限公司 武汉华灿光电有限公司 元茂光电科技(武汉)有限公司 武汉光谷先进光电子有限公司 08浙江 杭州士兰明芯科技有限公司 宁波光磊半导体科技有限公司 浙江通领光电股份有限公
12、司,09山东 山东华光光电子有限公司 世纪晶源（青岛）有限公司 10甘肃 新天电子科技有限公司 11陕西 西安中为光电科技有限公司 西安华新联合科技公司 12湖南 湖南华磊光电有限公司 13辽宁 大连路美芯片科技有限公司 沈阳市方大半导体照明有限公司 晶田科技（大连）股份有限公司 巨能科技(大连)有限公司,国内主要LED晶片制造厂商,LED封装的主要成本： 衬底 外延 晶片 荧光粉 封装/制造,LED封装降成本方法： 增加设备产能 提高自动化 改善测试与检测手段 改善上游过程控制 提高成品分BIN成品率 完善封装（设计简单化、多晶片封装等） 提高部件集成水平 晶元级封装,LED封装成本分析,主
13、要封装及测试设备,LED封装设备,LED封装工艺,产品可靠性,通过选用优质的原物料、合理的产品热设计，结合先进的封装工艺，国内封装厂对LED的可靠性方面取得了较大进步。主要体现在完善的可靠性评估方法和低衰减上。,可靠性评估方法：,目前国产LED在可靠性、寿命方面表现不俗：,LED系统光效分析,LED封装用材料性能,LED的光学设计,LED的光学设计,LED的光学设计,设置结温极限(1) 结温愈低,LED产品的发光效率愈好,可根据应用所需要的光输出确定最大结温。(2) LED产品的颜色会随结温升高而向长波方向漂移,可根据应用所允许的颜色漂移范围来设置最大结温。,LED的光电特性,LED的散热设计
14、,LED的散热设计,温度过高会缩短LED的寿命 LED工作温度超过芯片的承载温度将会使LED的发光效率快速降低，产生明显的光衰，并造成损坏; LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过固相转变温度(通常为125)，封装材料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升，从而导致LED开路和失效。 温度升高使LED光衰严重 LED芯片材料内存在的缺陷在较高温度时会快速增殖繁衍，直至侵入发光区，形成 大量的非辐射复合中心；同时材料内的微缺陷及来自界面与电板的快扩杂质也会引入 发光区，形成大量的深能级，严重降低LED的发光效率。 高温时透明环氧树脂会变性、发黄，影响其透光性能，影响LED光衰。 荧光粉在高温下的衰减十
15、分严重，也影响LED光衰。温度对LED发光波长(光色)有影响，导致色温漂移 LED芯片温度过高会导致波长红移，继而产生光色的偏差和漂移，影响照明效果。,LED的散热设计,TJunction,Tboard, chip, die attach, submount, submount attach, leadframe/slug, solder,LED热学设计的目的在于预言LED芯片的结温，所谓结温是指LED芯片PN结的温度。,热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比,JX = TJ：LED结温 TX：LED器件参考点温度,PJ,TJ - Tx,LED的散热设计,LED常见失效模式,仿流明产
16、品,集成封装,陶瓷产品,LED产品趋势,大功率白光照明产品：,室内照明：筒灯、射灯、球泡灯 室外照明：路灯、隧道灯,产品开发规划： 亮度及显指提升 开发集成线、面光源,LED产品趋势,LED器件应用范围简介,三、照明产品,二、大尺寸背光源产品,一、显示屏产品,几种主流LED产品及技术现状分析,应用一：显示屏是 LED 主要应用市场，全彩显示屏增势强劲。 我国 LED显示屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的 LED 显示屏生产厂商。目前 LED 显示屏已经广泛应用到车站、银行、证券、医院。在 LED 需求量上， LED 显示屏仅次于 LED 指示灯名列第二，占到 LED 整体销量的 2
17、3.1% 。由于用于显示屏的 LED 在亮度和寿命上的要求高于 LED 指示灯，平均价格在指示灯 LED 之上，这就导致显示屏用 LED 市场规模达到 32.4 亿元，超过指示灯位居榜首成为 LED 的主要应用市场。凭借着独特优势 ,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。,LED目前主要应用市场技术分析, LED背光与CCFL背光对比： 相比现在广泛采用的使用CCFL光源的背光模组，LED光源的白光更纯，所 以透过CF彩色滤光片能表现更丰富的颜色。一般使用LED背光的显示器的 色域能超过100%NTSC色域 而一般使用CCFL背光的显示器只能达到一般 sRGB
18、色域，色域越高，显示器所能显示的图片就越接近自然。,CCFL,LED,广色域、低衰减、高色温稳定性白色SMD,广色域LED光谱分布,非广色域,广色域、低衰减、高色温稳定性白色SMD,白光LED主要通过如下几种方法获得： - 蓝光晶片激发荧光粉 - 紫光晶片激发R/G/B荧光粉 - R/G/B多晶混合制作白灯 由于蓝光晶片加黄色荧光粉制作白光的方法简易、成本最低且效率高， 故被广泛使用。其工艺方法有如下几种：,均匀分布式 优点：工艺简单 缺点：荧光粉易沉淀 关键技术：改善荧光粉沉淀 技术指标：成品色区一致性 高，均匀度好,表敷式 优点：激发效率高 缺点：工艺复杂,远距离分布式 优点：点亮时荧光粉
19、受 晶片影响小 缺点：工艺复杂且要 求支架碗杯尺寸有要求,荧光粉,封装胶,荧光粉,封装胶,荧光粉,喷、甩 点、镀,白光LED涂覆工艺,Ceramic Substrate,MCPCB,Lead frame,常见大功率封装形式,灯具标准参考,光学需求分析-分BIN需求,光学需求分析-灯珠光效提升趋势,LED照明应用：,1、同色异谱：相同色坐标的LED具有不同的发光光谱，当采用二次光学时由于透镜折射影响导致色散影响出光颜色。 2、同BIN不同色：亮度色坐标相同但由于荧光粉沉淀差异导致的实际人眼颜色差异。 3、相对色温与色坐标 4、亮度色温与光通量色温的对应 5、实际使用电流下色温与标称电流下色温对应 6、光效冷热比 7、EOS电气过应力-抗尖峰脉冲性能,LED照明应用问题,解决散热二次光学设计静电防护筛选与高可靠性高功率晶片封装多晶片集成封装新的荧光粉涂覆工艺,LED封装技术发展方向,LED的发展历史和发光原理简介LED封装技术、工艺等目前行业状况 主要技术障碍以及未来技术发展方向,提 纲,美國2002年 20lm/W2007年 75lm/W2012年 150lm/W2020年 200lm/W,LED封装技术发展方向,LED主要向大功率和小体积两个方向发展,LED封装产品的发展方向,谢 谢！,
