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新世纪led论坛第2章LED的封装原物料苏永道教授济南大学理学院新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1LED芯片结构LED的封装工艺有其自己的特点。对LED封装前首先要做的是控制原物料。因为许多场合需要户外使用，环境条件往往比较恶劣，不是长期在高温下工作就是长期在低温下工作，而且长期受雨水的腐蚀，如LED的信赖度不是很好，很容易出现瞎点现象，所以注意对原物料品质的控制显得尤其重要。LED芯片是半导体发光器件LED的核心部件，它主要由砷(AS)、铝(AL)、镓(Ga)、铟(IN)、磷(P)、氮(N)、锶(Ｓi)这几种元素中的若干种组成。新世纪led论坛第2章LED的封装原物料＆芯片按发光亮度分类可分为：☆一般亮度：R(红色GAaAsP655nm)、H(高红GaP697nm)、G(绿色GaP565nm)、Y(黄色GaAsP/GaP585nm)、E(桔色GaAsP/GaP635nm)等；☆高亮度：VG(较亮绿色GaP565nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、SR(较亮红色GaA/AS660nm)；☆超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。＆芯片按组成元素可分为：☆二元晶片(磷﹑镓)：H﹑G等；☆三元晶片(磷﹑镓﹑砷)：SR(较亮红色GaA/AS660nm)、HR(超亮红色GaAlAs660nm)、UR(最亮红色GaAlAs660nm)等；新世纪led论坛第2章LED的封装原物料☆四元晶片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)：SRF(较亮红色AlGalnP)、HRF(超亮红色AlGalnP)、URF(最亮红色AlGalnP630nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黄色AlGalnP595nm)、UY(最亮黄色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黄色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔色AlGalnP620nm)、UG(最亮绿色AIGalnP574nm)LED等。＆发光二极管芯片制作方法和材料的磊晶种类：1.LPE：液相磊晶法GaP/GaP；2.VPE：气相磊晶法GaAsP/GaAs；3.MOVPE：有机金属气相磊晶法)AlGaInP、GaN；新世纪led论坛第2章LED的封装原物料4.SH：单异型结构GaAlAs/GaAs；5.DH：双异型结构GaAlAs/GaAs；6.DDH：双异型结构GaAlAs/GaAlAs。不同LED芯片，其结构大同小异，有外延用的芯片基板(蓝宝石基板、碳化硅基板等)和掺杂的外延半导体材料及透明金属电极等构成。新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1.1LED单电极芯片图2.1单电极芯片结构示意图DEFCAHIBAGGJ电极直径Jn型结晶基板E电极厚度In层D芯片高度Hp层C芯片尺寸（长×宽）G发光区Bn极金属层Fp极金属层A说明代码说明代码单电极芯片结构代码含义新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1.2LED双电极芯片JHIGMNGABCEDFKLHL双电极芯片结构示意图芯片尺寸（长）I低温缓冲层Bn极金属层H蓝宝石基板A说明代码说明代码双电极芯片结构代码含义新世纪led论坛第2章LED的封装原物料n极电极直径Np极金属层Gp极电极直径M透明导电层F电极厚度Lp型接触E芯片高度K发光层D芯片尺寸（宽）Jn型接触CJHIGMNGABCEDFKLHL双电极芯片结构示意图新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1.3LED晶粒种类简介GaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAs850nm~940nm红外线不可见光GaInN/Sapphire455nm~485nm高亮度蓝GaInN/Sapphire490nm~540nm高亮度蓝绿/绿AlGaInP/GaAs高亮度绿GaP/GaP555nm~560nm绿AlGaInP/GaAs高亮度黄绿GaP/GaP569nm~575nm黄绿AlGaInP/GaAs高亮度黄GaAsP/GaP585nm~600nm黄AlGaInP/GaAs高亮度橙GaAsP/GaP605nm~622nm橙AlGaInP/GaAs630nm~645nm高亮度红AlGaAs/GaAs645nm~655nm红可见光结构波长颜色类别晶粒种类新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1.4LED衬底材料的种类对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。◆蓝宝石（Al2O3）◆硅（Si）◆碳化硅（SiC）一、蓝宝石衬底蓝宝石衬底有许多的优点：1.生产技术成熟、器件质量较好;2.稳定性很好，能够运用在高温生长过程中;3.机械强度高，易于处理和清洗。三种衬底材料：新世纪led论坛第2章LED的封装原物料蓝宝石衬底存在的问题：1.晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；2.蓝宝石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；3.增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。蓝宝石的硬度非常高,在自然材料中其硬度仅次于金刚石,但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割(从400nm减到100nm左右)。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。蓝宝石衬底导热性能不是很好(在100℃约为25W/m·K)，制作大功率LED往往采用倒装技术(把蓝宝石衬底剥离或减薄)。新世纪led论坛第2章LED的封装原物料二、硅衬底硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。硅衬底芯片电极采用两种接触方式:V接触(垂直接触)L接触(水平接触)V电极芯片L电极芯片采用蓝宝石衬底和碳化硅衬底的LED芯片新世纪led论坛第2章LED的封装原物料三、碳化硅衬底碳化硅衬底（CREE公司专门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片，电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。碳化硅的导热系数为490W/m·K，要比蓝宝石衬底高出10倍以上。碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。缺点优点新世纪led论坛第2章LED的封装原物料好高好良-1.4490碳化硅(SiC)好低好良5~20150硅(Si)一般中差一般1.946蓝宝石(Al2O3)抗静电能力成本导热性稳定性膨胀系数(×10-6)导热系数(W/m·K)衬底材料三种衬底材料的性能比较除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1.5LED芯片的制作流程扩散和键合晶粒光刻镀金晶圆芯片抛光检验划片崩裂等离子体刻蚀GaNLED芯片的制作流程绿光晶粒样品新世纪led论坛第2章LED的封装原物料磊晶加热干式刻蚀分离透明层P电极连接主要目的由加热来打断磊晶时产生的Mg-H键结﹐使P-GaN活性化﹔实验证实在730℃氮气环境下加热20分钟可有良好效果。由干式蚀刻(RLE)将晶粒的一部份蚀刻到N-GaN，使N旁边露出表面以便连接。因P-GaN阻抗大﹐造成电流散布不佳﹐增加透明层可改善P-GaN的电流散布﹐进而提高亮度﹐目前制造使用之透明电极为Ni/Au=30/70A,可与P-GaN有良好的欧姆接触。制作电极以供打线用﹐目前使用Ni/Au=0.3/6kA为接触电极﹐可有良好的欧姆接触。某芯片厂家蓝光LED的上游制作流程如下：新世纪led论坛第2章LED的封装原物料N电极连接测量衬底研磨划片封装制作电极以供打线用﹐目前使用Ti/Al=0.6/6kA为接触电极﹐可与N-GaN有良好的欧姆接触。做一般特性量测﹐主要有正向导通电压（VF）﹐亮度﹐波长﹐方向击穿电压（VR）及良率量测﹐并将不良品淘汰。用钻石研磨液对前站制作完成之芯片进行背面研磨﹐以便于切割及帮助散热﹐目前大多研磨抛光至100µm,研磨良率可达91%。将晶粒封装成LED,以便进行光的测试及静电测试。将研磨完成的芯片裂成晶粒﹐生产良率可达到86%。新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1.6制作LED磊芯片方法的比较HB-LEDLDVCSELHBT成本较高良好率低原料取得不易磊晶纯度佳磊晶薄度控制佳磊晶平整度佳将有机金属以气体形式扩散至基板促使晶格表面粒子凝结MOCVD传统LED磊晶薄度及平整度控制不易磊晶长成速度快量产能力尚可以气体或电浆材料传输至基板促使晶格表面粒子凝结或解离VPE传统LED磊晶薄度控制差磊晶平整度差操作简单磊晶长成速度快具量产能力以溶融态的液体材料直接和基板接触而沉积晶膜LPE主要应用缺点优点特色磊晶方法制作磊芯片的几种常用方法新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.1.7常用芯片简图（在此只给出几种）一、单电极芯片1.圆电极芯片009UOV008RN010SOTK110DR2.方电极芯片010YGK009UYG113YGUM80SOU新世纪led论坛第2章LED的封装原物料3.带角电极芯片012UY512UOL012UYG012IRA二、双电极芯片＆几种双电极芯片514GSB4713DC010BLTB024I新世纪led论坛第2章LED的封装原物料§2.2lampLED支架介绍支架的作用：用来导电和支撑晶片。支架的组成：一般来说是由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。一、LED支架图新世纪led论坛第2章LED的封装原物料二、LED支架结构说明上Bar以上称功能区、上Bar及上Bar以下称非功能区备注长度边距脚中心距脚宽高度支架部位109876代码碗PICH阴阳极宽段差阴阳极间隙焊点支架部位54321代码LED支架代码说明新世纪led论坛第2章LED的封装原物料三、LED支架尺寸说明80-100um银层厚度40-50um铜层厚度7.62mm杯中心距120-150um镍层厚度镀层管控厚度2.28mm02支架0.50×0.50mm厚度2.54mm03、04支架脚距152.4mm总长LED支架尺寸新世纪led论坛第2章LED的封装原物料四、LED支架材质银(Ag)铜(Cu)镍(Ni)铜(Cu)2银(Ag)铜(Cu)镍(Ni)1外镀铁材(SPCC)、铜材(Cu)