LED芯片知識詳解

LED行業(yè)發(fā)展日新月異，每天都有新信息、新科技出來，競爭猶如逆水行舟不進則退，今天你充電了嗎?

LED芯片也稱為led發(fā)光芯片，是led燈的核心組件，也就是指的P-N結(jié)。其主要功能是：把電能轉(zhuǎn)化為光能，芯片的主要材料為單晶硅。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結(jié)。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

led歷史

50年前人們已經(jīng)了解半導體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，1962年，通用電氣公司的尼克·何倫亞克(NickHolonyakJr.)開發(fā)出第一種實際應(yīng)用的可見光發(fā)光二極管。LED是英文lightemittingdiode(發(fā)光二極管)的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，即固體封裝，所以能起到保護內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命、低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

分類

用途：根據(jù)用途分為大功率led芯片、小功率led芯片兩種;

顏色：主要分為三種：紅色、綠色、藍色(制作白光的原料);

形狀：一般分為方片、圓片兩種;

大小：小功率的芯片一般分為8mil、9mil、12mil、14mil等

芯片尺寸

大功率LED芯片有尺寸為38*38mil，40*40mil，45*45mil等三種當然芯片尺寸是可以訂制的，這只是一般常見的規(guī)格。mil是尺寸單位，一個mil是千分之一英寸。40mil差不多是1毫米。38mil，40mil，45mil都是1W大功率芯片的常用尺寸規(guī)格。理論上來說，芯片越大，能承受的電流及功率就越大。不過芯片材質(zhì)及制程也是影響芯片功率大小的主要因素。例如CREE40mil的芯片能承受1W到3W的功率，其他廠牌同樣大小的芯片，最多能承受到2W。

發(fā)光亮度

一般亮度：R(紅色GaAsP655nm)、H(高紅GaP697nm)、G(綠色GaP565nm)、Y(黃色GaAsP/GaP585nm)、E(桔色GaAsP/GaP635nm)等;

高亮度：VG(較亮綠色GaP565nm)、VY(較亮黃色GaAsP/GaP585nm)、SR(較亮紅色GaA/AS660nm);

超高亮度：UGpUYpURpUYSpURFpUE等。

二元晶片(磷p鎵)：HpG等;

三元晶片(磷p鎵p砷)：SR(較亮紅色GaA/AS660nm)、HR(超亮紅色GaAlAs660nm)、UR(最亮紅色GaAlAs660nm)等;

四元晶片(磷p鋁p鎵p銦)：SRF(較亮紅色AlGalnP)、HRF(超亮紅色AlGalnP)、URF(最亮紅色AlGalnP630nm)、VY(較亮黃色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黃色AlGalnP595nm)、UY(最亮黃色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黃色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔色AlGalnP620nm)、UG(最亮綠色AIGalnP574nm)LED等。

襯底

對于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進行選擇。三種襯底材料：藍寶石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)。

藍寶石的優(yōu)點：1.生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好;2.穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中;3.機械強度高，易于處理和清洗。

藍寶石的不足：1.晶格失配和熱應(yīng)力失配，會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷;2.藍寶石是一種絕緣體，在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少;3.增加了光刻、蝕刻工藝過程，制作成本高。

硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。

碳化硅襯底(CREE公司專門采用SiC材料作為襯底)的LED芯片，電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。優(yōu)點：碳化硅的導熱系數(shù)為490W/m·K，要比藍寶石襯底高出10倍以上。不足：碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。

led特點

(1)四元芯片，采用MOVPE工藝制備，亮度相對于常規(guī)芯片要亮。

(2)信賴性優(yōu)良。

(3)應(yīng)用廣泛。

(4)安全性高。

(5)壽命長。

如何評判

led芯片的價格：一般情況系下方片的價格要高于圓片的價格，大功率led芯片肯定要高于小功率led芯片，進口的要高于國產(chǎn)的，進口的來源價格從日本、美國、臺灣依次減低。

led芯片的質(zhì)量：評價led芯片的質(zhì)量主要從裸晶亮度、衰減度兩個主要標準來衡量，在封裝過程中主要從led芯片封裝的成品率來計算。

日常使用

紅燈：9mil正規(guī)方片，(純紅)波長：620-625nm，上下60°、左右120°，亮度高達1000-1200mcd;

綠燈：12mil正規(guī)方片，(純綠)波長：520-525nm，上下60°、左右120°，亮度高達2000-3000mcd;

性能：具有亮度高、抗靜電能力強、抗衰減能力強、一致性好等特點，是制作led招牌、led發(fā)光字的最佳選擇。

制造流程

總的來說，LED制作流程分為兩大部分：

首先在襯底上制作氮化鎵(GaN)基的外延片，這個過程主要是在金屬有機化學氣相沉積外延片爐(MOCVD)中完成的。準備好制作GaN基外延片所需的材料源和各種高純的氣體之后，按照工藝的要求就可以逐步把外延片做好。常用的襯底主要有藍寶石、碳化硅和硅襯底，還有GaAs、AlN、ZnO等材料。

MOCVD是利用氣相反應(yīng)物(前驅(qū)物)及Ⅲ族的有機金屬和Ⅴ族的NH3在襯底表面進行反應(yīng)，將所需的產(chǎn)物沉積在襯底表面。通過控制溫度、壓力、反應(yīng)物濃度和種類比例，從而控制鍍膜成分、晶相等品質(zhì)。MOCVD外延爐是制作LED外延片最常用的設(shè)備。

然后是對LEDPN結(jié)的兩個電極進行加工，電極加工也是制作LED芯片的關(guān)鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨;然后對LED毛片進行劃片、測試和分選，就可以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不夠乾凈，蒸鍍系統(tǒng)不正常，會導致蒸鍍出來的金屬層(指蝕刻后的電極)會有脫落，金屬層外觀變色，金泡等異常。

蒸鍍過程中有時需用彈簧夾固定芯片，因此會產(chǎn)生夾痕(在目檢必須挑除)。黃光作業(yè)內(nèi)容包括烘烤、上光阻、照相曝光、顯影等，若顯影不完全及光罩有破洞會有發(fā)光區(qū)殘多出金屬。

芯片在前段工藝中，各項工藝如清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨等作業(yè)都必須使用鑷子及花籃、載具等，因此會有芯片電極刮傷情形發(fā)生。

制作工藝

1.LED芯片檢驗

鏡檢：材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑lockhill芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求電極圖案是否完整。

2.LED擴片

由于LED芯片在劃片后依然排列緊密間距很小(約0.1mm)，不利于后工序的操作。采用擴片機對黏結(jié)芯片的膜進行擴張，使LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。也可以采用手工擴張，但很容易造成芯片掉落浪費等不良問題。

3.LED點膠

在LED支架的相應(yīng)位置點上銀膠或絕緣膠。對于GaAs、SiC導電襯底，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片，采用銀膠。對于藍寶石絕緣襯底的藍光、綠光LED芯片，采用絕緣膠來固定芯片。

工藝難點在于點膠量的控制，在膠體高度、點膠位置均有詳細的工藝要求。由于銀膠和絕緣膠在貯存和使用均有嚴格的要求，銀膠的醒料、攪拌、使用時間都是工藝上必須注意的事項。

4.LED備膠

和點膠相反，備膠是用備膠機先把銀膠涂在LED背面電極上，然后把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。備膠的效率遠高于點膠，但不是所有產(chǎn)品均適用備膠工藝。

5.LED手工刺片

將擴張后LED芯片(備膠或未備膠)安置在刺片臺的夾具上，LED支架放在夾具底下，在顯微鏡下用針將LED芯片一個一個刺到相應(yīng)的位置上。手工刺片和自動裝架相比有一個好處，便于隨時更換不同的芯片，適用于需要安裝多種芯片的產(chǎn)品。

6.LED自動裝架

自動裝架其實是結(jié)合了沾膠(點膠)和安裝芯片兩大步驟，先在LED支架上點上銀膠(絕緣膠)，然后用真空吸嘴將LED芯片吸起移動位置，再安置在相應(yīng)的支架位置上。自動裝架在工藝上主要要熟悉設(shè)備操作編程，同時對設(shè)備的沾膠及安裝精度進行調(diào)整。在吸嘴的選用上盡量選用膠木吸嘴，防止對LED芯片表面的損傷，特別是藍、綠色芯片必須用膠木的。因為鋼嘴會劃傷芯片表面的電流擴散層。

7.LED燒結(jié)

燒結(jié)的目的是使銀膠固化，燒結(jié)要求對溫度進行監(jiān)控，防止批次性不良。銀膠燒結(jié)的溫度一般控制在150℃，燒結(jié)時間2小時。根據(jù)實際情況可以調(diào)整到170℃，1小時。絕緣膠一般150℃，1小時。

銀膠燒結(jié)烘箱的必須按工藝要求隔2小時(或1小時)打開更換燒結(jié)的產(chǎn)品，中間不得隨意打開。燒結(jié)烘箱不得再其他用途，防止污染。

8.LED壓焊

壓焊的目的是將電極引到LED芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作。

LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。鋁絲壓焊的過程為先在LED芯片電極上壓上第一點，再將鋁絲拉到相應(yīng)的支架上方，壓上第二點后扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點前先燒個球，其余過程類似。

壓焊是LED封裝技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝上主要需要監(jiān)控的是壓焊金絲(鋁絲)拱絲形狀，焊點形狀，拉力。

9.LED封膠

LED的封裝主要有點膠、灌封、模壓三種?；旧瞎に嚳刂频碾y點是氣泡、多缺料、黑點。設(shè)計上主要是對材料的選型，選用結(jié)合良好的環(huán)氧和支架。(一般的LED無法通過氣密性試驗)

LED點膠TOP-LED和Side-LED適用點膠封裝。手動點膠封裝對操作水平要求很高(特別是白光LED)，主要難點是對點膠量的控制，因為環(huán)氧在使用過程中會變稠。白光LED的點膠還存在熒光粉沉淀導致出光色差的問題。

LED灌膠封裝Lamp-LED的封裝采用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧，然后插入壓焊好的LED支架，放入烘箱讓環(huán)氧固化后，將LED從模腔中脫出即成型。

LED模壓封裝將壓焊好的LED支架放入模具中，將上下兩副模具用液壓機合模并抽真空，將固態(tài)環(huán)氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中，環(huán)氧順著膠道進入各個LED成型槽中并固化。

10.LED固化與后固化

固化是指封裝環(huán)氧的固化，一般環(huán)氧固化條件在135℃，1小時。模壓封裝一般在150℃，4分鐘。后固化是為了讓環(huán)氧充分固化，同時對LED進行熱老化。后固化對于提高環(huán)氧與支架(PCB)的粘接強度非常重要。一般條件為120℃，4小時。

11.LED切筋和劃片

由于LED在生產(chǎn)中是連在一起的(不是單個)，Lamp封裝LED采用切筋切斷LED支架的連筋。SMD-LED則是在一片PCB板上，需要劃片機來完成分離工作。

12.LED測試

測試LED的光電參數(shù)、檢驗外形尺寸，同時根據(jù)客戶要求對LED產(chǎn)品進行分選。

計數(shù)方法

LED芯片因為大小一般都在大?。盒」β实男酒话惴譃?mil、9mil、12mil、14mil等，跟頭發(fā)細一樣細，以前人工計數(shù)時候非常辛苦，而且準確率極底，2012年廈門好景科技有開發(fā)一套專門針對LED芯片計數(shù)的軟件，儀器整合了高清晰度數(shù)字技術(shù)來鑒別最困難的計數(shù)問題，LED芯片專用計數(shù)儀設(shè)備是由百萬象素工業(yè)專用的CCD和百萬象素鏡頭的硬件，整合了高清晰度圖像數(shù)字技術(shù)的軟件組成的，主要用來計算出LED芯片的數(shù)量。該LED芯片專用計數(shù)儀通過高速的圖像獲取及視覺識別處理，準確、快速地計數(shù)LED芯片，操作簡單，使用方便。

該設(shè)備裝有新型的照明配置，因照明上的均勻一致性及應(yīng)用百萬象素的CCD及鏡頭，確保了LED芯片成像的清晰度，配合高技術(shù)的計數(shù)軟件，從而保證了計數(shù)的準確度。同時軟件會將每次計數(shù)的結(jié)果儲存在數(shù)據(jù)庫中，方便打印與追溯對比分析。

技術(shù)參數(shù)

1.成像特性

鏡頭：12mm、F1.8高保真光學鏡頭

CCD規(guī)格：300萬像素/500萬像素，真彩

圖像拍攝：手動對焦，可專業(yè)級地精細成像LED芯片

圖像調(diào)整：手動調(diào)整亮度;自動調(diào)整對比度、飽和度

2.計數(shù)特性：

快速的計算出LED芯片總數(shù)，可根據(jù)需要折扣數(shù)量，并顯示和輸出計數(shù)結(jié)果

可計數(shù)≥5mil(或0.127mm)不透明LED芯片

可計數(shù)雙電極透明的LED芯片

計數(shù)速度：2000～8000個LED芯片/s的統(tǒng)計速度，無需掃描即成像即計數(shù)

簡便易用：真正一鍵式操作，鼠標一點，結(jié)果即現(xiàn)。軟件界面美觀，操作簡便。

參數(shù)釋疑

正向工作電流If：它是指發(fā)光二極體正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。

正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極體正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。

V-I特性：發(fā)光二極體的電壓與電流的關(guān)系，在正向電壓正小于某一值(叫閾值)時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。

發(fā)光強度IV：發(fā)光二極體的發(fā)光強度通常是指法線(對圓柱形發(fā)光管是指其軸線)方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/sr時，則發(fā)光1坎德拉(符號為cd)。由于一般LED的發(fā)光二極管強度小，所以發(fā)光強度常用燭光(坎德拉，mcd)作單位。

LED的發(fā)光角度：-90°-+90°

光譜半寬度Δλ：它表示發(fā)光管的光譜純度。

半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向(法向)的夾角。

全形：根據(jù)LED發(fā)光立體角換算出的角度，也叫平面角。

視角：指LED發(fā)光的最大角度，根據(jù)視角不同，應(yīng)用也不同，也叫光強角。

半形：法向0°與最大發(fā)光強度值/2之間的夾角。嚴格上來說，是最大發(fā)光強度值與最大發(fā)光強度值/2所對應(yīng)的夾角。LED的封裝技術(shù)導致最大發(fā)光角度并不是法向0°的光強值，引入偏差角，指得是最大發(fā)光強度對應(yīng)的角度與法向0°之間的夾角。

最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極體。

最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓即擊穿電壓。超過此值，發(fā)光二極體可能被擊穿損壞。

工作環(huán)境topm：發(fā)光二極體可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極體將不能正常工作，效率大大降低。

允許功耗Pm：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。

廠商介紹

臺灣LED芯片廠商

晶元光電(Epistar)簡稱：ES、(聯(lián)詮、元坤，連勇，國聯(lián))，廣鎵光電(Huga)，新世紀(GenesisPhotonics)，華上(ArimaOptoelectronics)簡稱：AOC，泰谷光電(Tekcore)，奇力，鉅新，光宏，晶發(fā)，視創(chuàng)，洲磊，聯(lián)勝(HPO)，漢光(HL)，光磊(ED)，鼎元(Tyntek)簡稱：TK，曜富洲技TC，燦圓(FormosaEpitaxy)，國通，聯(lián)鼎，全新光電(VPEC)等。

華興(LedtechElectronics)、東貝(UnityOptoTechnology)、光鼎(ParaLightElectronics)、億光(EverlightElectronics)、佰鴻(BrightLEDElectronics)、今臺(Kingbright)、菱生精密(LingsenPrecisionIndustries)、立基(LigitekElectronics)、光寶(Lite-OnTechnology)、宏齊(HARVATEK)等。

大陸LED芯片廠商

三安光電簡稱(S)、上海藍光(Epilight)簡稱(E)、士蘭明芯(SL)、大連路美簡稱(LM)、迪源光電、華燦光電、南昌欣磊、上海金橋大晨、河北立德、河北匯能、深圳奧倫德、深圳世紀晶源、廣州普光、揚州華夏集成、甘肅新天電公司、東莞福地電子材料、清芯光電、晶能光電、中微光電子、乾照光電、晶達光電、深圳方大，山東華光、上海藍寶等。

國外LED芯片廠商

CREE，惠普(HP)，日亞化學(Nichia)，豐田合成，大洋日酸，東芝、昭和電工(SDK)，Lumileds，旭明(Smileds)，Genelite，歐司朗(Osram)，GeLcore，首爾半導體等，普瑞，韓國安螢(Epivalley)等。

發(fā)光原理

我們先來初步t解LED芯片的發(fā)光原理：在芯片被一定的電壓施加正向電極時，正向P區(qū)的空穴則會源源不斷的游向N區(qū)，N區(qū)的電子則會相對于孔穴向P區(qū)運動。在電子，空穴相對移動的同時，電子空穴互相結(jié)對，激發(fā)出光子，產(chǎn)生光能。電流從陽極流向陰極時，晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。