交通信號燈作業(yè)

1、 目錄摘 要21 前言 32 國內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展 33 我國LED封裝業(yè)的現(xiàn)狀與未來43.2 LED封裝產(chǎn)能53.3 LED封裝生產(chǎn)及測試設(shè)備53.5 LED封裝應(yīng)用方向63.6 LED封裝業(yè)人才狀況64 技術(shù)原理 64.1 光譜特性 74.2  散熱技術(shù) 84.3  取光技術(shù) 95  技術(shù)路線 10結(jié)束語 11 氮化鎵基半導(dǎo)體照明及其封裝與未來摘 要 文章分析了照明用半導(dǎo)體的外延、芯片及封裝等相關(guān)技術(shù)，介紹了在光譜特性、散熱性能、出光技術(shù)等方面的探

2、索，提出了一些具體的解決方案，并對的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行了討論。  中國是LED封裝大國，據(jù)估計(jì)全世界80%數(shù)量的LED器件封裝集中在中國，分布在各類美資、臺(tái)資、港資、內(nèi)資封裝企業(yè)。在過去的五年里，外資LED封裝企業(yè)不斷內(nèi)遷大陸，內(nèi)資封裝企業(yè)不斷成長發(fā)展，技術(shù)不斷成熟和創(chuàng)新。在中低端LED器件封裝領(lǐng)域，中國LED封裝企業(yè)的市場占有率較高，在高端LED器件封裝領(lǐng)域，部分中國企業(yè)有較大突破。隨著工藝技術(shù)的不斷成熟和品牌信譽(yù)的積累，中國LED封裝企業(yè)必將在中國這個(gè)LED應(yīng)用大國里扮演重要和主導(dǎo)的角色。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體照明 封裝 氮化鎵 氮化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，在室溫下其直

3、接帶隙寬度為3.39eV，具有熱導(dǎo)率高、耐高溫、耐酸堿、高硬度等特性，是第三代半導(dǎo)體的代表。這些特性使氮化鎵基材料廣泛地被用于藍(lán)、綠、紫外發(fā)光二極管和激光器，以及高溫大功率器件。發(fā)光二極管是直接把電能轉(zhuǎn)換成光的半導(dǎo)體器件，同傳統(tǒng)的光源相比具有壽命長、可靠性高、低能耗等特點(diǎn)。 本文研究了氮化鎵的外延生長、LED芯片的制造工藝，獲得的主要結(jié)果如下： 1、用透明的ITO薄膜代替半透明的Ni/Au金屬薄膜作為LED的電流擴(kuò)展層，制備了氮化鎵基發(fā)光二極管，并研究了它的電學(xué)性能和光學(xué)性能。在相同的驅(qū)動(dòng)電流下，ITO/LED.氮化鎵是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，在室溫下其直接帶隙寬度為3.39eV，具有熱導(dǎo)率高、

4、耐高溫、耐酸堿、高硬度等特性，是第三代半導(dǎo)體的代表。這些特性使氮化鎵基材料廣泛地被用于藍(lán)、綠、紫外發(fā)光二極管和激光器，以及高溫大功率器件。發(fā)光二極管是直接把電能轉(zhuǎn)換成光的半導(dǎo)體器件，同傳統(tǒng)的光源相比具有壽命長、可靠性高、低能耗等特點(diǎn)。 本文研究了氮化鎵的外延生長、LED芯片的制造工藝，獲得的主要結(jié)果如下： 1、用透明的ITO薄膜代替半透明的Ni/Au金屬薄膜作為LED的電流擴(kuò)展層，制備了氮化鎵基發(fā)光二極管，并研究了它的電學(xué)性能和光學(xué)性能。在相同的驅(qū)動(dòng)電流下，ITO/LED具有更高的光輸出功率。同時(shí)，ITO/LED保持了很好的可靠性。經(jīng)過1000小時(shí)的30毫安的驅(qū)動(dòng)電流的老化，ITO/LED的光

5、輸出功率仍然在初始功率的80以上。 2、應(yīng)用ICP干法刻蝕和自然光刻技術(shù)，粗化氮化鎵基LED芯片的透明導(dǎo)電薄膜ITO。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粗化的ITO表面極大地改善了氮化鎵基LED芯片的出光效率。在20mA的直流驅(qū)動(dòng)下，ITO表面粗化過的LED與傳統(tǒng)的LED相比，發(fā)光強(qiáng)度提高了70。 3、在氮化鎵基LED芯片的外延生長時(shí)，在P型氮化鎵層中間生長一夾雜層，使其P型氮化鎵薄膜的表面自然粗化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，P型氮化鎵表面自然粗化過的LED芯片的出光效率提高了60。典型的20mA時(shí)的電壓值僅僅比傳統(tǒng)的LED高了0.15V。1 前言  發(fā)光二極管（ ，）是可以直接將電能轉(zhuǎn)化為可見

6、光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低、耗電量小、響應(yīng)時(shí)間短、光色純、結(jié)構(gòu)牢固、抗沖擊、耐振動(dòng)、性能穩(wěn)定可靠、重量輕、體積小等一系列特性。近年來，LED發(fā)展突飛猛進(jìn)。其中基于氮化鎵氮化鎵材料的高亮度功率型半導(dǎo)體照明是化合物半導(dǎo)體乃至整個(gè)光電子和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)熱點(diǎn)，發(fā)展前景極其廣闊。與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比，這種新型光源具有高效節(jié)能、長壽命、小體積、易維護(hù)、環(huán)保、安全、耐候性好等優(yōu)勢，被公認(rèn)為是極具發(fā)展前途的照明光源。隨著北京市各項(xiàng)奧運(yùn)工程的深入開展，新一代城市景觀照明燈、大屏幕全彩顯示屏、戶內(nèi)外公共場所信息指示牌等眾多應(yīng)用將進(jìn)一步加大對高亮度半導(dǎo)體照明光源的需求量，LED在民用照明領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也將

7、進(jìn)一步得到推廣。 2 國內(nèi)外研發(fā)進(jìn)展  在高亮度及功率型研發(fā)方面居于國際先進(jìn)水平的公司主要分布在美國、日本、歐洲和韓國，代表性的公司有：美國的，公司，日本的，T 公司，歐洲的，公司等。這些跨國大公司多有原創(chuàng)性的專利，引領(lǐng)技術(shù)潮流，占領(lǐng)絕大多數(shù)的市場份額。臺(tái)灣的一些光電企業(yè)，如，等也起步較早，在下游工藝和封裝以及上游材料外延方面具備了若干自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，也占有一定的市場份額。最近年內(nèi)，韓國，等公司的相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢更加突出。我國在功率型芯片，特別是氮化鎵基高亮度藍(lán)綠色、紫色管芯芯片及半導(dǎo)體白光照明燈具方面的研究正在迅速發(fā)展。代表性的企業(yè)主要有：方大國科、華光、藍(lán)寶、路美、

8、廈門三安、上海藍(lán)光等。  在傳統(tǒng)的藍(lán)綠色市場中，此種在我國特別是珠江三角洲地區(qū)有大量的封裝廠和產(chǎn)品銷售，但是芯片大多由臺(tái)灣和韓國進(jìn)口。由于該類低價(jià)芯片一般為功率水平較低的低檔產(chǎn)品（電功率輸入下，藍(lán)綠光的發(fā)光功率為），在車載儀表顯示、高品質(zhì)大屏幕應(yīng)用等方面不具有競爭力。在各種照明領(lǐng)域，其產(chǎn)業(yè)鏈正處于初步發(fā)展的階段。世界各國、各地區(qū)的生產(chǎn)廠商均在加大研發(fā)力度。而我國在該領(lǐng)域則剛剛起步，面向半導(dǎo)體照明的大功率管芯產(chǎn)品幾乎還是空白。 3 我國LED封裝業(yè)的現(xiàn)狀與未來  3.1 LED封裝產(chǎn)品 LED封裝產(chǎn)品大致分為直插式（LAMP）、貼片式（SMD）、大功率（HI-POW

9、ER）三大類，三大類產(chǎn)品中有不同尺寸、不同形狀、不同顏色等各類產(chǎn)品。我國的LED封裝產(chǎn)品經(jīng)過十多年的發(fā)展，已形成門類齊全的各類封裝型號，與國外的封裝產(chǎn)品型號基本同步，在國內(nèi)基本能找到各類進(jìn)口產(chǎn)品的替代產(chǎn)品。在今后的幾年里，我國的LED封裝產(chǎn)品種類將更加齊全，與國外產(chǎn)品保持同步。 3.2 LED封裝產(chǎn)能 中國已逐漸成為世界LED封裝器件的制造中心，其中包括臺(tái)資、港資、美資等企業(yè)在中國的制造基地。    據(jù)估算，中國的封裝產(chǎn)能（含外資在大陸的工廠）占全世界封裝產(chǎn)能的60%，并且隨著LED產(chǎn)業(yè)的聚集度在中國的增加，此比例還在上升。大陸LED封裝企業(yè)的封裝產(chǎn)能擴(kuò)充較快，隨

10、著更多資本進(jìn)入大陸封裝產(chǎn)業(yè)，LED封裝產(chǎn)能將會(huì)快速擴(kuò)張。 3.3 LED封裝生產(chǎn)及測試設(shè)備    LED封裝主要生產(chǎn)設(shè)備有自動(dòng)固晶機(jī)、自動(dòng)焊線機(jī)、自動(dòng)封膠機(jī)、自動(dòng)分光分色機(jī)、自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)、自動(dòng)貼帶機(jī)等；LED主要測試設(shè)備有IS標(biāo)準(zhǔn)儀、光電綜合測試儀、TG點(diǎn)測試儀、積分球流明測試儀、熒光粉測試儀、冷熱沖擊箱、高溫高濕箱等。五年前，LED主要封裝設(shè)備是歐洲、臺(tái)灣廠商的天下，國產(chǎn)設(shè)備多為半自動(dòng)設(shè)備，現(xiàn)在，除自動(dòng)焊線機(jī)外，國產(chǎn)全自動(dòng)設(shè)備已能批量供應(yīng)，不過精度和速度有待進(jìn)一步提高。LED的主要測試設(shè)備，除IS標(biāo)準(zhǔn)儀外，其它設(shè)備已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。就硬件水平來說，中國規(guī)模以上的L

11、ED封裝企業(yè)是世界上最先進(jìn)的。當(dāng)然，一些更高層次的測試分析設(shè)備還有待進(jìn)一步配備。  中國在封裝設(shè)備硬件上，由于購買了最新型和最先進(jìn)的封裝設(shè)備，擁有后發(fā)優(yōu)勢，具備先進(jìn)封裝技術(shù)和工藝發(fā)展的基礎(chǔ)。3.4 LED芯片 LED封裝器件的性能在50%程度上取決于芯片，50%取決于封裝工藝和輔助材料。目前中國大陸的LED芯片企業(yè)約有十家左右，起步較晚，規(guī)模不夠大，最大的LED芯片企業(yè)年產(chǎn)值約3個(gè)億人民幣，每家平均產(chǎn)能在1至2個(gè)億。國內(nèi)中小尺寸芯片（指15mil以下）已能基本滿足國內(nèi)封裝企業(yè)的需求，大尺寸（指功率型瓦級芯片）還需進(jìn)口，主要來自美國、臺(tái)灣企業(yè)。國產(chǎn)品牌的中小尺寸芯片性能與國外

12、品牌差距較小，具有良好的性價(jià)比，能滿足絕大部分LED應(yīng)用企業(yè)的需求。國產(chǎn)大尺寸瓦級芯片還需努力，以滿足未來照明市場的巨大需求。隨著資本市場對上游芯片企業(yè)的介入，預(yù)計(jì)未來三年我國LED芯片企業(yè)將有較大的發(fā)展，將有力地促進(jìn)LED封裝產(chǎn)業(yè)總體水平的提高。3.5 LED封裝應(yīng)用方向  目前，我國的LED封裝產(chǎn)品已廣泛地應(yīng)用在指示、背光、顯示、照明等應(yīng)用方向，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋消費(fèi)類電子業(yè)、汽車業(yè)、廣告業(yè)、交通業(yè)、體育業(yè)、娛樂業(yè)、建筑業(yè)等全方位領(lǐng)域。我國LED封裝器件應(yīng)用領(lǐng)域的廣度將會(huì)更加拓展，我國在LED的應(yīng)用上已走在世界的前列。3.6 LED封裝業(yè)人才狀況  我國L

13、ED封裝業(yè)的人才是建立在消化吸收臺(tái)、港、美資LED企業(yè)的技術(shù)和管理人才基礎(chǔ)上再培養(yǎng)和成長起來的。行業(yè)的中、高層技術(shù)及管理人才滿足不了現(xiàn)有LED行業(yè)快速發(fā)展的需要，行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)型人才偏多，技術(shù)型、學(xué)術(shù)型人才偏少。可喜的是，隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，部分高校已設(shè)置相關(guān)光電專業(yè)進(jìn)行培養(yǎng)人才，產(chǎn)學(xué)研的合作深入也為我國LED封裝企業(yè)輸送和培養(yǎng)了一批人才。4 技術(shù)原理  組成物質(zhì)的基本粒子、原子和電子在電場的作用下會(huì)發(fā)生能態(tài)躍遷，當(dāng)它們從高能態(tài)回到低能態(tài)時(shí)，多余的能量會(huì)以光的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光的現(xiàn)象。20世紀(jì)20年代，法國科學(xué)家··就發(fā)現(xiàn)了碳化硅材料的電致發(fā)光現(xiàn)象。直到20世紀(jì)4

14、0年代，隨著材料與器件工藝的發(fā)展，才研制成功砷磷鎵發(fā)光二極管。的核心發(fā)光部分是由型和型半導(dǎo)體構(gòu)成的-結(jié)管芯，當(dāng)注入-結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見光、紫外光或近紅外光。到上世紀(jì)90年代，采用雙異質(zhì)結(jié)與多量子阱結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)光二極管的亮度，之后，又通過技術(shù)在藍(lán)寶石與碳化硅的襯底上成功生長了具有器件結(jié)構(gòu)的氮化鎵基的發(fā)光二極管外延片，制造出亮度很高的藍(lán)綠光發(fā)光二極管。  實(shí)際上，產(chǎn)生的所有光并不是都可以釋放出來的，這主要取決于半導(dǎo)體材料的質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料。如常規(guī)型封裝是將邊長的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點(diǎn)與金絲，鍵

15、合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負(fù)極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀。由于管芯折射率與環(huán)氧樹脂折射率相差較大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，導(dǎo)致光的過多損失。   選擇不同折射率的封裝材料及封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到的軸線方向，相應(yīng)的視角較?。蝗绻敳康臉渲哥R為圓形或平面

16、形，其相應(yīng)視角將增大。  一般情況下，的發(fā)光波長隨著溫度變化為/，光譜寬度也隨之增加，影響顏色鮮艷度。另外，當(dāng)正向電流流經(jīng)-結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高，的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減少左右。目前，很多功率型的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到、甚至級，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，借助全新的封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。 關(guān)鍵技術(shù)問題 4.1 光譜特性  要作為照明光源，半導(dǎo)體常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，目前距離甚遠(yuǎn)。因此，關(guān)鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。半導(dǎo)體照明所用的外延材料采用的外延生長技術(shù)和多

17、量子阱結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是高光功率輸出、優(yōu)異的光譜特性。光譜特性是指發(fā)光波長的穩(wěn)定和極窄的光譜半高寬。發(fā)光二極管中心波長隨注入電流變化是外延片材料制備過程中遇到的關(guān)鍵難題之一。眾多商品化的芯片發(fā)光的中心波長一般隨注入電流增大而造成發(fā)光波長的嚴(yán)重不穩(wěn)定性。此外，芯片電致發(fā)光光譜的半高寬也是衡量外延片質(zhì)量的重要參數(shù)之一，半高寬越窄，發(fā)光顏色越純。高質(zhì)量的氮化鎵/氮化鎵多量子阱有源區(qū)生長是氮化鎵材料研究中的難點(diǎn)，也是各研究小組和生產(chǎn)廠商的核心技術(shù)。采用了新型量子阱結(jié)構(gòu)的芯片，在注入電流由變化時(shí)，中心發(fā)光波長移動(dòng)小于。上述芯片注入下的電熒光光譜的半高全寬僅為，并且隨注入電流變化（）僅為。同時(shí)，均勻性與重復(fù)性

18、是外延片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中的重要評價(jià)指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、要求在高質(zhì)量外延片的產(chǎn)業(yè)化能力方面須具有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)和保證，從而使外延片的成品率大大增加。 4.2  散熱技術(shù)  傳統(tǒng)的照明器件散熱問題很容易解決，白熾燈、熒光燈在使用過程中燈絲達(dá)到非常高的溫度，發(fā)出的光包含紅外線，可以通過輻射的方式散發(fā)熱量。如白熾燈泡的熱量是通過輻射散出的。但是的發(fā)光機(jī)理不同，是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光，其光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能靠輻射散出，因此，又被稱為“冷”光源。但是，目前的發(fā)光效率僅能達(dá)到，還有的能量轉(zhuǎn)換成了熱量。由于傳統(tǒng)的管芯功率小，需要散熱也小，因而散熱問題不嚴(yán)重。目前

19、制作的大功率白光的芯片尺寸大多在×以上，單個(gè)器件的耗散功率在以上，如果簡單地把封裝尺寸也按比例放大，芯片的熱量不能散出去，會(huì)加速芯片和熒光粉的老化，還可能導(dǎo)致倒裝焊的焊錫熔化，使芯片失效。而且，當(dāng)溫度上升時(shí)，色度變差，隨著藍(lán)光波長變動(dòng)，熒光粉吸收率下降，總發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。同時(shí)將會(huì)因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升，環(huán)氧碳化變黃，從而加速器件的光衰直至失效，甚至因?yàn)檠杆俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成開路而失效。因此，對于大工作電流的半導(dǎo)體照明芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是技術(shù)關(guān)鍵。解決熱問題的方法主要有兩種：提高器件內(nèi)的量子效率，提高芯片的發(fā)光效率，從根本上減少

20、熱量的產(chǎn)生；改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，加快內(nèi)部熱量的散發(fā)，以有效降低芯片的溫度。 在芯片制作與封裝方面，我們主要采用以下方法幫助散熱：    （1）芯片制作采用倒裝焊的結(jié)構(gòu)，的熱量主要產(chǎn)生于很薄的有源層中，而封裝完成后的器件，其熱量則主要依靠向管座的熱傳導(dǎo)來散開。藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此普通正裝的芯片結(jié)構(gòu)會(huì)使管座與芯片有源層間產(chǎn)生很大的溫差，導(dǎo)致管芯溫度上升，從而影響器件的各項(xiàng)性能。采用倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)后，利用熱沉作為散熱的中間導(dǎo)體，因?yàn)槭菬岬牧紝?dǎo)體，其傳熱效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于正面出光的，靠藍(lán)寶石來散熱的片子。  （2）改進(jìn)原有的封裝結(jié)構(gòu)，采取特殊的鋁基板作為

21、器件的承載平臺(tái)，器件的反光與散熱都由厚的鋁基板完成，同時(shí)將氮化鎵芯片粘附在熱沉上，與的僅靠碗狀模具散熱相比，更有利于熱量的傳輸。  （3）采用低電阻率、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片；在器件的內(nèi)部填充柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)（一般為），膠體不會(huì)因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路。零件材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。  4.3  取光技術(shù)  從理論上講，當(dāng)我們在發(fā)光的p-n結(jié)上施加正向電壓時(shí)，p-n結(jié)會(huì)有電流通過，電子和空穴在p-n結(jié)過渡層中復(fù)合會(huì)產(chǎn)生光子，但是光子并不能地逸出到空氣中。 主要原因如下：

22、0; （1）由光的傳播理論中的光線折射定律可知，兩種不同材料的界面在折射系數(shù)不同時(shí)，將出現(xiàn)光線被反射的現(xiàn)象，發(fā)光的芯片與周圍介質(zhì)在折射系數(shù)上不同，因此必然導(dǎo)致光線不能全部逸出；   （2）發(fā)光芯片為了施加工作電流和電壓，必須固定在引線支架上，同時(shí)還需制作便于饋送電流的p型和n型兩個(gè)電極，而這種能引出導(dǎo)線的電極一般由不透光的金屬構(gòu)成，這就阻擋了一部分光線逸出；   （3）用作包封材料的環(huán)氧樹脂，其透光率存在一定的比率，并且在高溫下隨時(shí)間的延長會(huì)變黃，透光率衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致一部分光線不能逸出；   （4）環(huán)氧樹脂的包封形狀及其與空氣在折射系數(shù)上不同，對光線的逸出效率有較大的影響。目前，主要采用以下方法解決取光問題： 5  技術(shù)路線