LED晶片也稱為led發光晶片,是led燈的核心組件,也就是指的P-N結。其主要功能是:把電能轉化為光能,晶片的主要材料為單晶矽。
半導體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導體,在它裡面空穴佔主導地位,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。
當電流通過導線作用於這個晶片的時候,電子就會被推向P區,在P區裡電子跟空穴複合,然後就會以光子的形式發出能量,這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色,是由形成P-N結的材料決定的。
用途:根據用途分為大功率led晶片、小功率led晶片兩種;
顏色:主要分為三種:紅色、綠色、藍色(製作白光的原料);
形狀:一般分為方片、圓片兩種;
大小:小功率的晶片一般分為8mil、9mil、12mil、14mil等
大功率LED晶片有尺寸為38*38mil,40*40mil,45*45mil等三種當然晶片尺寸是可以訂製的,這只是一般常見的規格。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大功率晶片的常用尺寸規格。
理論上來說,晶片越大,能承受的電流及功率就越大。不過晶片材質及製程也是影響晶片功率大小的主要因素。例如CREE40mil的晶片能承受1W到3W的功率,其他廠牌同樣大小的晶片,最多能承受到2W。
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:UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。
二元晶片(磷﹑鎵):H﹑G等;
三元晶片(磷﹑鎵﹑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﹑鋁﹑鎵﹑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。
對於製作LED晶片來說,襯底材料的選用是首要考慮的問題。應該採用哪種合適的襯底,需要根據設備和LED器件的要求進行選擇。三種襯底材料:藍寶石(Al2O3)、矽(Si)、碳化矽(SiC)。
藍寶石襯底:
藍寶石的優點:1.生產技術成熟、器件質量較好;2.穩定性很好,能夠運用在高溫生長過程中;3.機械強度高,易於處理和清洗。
藍寶石的不足:1.晶格失配和熱應力失配,會在外延層中產生大量缺陷;2.藍寶石是一種絕緣體,在上表面製作兩個電極,造成了有效發光面積減少;3.增加了光刻、蝕刻工藝過程,製作成本高。
矽是熱的良導體,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。
碳化矽襯底(CREE公司專門採用SiC材料作為襯底)的LED晶片,電極是L型電極,電流是縱向流動的。採用這種襯底製作的器件的導電和導熱性能都非常好,有利於做成面積較大的大功率器件。優點:碳化矽的導熱係數為490W/m·K,要比藍寶石襯底高出10倍以上。不足:碳化矽製造成本較高,實現其商業化還需要降低相應的成本。
(1)四元晶片,採用MOVPE工藝製備,亮度相對於常規晶片要亮。
(2)信賴性優良。
(3)應用廣泛。
(4)安全性高。
(5)壽命長。
led晶片的價格:一般情況系下方片的價格要高於圓片的價格,大功率led晶片肯定要高於小功率led晶片,進口的要高於國產的,進口的來源價格從日本、美國、臺灣依次減低。
led晶片的質量:評價led晶片的質量主要從裸晶亮度、衰減度兩個主要標準來衡量,在封裝過程中主要從led晶片封裝的成品率來計算。
總的來說,LED製作流程分為兩大部分:
1.首先在襯底上製作氮化鎵(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。準備好製作GaN基外延片所需的材料源和各種高純的氣體之後,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、碳化矽和矽襯底,還有GaAs、AlN、ZnO等材料。
MOCVD是利用氣相反應物(前驅物)及Ⅲ族的有機金屬和Ⅴ族的NH3在襯底表面進行反應,將所需的產物沉積在襯底表面。通過控制溫度、壓力、反應物濃度和種類比例,從而控制鍍膜成分、晶相等品質。MOCVD外延爐是製作LED外延片最常用的設備。
2.然後是對LED PN結的兩個電極進行加工,電極加工也是製作LED晶片的關鍵工序,包括清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨;然後對LED毛片進行劃片、測試和分選,就可以得到所需的LED晶片。如果晶片清洗不夠乾淨,蒸鍍系統不正常,會導致蒸鍍出來的金屬層(指蝕刻後的電極)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晶片,因此會產生夾痕(在目檢必須挑除)。黃光作業內容包括烘烤、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光區殘多出金屬。
晶片在前段工藝中,各項工藝如清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨等作業都必須使用鑷子及花籃、載具等,因此會有晶片電極刮傷情形發生。
1.LED晶片檢驗
鏡檢:材料表面是否有機械損傷及麻點麻坑lockhill晶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
由於LED晶片在劃片後依然排列緊密間距很小(約0.1mm),不利於後工序的操作。採用擴片機對黏結晶片的膜進行擴張,使LED晶片的間距拉伸到約0.6mm。也可以採用手工擴張,但很容易造成晶片掉落浪費等不良問題。
3.LED點膠
在LED支架的相應位置點上銀膠或絕緣膠。對於GaAs、SiC導電襯底,具有背面電極的紅光、黃光、黃綠晶片,採用銀膠。對於藍寶石絕緣襯底的藍光、綠光LED晶片,採用絕緣膠來固定晶片。
工藝難點在於點膠量的控制,在膠體高度、點膠位置均有詳細的工藝要求。由於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塗在LED背面電極上,然後把背部帶銀膠的LED安裝在LED支架上。備膠的效率遠高於點膠,但不是所有產品均適用備膠工藝。
5.LED手工刺片
將擴張後LED晶片(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晶片一個一個刺到相應的位置上。手工刺片和自動裝架相比有一個好處,便於隨時更換不同的晶片,適用於需要安裝多種晶片的產品。
6.LED自動裝架
自動裝架其實是結合了沾膠(點膠)和安裝晶片兩大步驟,先在LED支架上點上銀膠(絕緣膠),然後用真空吸嘴將LED晶片吸起移動位置,再安置在相應的支架位置上。自動裝架在工藝上主要要熟悉設備操作編程,同時對設備的沾膠及安裝精度進行調整。在吸嘴的選用上儘量選用膠木吸嘴,防止對LED晶片表面的損傷,特別是藍、綠色晶片必須用膠木的。因為鋼嘴會劃傷晶片表面的電流擴散層。
7.LED燒結
燒結的目的是使銀膠固化,燒結要求對溫度進行監控,防止批次性不良。銀膠燒結的溫度一般控制在150℃,燒結時間2小時。根據實際情況可以調整到170℃,1小時。絕緣膠一般150℃,1小時。
銀膠燒結烘箱的必須按工藝要求隔2小時(或1小時)打開更換燒結的產品,中間不得隨意打開。燒結烘箱不得再其他用途,防止汙染。
8.LED壓焊
壓焊的目的是將電極引到LED晶片上,完成產品內外引線的連接工作。
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晶片電極上壓上第一點,再將鋁絲拉到相應的支架上方,壓上第二點後扯斷鋁絲。金絲球焊過程則在壓第一點前先燒個球,其餘過程類似。
壓焊是led封裝技術中的關鍵環節,工藝上主要需要監控的是壓焊金絲(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。基本上工藝控制的難點是氣泡、多缺料、黑點。設計上主要是對材料的選型,選用結合良好的環氧和支架。(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,因為環氧在使用過程中會變稠。白光LED的點膠還存在螢光粉沉澱導致出光色差的問題。
LED灌膠封裝Lamp-LED的封裝採用灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型模腔內注入液態環氧,然後插入壓焊好的LED支架,放入烘箱讓環氧固化後,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並抽真空,將固態環氧放入注膠道的入口加熱用液壓頂杆壓入模具膠道中,環氧順著膠道進入各個LED成型槽中並固化。
10.LED固化與後固化
固化是指封裝環氧的固化,一般環氧固化條件在135℃,1小時。模壓封裝一般在150℃,4分鐘。後固化是為了讓環氧充分固化,同時對LED進行熱老化。後固化對於提高環氧與支架(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
由於LED在生產中是連在一起的(不是單個),Lamp封裝LED採用切筋切斷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、檢驗外形尺寸,同時根據客戶要求對LED產品進行分選。
LED晶片因為大小一般都在大小:小功率的晶片一般分為8mil、9mil、12mil、14mil等,跟頭髮細一樣細,以前人工計數時候非常辛苦,而且準確率極底,2012年廈門好景科技有開發一套專門針對LED晶片計數的軟體,儀器整合了高清晰度數位技術來鑑別最困難的計數問題。
LED晶片專用計數儀設備是由百萬象素工業專用的CCD和百萬象素鏡頭的硬體,整合了高清晰度圖像數位技術的軟體組成的,主要用來計算出LED晶片的數量。該LED晶片專用計數儀通過高速的圖像獲取及視覺識別處理,準確、快速地計數LED晶片,操作簡單,使用方便。
該設備裝有新型的照明配置,因照明上的均勻一致性及應用百萬象素的CCD及鏡頭,確保了LED晶片成像的清晰度,配合高技術的計數軟體,從而保證了計數的準確度。同時軟體會將每次計數的結果儲存在資料庫中,方便列印與追溯對比分析。
1.成像特性:
鏡頭:12mm、F1.8高保真光學鏡頭
CCD規格:300萬像素/500萬像素,真彩
圖像拍攝:手動對焦,可專業級地精細成像LED晶片
圖像調整:手動調整亮度;自動調整對比度、飽和度
2.計數特性:
快速的計算出LED晶片總數,可根據需要折扣數量,並顯示和輸出計數結果
可計數≥5mil(或0.127mm)不透明LED晶片
可計數雙電極透明的LED晶片
計數速度:2000~8000個LED晶片/s的統計速度,無需掃描即成像即計數
簡便易用:真正一鍵式操作,滑鼠一點,結果即現。軟體界面美觀,操作簡便。
參數釋疑:
正向工作電流If:它是指發光二極體正常發光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。
正向工作電壓VF:參數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:發光二極體的電壓與電流的關係,在正向電壓正小於某一值(叫閾值)時,電流極小,不發光。當電壓超過某一值後,正向電流隨電壓迅速增加,發光。
發光強度IV:發光二極體的發光強度通常是指法線(對圓柱形發光管是指其軸線)方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/sr時,則發光1坎德拉(符號為cd)。由於一般LED的發光二極體強度小,所以發光強度常用燭光(坎德拉,mcd)作單位。
LED的發光角度:-90°-+90°
光譜半寬度Δλ:它表示發光管的光譜純度。
半值角θ1/2和視角:θ1/2是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向(法向)的夾角。
全形:根據LED發光立體角換算出的角度,也叫平面角。
視角:指LED發光的最大角度,根據視角不同,應用也不同,也叫光強角。
半形:法向0°與最大發光強度值/2之間的夾角。嚴格上來說,是最大發光強度值與最大發光強度值/2所對應的夾角。LED的封裝技術導致最大發光角度並不是法向0°的光強值,引入偏差角,指得是最大發光強度對應的角度與法向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,發光二極體可能被擊穿損壞。
工作環境topm:發光二極體可正常工作的環境溫度範圍。低於或高於此溫度範圍,發光二極體將不能正常工作,效率大大降低。
允許功耗Pm:允許加於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發熱、損壞。
臺灣LED晶片廠商
晶元光電(Epistar)簡稱:ES、(聯詮、元坤,連勇,國聯),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,視創,洲磊,聯勝(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晶片廠商
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晶片廠商
CREE,惠普(HP),日亞化學(Nichia),豐田化學,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。