LED芯片知識大解密

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-03-31

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 　1、 LED芯片的制造流程是怎樣的?

 

　　LED芯片制造主要是為了制造有效可靠的低歐姆接觸電極，并能滿足可接觸材料之間最小的壓降及提供焊線的壓墊，同時盡可能多地出光。 渡膜工藝一般用真空蒸鍍方法，其主要在1.33×10?4Pa高真空下，用電阻加熱或電子束轟擊加熱方法使材料熔化，并在低氣壓下變成金屬蒸氣沉積在半導體材料表面。一般所用的P型接觸金屬包括AuBe、AuZn等合金，N面的接觸金屬常采用AuGeNi合金。鍍膜后形成的合金層還需要通過光刻工藝將發光區盡可能多地露出來，使留下來的合金層能滿足有效可靠的低歐姆接觸電極及焊線壓墊的要求。光刻工序結束后還要通過合金化過程，合金化通常是在H2或N2的保護下進行。合金化的時間和溫度通常是根據半導體材料特性與合金爐形式等因素決定。當然若是藍綠等芯片電極工藝還要復雜，需增加鈍化膜生長、等離子刻蝕工藝等。

 

　　2、 LED芯片制造工序中，哪些工序對其光電性能有較重要的影響?

 

　　一般來說，LED外延生產完成之后她的主要電性能已定型，芯片制造不對其產甞核本性改變，但在鍍膜、合金化過程中不恰當的條件會造成一些電參數的不良。比如說合金化溫度偏低或偏高都會造成歐姆接觸不良，歐姆接觸不良是芯片制造中造成正向壓降VF偏高的主要原因。 在切割后，如果對芯片邊緣進行一些腐蝕工藝，對改善芯片的反向漏電會有較好的幫助。這是因為用金剛石砂輪刀片切割后，芯片邊緣會殘留較多的碎屑粉末，這些如果粘在LED芯片的PN結處就會造成漏電，甚至會有擊穿現象。另外，如果芯片表面光刻膠剝離不干凈，將會造成正面焊線難與虛焊等情況。如果是背面也會造成壓降偏高。 在芯片生產過程中通過表面粗化、劃成倒梯形結構等辦法可以提高光強。

 

　　3、LED芯片為什么要分成諸如8mil、9 mil、…，13∽22 mil，40 mil等不同尺寸?尺寸大小對LED光電性能有哪些影響?

 

　　LED芯片大小根據功率可分為小功率芯片、中功率芯片和大功率芯片。根據客戶要求可分為單管級、數碼級、點陣級以及裝飾照明等類別。至于芯片的具體尺寸大小是根據不同芯片生產廠家的實際生產水平而定，沒有具體的要求。只要工藝過關，芯片小可提高單位產出并降低成本，光電性能并不會發生根本變化。芯片的使用電流實際上與流過芯片的電流密度有關，芯片小使用電流小，芯片大使用電流大，它們的單位電流密度基本差不多。如果10mil芯片的使用電流是20mA的話，那么40mil芯片理論上使用電流可提高16倍，即320mA。但考慮到散熱是大電流下的主要問題，所以它的發光效率比小電流低。另一方面，由于面積增大，芯片的體電阻會降低，所以正向導通電壓會有所下降。

 

　　4、 LED大功率芯片一般指多大面積的芯片?為什么?

 

　　用于白光的LED大功率芯片一般在市場上可以看到的都在40mil左右，所謂的大功率芯片的使用功率一般是指電功率在1W以上。由于量子效率一般小于20?大部分電能會轉換成熱能，所以大功率芯片的散熱很重要，要求芯片有較大的面積。

 

　　5、 制造GaN外延材料的芯片工藝和加工設備與GaP、GaAs、InGaAlP相比有哪些不同的要求?為什么?

 

　　普通的LED紅黃芯片和高亮四元紅黃芯片的基板都采用GaP 、GaAs等化合物半導體材料，一般都可以做成N型襯底。采用濕法工藝進行光刻，最后用金剛砂輪刀片切割成芯片。GaN材料的藍綠芯片是用的藍寶石襯底，由于藍寶石襯底是絕緣的，所以不能作為LED的一個極，必須通過干法刻蝕的工藝在外延面上同時制作P/N兩個電極并且還要通過一些鈍化工藝。由于藍寶石很硬，用金剛砂輪刀片很難劃成芯片。它的工藝過程一般要比GaP 、GaAs材料的LED多而復雜。

 

　　6、“透明電極”芯片的結構與它的特點是什么?

 

　　所謂透明電極一是要能夠導電，二是要能夠透光。這種材料現在最廣泛應用在液晶生產工藝中，其名稱叫氧化銦錫，英文縮寫ITO，但它不能作為焊墊使用。制作時先要在芯片表面做好歐姆電極，然后在表面覆蓋一層ITO再在ITO表面鍍一層焊墊。這樣從引線上下來的電流通過ITO層均勻分布到各個歐姆接觸電極上，同時ITO由于折射率處于空氣與外延材料折射率之間，可提高出光角度，光通量也可增加。

 

　　7、 用于半導體照明的芯片技術的發展主流是什么?

 

　　隨著半導體LED技術的發展，其在照明領域的應用也越來越多，特別是白光LED的出現，更是成為半導體照明的熱點。但是關鍵的芯片、封裝技術還有待提高，在芯片方面要朝大功率、高光效和降低熱阻方面發展。提高功率意味著芯片的使用電流加大，最直接的辦法是加大芯片尺寸，現在普遍出現的大功率芯片都在1mm×1mm左右，使用電流在350mA。由于使用電流的加大，散熱問題成為突出問題，現在通過芯片倒裝的方法基本解決了這一文題。隨著LED技術的發展，其在照明領域的應用會面臨一個前所未有的機遇和挑戰。

8、 什么是“倒裝芯片(Flip?Chip)”?它的結構如何?有哪些優點?

 

　　藍光LED通常采用Al2O3襯底，Al2O3襯底硬度很高、熱導率和電導率低，如果采用正裝結構，一方面會帶來防靜電問題，照明產品，另一方面，在大電流情況下散熱也會成為最主要的問題。同時由于正面電極朝上，會遮掉一部分光，發光效率會降低。大功率藍光LED通過芯片倒裝技術可以比傳統的封裝技術得到更多的有效出光。

 

　　現在主流的倒裝結構做法是：首先制備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸藍光LED芯片，同時制備出比藍光LED芯片略大的硅襯底，并在上面制作出供共晶焊接的金導電層及引出導線層(超聲金絲球焊點)。然后，利用共晶焊接設備將大功率藍光LED芯片與硅襯底焊接在一起。這種結構的特點是外延層直接與硅襯底接觸，硅襯底的熱阻又遠遠低于藍寶石襯底，所以散熱的問題很好地解決了。由于倒裝后藍寶石襯底朝上，成為出光面，藍寶石是透明的，因此出光問題也得到解決。

 

　　LED基礎知識

 

　　1、LED的基本特征是什么?何為LED的伏安特性?LED的電功率是如何計算的?

 

　　LED是一個由無機材料構成的單極性PN結二極管，它是半導體PN結二極管中的一種，因此其電壓?電流之間的相互作用關系，一般稱為伏特和安培特性(簡稱V?I特性)。 當LED上施加了規定的電壓Vf和電流If后，可以用下式求出LED上的電功率Pe： Pe=Vf×If

 

　　2、何為LED的電?光轉換?如何表述電光轉換效率?

 

　　當在LED的PN結兩端加上正向偏置時，PN兩端就有電流流過。此時，在PN結中，受激發的電子從N型層向PN結(過渡層)移動，而P型層中受激發的空穴也會向PN結移動，電子與空穴在結中復合，產生載流子。由于這是一種從高能級向低能級的躍遷，復合載流子會產生光子，形成發光，這就是人們稱之為的電?光轉換。 通常，將這種電能到光能的轉換，用百分比來表示它的轉換效率。假設施加到LED上的電功率為Pe=Vf×If，此時LED產生的光的功率PLight為，則用下式定義它的電?光轉換效率： ηeL=(Plight/Pe)×100% 當ηeL<100%時，說明有相當部分復合載流子并沒有產生光子而損耗，成為PN中的熱能。LED電?光轉換效率越高，PN結上因加置電功率后引起的熱量越低，而目前LED的電光轉換效率并不是很高，因此仍遇到LED的PN發熱和由這一熱量引起的種種問題。

 

　　3、在通用照明領域，LED取代傳統光源從目前來看還須克服哪些障礙?

 

　　⑴發光效率障礙。目前白光LED的光效一般為50lm/W，與熒光燈的效率相比還有一定差距，白光LED用于局部照明，節能效果有限。只有白光LED的發光效率高于熒光燈，達到100lm/W，才會有明顯的節能效果。

 

　　⑵價格障礙。目前LED光源的價格每流明高于0.1美元，是白熾燈價格的100多倍。

 

　　⑶功率LED制作技術。其基本關鍵技術包括： ①提高外研片內量子效率。 ②提高大尺寸芯片的外量子效率。 ③提高封裝的取光效率。 ⑷熒光粉的制作和涂敷技術。熒光粉是LED實現白光照明的關鍵材料，效率高、顯色性好、性能穩定的熒光粉能提高白光LED的出光率和產品質量。

 

　　4、什么是半導體?

 

　　根據物質的導電性，固態材料可分為絕緣體、半導體、導體。電導率介于10-8?103S/cm(S：西門子 電導的單位)之間或是電阻率介于108?10-3Ω*cm(Ω：歐姆 電阻的單位)的固態材料稱為半導體。半導體分元素半導體(如硅、鍺等)和化合物半導體。化合物半導體有二元化合物半導體(如SiC、AlP、GaS)、三元化合物半導體(如AlGaAs、GaInP)、四元化合物半導體(如AlGaInP、GaInAsP)等。能用作LED的半導體材料只有化合物半導體，元半導體不能用LED作的材料。

 

　　5、哪些產業是LED產業鏈的構成部分?

 

　　LED產業鏈大致可分為五部分：

 

　　①原材料;

 

　　②LED上游產業，主要包括外延材料和芯片制造;

 

　　③LED中游產業，主要包括各種LED器件的封裝;

 

　　④LED下游產業，主要包括LED的應用產品;

 

　　⑤測試儀器和生產設備。

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