【今天你充电了吗】超全的LED芯片知识 - 全文

　　LED行业发展日新月异，每天都有新信息、新科技出来，竞争犹如逆水行舟不进则退，今天你充电了吗？

　　LED芯片也称为led发光芯片，是led灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

　　led历史

　　50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。 LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

　　最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

　　分类

　　用途：根据用途分为大功率led芯片、小功率led芯片两种；

　　颜色：主要分为三种：红色、绿色、蓝色（制作白光的原料）；

　　形状：一般分为方片、圆片两种；

　　大小：小功率的芯片一般分为8mil、9mil、12mil、14mil等

　　芯片尺寸

　　大功率LED芯片有尺寸为38*38mil，40*40mil，45*45mil等三种当然芯片尺寸是可以订制的，这只是一般常见的规格。mil是尺寸单位，一个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规格。理论上来说，芯片越大，能承受的电流及功率就越大。不过芯片材质及制程也是影响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，其他厂牌同样大小的芯片，最多能承受到2W。

　　发光亮度

　　一般亮度：R（红色GaAsP655nm）、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。

　　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；

　　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。

　　衬底

　　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。三种衬底材料：蓝宝石（Al2O3）、硅（Si）、碳化硅（SiC）。

　　蓝宝石的优点：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。

　　蓝宝石的不足：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。

　　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。

　　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。优点：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。不足：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。

　　led特点

　　（1）四元芯片，采用MOVPE工艺制备，亮度相对于常规芯片要亮。

　　（2）信赖性优良。

　　（3）应用广泛。

　　（4）安全性高。

　　（5）寿命长。

　　如何评判

　　led芯片的价格：一般情况系下方片的价格要高于圆片的价格，大功率led芯片肯定要高于小功率led芯片，进口的要高于国产的，进口的来源价格从日本、美国、***依次减低。

　　led芯片的质量：评价led芯片的质量主要从裸晶亮度、衰减度两个主要标准来衡量，在封装过程中主要从led芯片封装的成品率来计算。

　　日常使用

　　红灯：9mil正规方片，（纯红）波长：620-625nm，上下60°、左右120°，亮度高达1000-1200mcd；

　　绿灯：12mil正规方片，（纯绿）波长：520-525nm，上下60°、左右120°，亮度高达2000-3000mcd；

　　性能：具有亮度高、抗静电能力强、抗衰减能力强、一致性好等特点，是制作led招牌、led发光字的最佳选择。

　　制造流程

　　总的来说，LED制作流程分为两大部分：

　　首先在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉（MOCVD）中完成的。准备好制作GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。

　　MOCVD是利用气相反应物（前驱物）及Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。

　　然后是对LEDPN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不够乾净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。

　　蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因此会产生夹痕（在目检必须挑除）。黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多出金属。

　　芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤情形发生。

　　制作工艺

　　1.LED芯片检验

　　镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑lockhill芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整。

　　2.LED扩片

　　由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。

　　3.LED点胶

　　在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。

　　工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。

　　4.LED备胶

　　和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。

　　5.LED手工刺片

　　将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。

　　6.LED自动装架

　　自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是蓝、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。

　　7.LED烧结

　　烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170℃，1小时。绝缘胶一般150℃，1小时。

　　银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途，防止污染。

　　8.LED压焊

　　压焊的目的是将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。

　　LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。铝丝压焊的过程为先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。

　　压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状，拉力。

　　9.LED封胶

　　LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架。（一般的LED无法通过气密性试验）

　　LED点胶TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高（特别是白光LED），主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。

　　LED灌胶封装Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型。

　　LED模压封装将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。

　　10.LED固化与后固化

　　固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135℃，1小时。模压封装一般在150℃，4分钟。后固化是为了让环氧充分固化，同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架（PCB）的粘接强度非常重要。一般条件为120℃，4小时。

　　11.LED切筋和划片

　　由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。

　　12.LED测试

　　测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。

　　计数方法

　　LED芯片因为大小一般都在大小：小功率的芯片一般分为8mil、9mil、12mil、14mil等，跟头发细一样细，以前人工计数时候非常辛苦，而且准确率极底，2012年厦门好景科技有开发一套专门针对LED芯片计数的软件，仪器整合了高清晰度数字技术来鉴别最困难的计数问题，LED芯片专用计数仪设备是由百万象素工业专用的CCD和百万象素镜头的硬件，整合了高清晰度图像数字技术的软件组成的，主要用来计算出LED芯片的数量。该LED芯片专用计数仪通过高速的图像获取及视觉识别处理，准确、快速地计数LED芯片，操作简单，使用方便。

　　该设备装有新型的照明配置，因照明上的均匀一致性及应用百万象素的CCD及镜头，确保了LED芯片成像的清晰度，配合高技术的计数软件，从而保证了计数的准确度。同时软件会将每次计数的结果储存在数据库中，方便打印与追溯对比分析。

　　技术参数

　　1．成像特性

　　镜头：12mm、F1.8高保真光学镜头

　　CCD规格：300万像素/500万像素，真彩

　　图像拍摄：手动对焦，可专业级地精细成像LED芯片

　　图像调整：手动调整亮度；自动调整对比度、饱和度

　　2．计数特性：

　　快速的计算出LED芯片总数，可根据需要折扣数量，并显示和输出计数结果

　　可计数≥5mil（或0.127mm）不透明LED芯片

　　可计数双电极透明的LED芯片

　　计数速度：2000～8000个LED芯片/s的统计速度，无需扫描即成像即计数

　　简便易用：真正一键式操作，鼠标一点，结果即现。软件界面美观，操作简便。

　　参数释疑

　　正向工作电流If：它是指发光二极体正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。

　　正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极体正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。

　　V-I特性：发光二极体的电压与电流的关系，在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。

　　发光强度IV：发光二极体的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二极管强度小，所以发光强度常用烛光（坎德拉，mcd）作单位。

　　LED的发光角度：-90°-+90°

　　光谱半宽度Δλ：它表示发光管的光谱纯度。

　　半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。

　　全形：根据LED发光立体角换算出的角度，也叫平面角。

　　视角：指LED发光的最大角度，根据视角不同，应用也不同，也叫光强角。

　　半形：法向0°与最大发光强度值/2之间的夹角。严格上来说，是最大发光强度值与最大发光强度值/2所对应的夹角。LED的封装技术导致最大发光角度并不是法向0°的光强值，引入偏差角，指得是最大发光强度对应的角度与法向0°之间的夹角。

　　最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极体。

　　最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压即击穿电压。超过此值，发光二极体可能被击穿损坏。

　　工作环境topm：发光二极体可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极体将不能正常工作，效率大大降低。

　　允许功耗Pm：允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。

　　厂商介绍

　　***LED芯片厂商

　　晶元光电（Epistar）简称：ES、（联诠、元坤，连勇，国联），广镓光电（Huga），新世纪（GenesisPhotonics），华上（ArimaOptoelectronics）简称：AOC，泰谷光电（Tekcore），奇力，钜新，光宏，晶发，视创，洲磊，联胜（HPO），汉光（HL），光磊（ED），鼎元（Tyntek）简称：TK，曜富洲技TC，灿圆（FormosaEpitaxy），国通，联鼎，全新光电（VPEC）等。

　　华兴（LedtechElectronics）、东贝（UnityOptoTechnology）、光鼎（ParaLightElectronics）、亿光（EverlightElectronics）、佰鸿（BrightLEDElectronics）、今台（Kingbright）、菱生精密（LingsenPrecisionIndustries）、立基（LigitekElectronics）、光宝（Lite-OnTechnology）、宏齐（HARVATEK）等。

　　大陆LED芯片厂商

　　三安光电简称（S）、上海蓝光（Epilight）简称（E）、士兰明芯（SL）、大连路美简称（LM）、迪源光电、华灿光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪晶源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电子、乾照光电、晶达光电、深圳方大，山东华光、上海蓝宝等。

　　国外LED芯片厂商

　　CREE，惠普（HP），日亚化学（Nichia），丰田合成，大洋日酸，东芝、昭和电工（SDK），Lumileds，旭明（Smileds），Genelite，欧司朗（Osram），GeLcore，首尔半导体等，普瑞，韩国安萤（Epivalley）等。

　　发光原理

　　我们先来初步瞭解LED芯片的发光原理：在芯片被一定的电压施加正向电极时，正向P区的空穴则会源源不断的游向N区，N区的电子则会相对于孔穴向P区运动。在电子，空穴相对移动的同时，电子空穴互相结对，激发出光子，产生光能。电流从阳极流向阴极时，晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。