1、 LED 制造技术与应用（第三版）陈 宇 编著 陈元灯 审校 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 LED 在半导体照明、汽车用灯、信号显示、显示器背光源、信息显示屏、生物、医疗等领域有很广泛的应用，作为目前全球备受瞩目的新一代光源，被称为 21 世纪最有发展前景的绿色照明光源。本书主要介绍 LED 的制作技术与应用，从介绍 LED 的基本概念和相关技术入手，介绍了 LED 的基础知识，它涉及多个学科，如半导体光学、热学、化学和力学等，是多个学科的综合；对 LED 芯片的制作、LED器件的封装及使用 LED 器件时
2、必须注意的技术问题进行了详细的介绍，同时还列举了 LED 在各行业、各部门中的应用，特别是对于 LED 应用的驱动问题、散热问题、二次光学设计问题和防静电问题等提出了具体的解决方法；在此基础上又深入地讨论了在不同应用中如何合理选用 LED 器件以及大功率 LED 的驱动与应用。本书可作为 LED 器件的制造者、使用者的指导手册，也可供电子技术爱好者、大中专学生和感兴趣的读者学习与参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 LED 制造技术与应用/陈宇编著.3 版.北京：电子工业出版社，2013.6 ISBN 978-7-121-
3、20494-4 .L .陈 .发光二极管-生产工艺 .TN383.05 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2013）第 106906 号 责任编辑：田宏峰 特约编辑：牛雪峰 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7201 000 1/16 印张：13.75 字数：308 千字 印 次：2013 年 6 月第 1 次印刷 印 数：4 000 元 定价：36.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报
4、请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 早在 1907 年，人们就发现了半导体材料通电发光的现象，但真正商用的 LED 是在 20 世纪60 年代出现的。当时的 LED 由化合物半导体材料 GaAsP 制成，只能发红色的光，发光的效率也非常低，而且不能激发非常重要的基色光蓝光。在此阶段，LED 主要应用于各种昂贵的设备，作为信号指示灯用。进入 20 世纪 90 年代，随着氮化物 LED 的出现，LED 的发光效率有了质的飞跃，而能够发射组成白光的重要成分蓝光的蓝光 LED 也在 1992 年由日本著名的日亚化学公司的中村修二发明，这样整个可见光谱的单色 LED 已经完整，能
5、够满足各种单色光应用场所的需求。影响 LED 产业发展的最重大的变化是高亮度白光 LED 的发明，自 1997 年白光 LED 出现以后，专家对白光 LED 进入普通照明领域的可能性进行了研究。作为光源，LED 的优势体现在节能、环保和寿命长三个方面。LED 不依靠灯丝发热来发光，能量转换效率非常高，理论上只需要白炽灯 10%的耗能、荧光灯 50%的耗能。中国绿色照明工程促进项目办公室曾经做个一项调查，我国每年照明用电高达 3 000 亿度以上，用 LED 取代全部白炽灯或者部分取代荧光灯，将节省 1/3 的照明用电量，这意味着至少节约 1 000 亿度电，相当于一个总投资超过 2 000 亿
6、元的三峡工程的全年发电量。这对于能源十分紧张的我国而言，无疑具有十分重要的战略意义。同样，美国能源部也做过一个类似的预测，如果美国 1/2 的白炽灯由 LED 取代，仅节省的电费就高达 350 亿美元。在使用寿命方面，LED 采用固体封装，结构牢固，寿命可达到数万小时，是荧光灯的 10倍、白炽灯的 100 倍，另外，用 LED 替代荧光灯可以避免荧光灯破裂而溢出汞所造成的二次污染，而且 LED 的频带只有 12 nm，不会产生紫外线和红外线来污染环境。白光 LED 在照明上的应用引起了各国的重视，各国都有具体的计划和措施。例如，我国利用风能和太阳能直接点亮 LED 路灯，这在其他国家也得到了应
7、用，已经成为了世界各国的共识。OLED 的大量使用也将改变人们的日常生活习惯，今后在室内采用 OLED 显示及照明也将大众化，电视机也将采用 OLED 显示。现在实现的光纤入户，使电视机、电话和互联网高度融合，在这个过程中需要大量的收发、交换和开关器件，因此未来在通信领域的 LED 用量也会大增。目前，国际上普遍认为光电技术是 21 世纪的尖端科技之一。如果对 21 世纪具有代表意义 的主导产业进行排序的话，第一无疑是光电子产业，而 LED 正是光电子产业中最重要的光电子材料和器件，是整个产业的基础。本书主要介绍 LED 的制作技术与应用，从介绍 LED 的基本概念和相关技术入手，介绍了LED
8、 的基础知识，它涉及多个学科，如半导体光学、热学、化学和力学等，是多个学科的综合；对 LED 芯片的制作、LED 器件的封装及使用 LED 器件时必须注意的技术问题进行了详细的介绍，同时还列举了 LED 在各行业、各部门中的应用，特别是对于 LED 应用的驱动问题、散热问题、二次光学设计问题和防静电问题等提出了具体的解决方法；在此基础上又深入地讨论了在不同应用中如何合理选用 LED 器件以及大功率 LED 的驱动与应用。参与本书编写工作的还有王洋、冯益善、张莉、路遥。在本书的编写过程中，参考了国内外大量的文献资料，在此向这些文献的作者表示感谢。目前，我国已经开设了 LED 专业，也有了一些关于
9、 LED 图书，这将大大地推动 LED 产业的发展。作者本着抛砖引玉的想法，希望今后会有更多、更好的关于 LED 方面的图书与广大读者见面，也希望 LED 方面的专家多出版这方面的图书，以培养和造就 LED 方面更多的专业人才，为迎接 21 世纪光电子产业的到来做好准备。由于时间仓促，书中错误和不足在所难免，恳请读者批评指正。作 者 2013 年 5 月 V 目 录 CONTENTS 第 1 章 认识 LED1 1.1 LED 的基本概念 2 1.1.1 LED 的基本结构与发光原理2 1.1.2 LED 的特点4 1.2 LED 芯片制作的工艺流程5 1.2.1 LED 衬底材料的选用6 1
10、.2.2 制作 LED 外延片10 1.2.3 LED 对外延片的技术要求13 1.2.4 检验外延片 14 1.2.5 制作 LED 的 PN 结电极14 1.2.6 LED 的 I-V 特性与 I-P 特性 15 1.3 LED 芯片的类型 16 1.3.1 根据 LED 的发光颜色进行分类18 1.3.2 根据 LED 的功率进行分类19 1.4 LED 芯片的发展趋势 20 1.5 大功率 LED 芯片 20 1.5.1 大功率 LED 芯片的分类 20 1.5.2 大功率 LED 芯片的测试分档24 1.5.3 大功率 LED 芯片制造技术的发展趋势25 1.6 有机发光半导体26
11、1.6.1 有机发光二极管发展经历26 VI 1.6.2 OLED 基本结构26 1.6.3 OLED 的驱动方式27 1.6.4 中国 OLED 产业的发展情况28 第 2 章 LED 封装29 2.1 引脚式封装30 2.1.1 工艺流程及设备31 2.1.2 管理机制和生产环境31 2.1.3 一次光学设计34 2.2 平面发光器件的封装37 2.2.1 反射罩式数码管制作38 2.2.2 常见的数码管40 2.2.3 单色和双色点阵43 2.3 SMD 的封装44 2.3.1 SMD 封装的工艺44 2.3.2 测试 LED 与选择 PCB45 2.4 食人鱼 LED 的封装46 2.
12、4.1 食人鱼 LED 的封装工艺 46 2.4.2 食人鱼 LED 的应用47 2.5 大功率 LED 的封装48 2.5.1 V 型电极大功率 LED 芯片的封装48 2.5.2 L 型电极大功率 LED 芯片的封装 49 2.5.3 L 型电极 LED 芯片的倒装封装 50 2.5.4 集成 LED 的封装52 2.5.5 大功率 LED 封装的注意事项53 2.5.6 大功率 LED 手工封装工艺55 2.5.7 大功率 LED 自动化封装及设备57 2.5.8 封装成品后大功率 LED 的基本结构58 2.5.9 多颗 LED 芯片集成大功率 LED 光源模块59 VII 2.5.1
13、0 大功率 LED 由 RGB 三色芯片混合成白光62 2.5.11 大功率 LED 封装制作的注意问题64 2.6 本章小结65 第 3 章 白光 LED 的制作 67 3.1 制作白光 LED68 3.1.1 制作白光 LED 的几种方法68 3.1.2 涂覆 YAG 荧光粉的工艺流程和制作方法69 3.1.3 大功率白光 LED 的制作 73 3.2 白光 LED 的可靠性及使用寿命75 3.2.1 影响白光 LED 寿命的主要因素76 3.2.2 工艺流程对白光 LED 寿命的影响76 3.2.3 引起白光 LED 快速衰减的主要原因77 3.3 荧光粉 80 3.3.1 YAG 荧光
14、粉80 3.3.2 RGB 荧光粉81 3.3.3 各种荧光粉的应用与发展81 3.4 RGB 三基色合成白光 LED 的制作82 3.4.1 基本原理 83 3.4.2 注意事项 83 3.5 本章小结85 第 4 章 LED 的技术指标和测量方法87 4.1 LED 的电学指标 88 4.1.1 LED 的电流-电压特性88 4.1.2 LED 的电学指标89 4.1.3 LED 的极限参数89 4.1.4 LED 的其他电学参数90 4.2 LED 的光学指标 90 VIII 4.2.1 光的颜色的三种表示法90 4.2.2 与光辐射强度有关的指标95 4.3 电光转换效率98 4.3.
15、1 辐射过程的能量损失98 4.3.2 封装时的能量损失99 4.3.3 激发过程的能量损失99 4.4 LED 的热学指标 99 4.4.1 热阻99 4.4.2 LED 的储存环境温度与工作温度101 4.4.3 其他相关指标102 4.5 本章小结103 第 5 章 与 LED 应用有关的技术问题105 5.1 LED 的驱动方式 106 5.1.1 LED 的恒定电流源驱动 106 5.1.2 LED 的恒定电压源驱动 107 5.1.3 综合控制驱动108 5.2 LED 的太阳能驱动110 5.2.1 太阳能电池 111 5.2.2 太阳能电池供电111 5.3 LED 的散热技术
16、 112 5.3.1 LED 的散热问题112 5.3.2 LED 的散热技术113 5.4 LED 的二次光学设计 115 5.4.1 LED 光学设计的基本光学元件115 5.4.2 LED 系统的光学设计119 5.5 LED 的防静电控制121 5.5.1 静电的概念 121 5.5.2 静电的产生 121 IX 5.5.3 带电电位与体电阻率123 5.5.4 生产环境 124 5.5.5 器件失效的原因124 5.5.6 防静电措施 125 5.6 合理选用 LED 器件127 5.7 本章小结128 第 6 章 LED 的应用 131 6.1 大功率 LED 在路灯照明中的应用132 6.1.1 城市路灯照明132 6.1.2 太阳能照明 133 6.1.3 风光互补功率 LED 智能化路灯133 6.2 LED 显示屏 135 6.2.1 LED 显示屏的大量应用 135 6.2.2 LED 显示屏的制造技术 136 6.3 LED 应用于汽车照明 138 6.3.1 车用 LED 的特点138 6.3.2 车用 LED 的供电电源138 6.3.3 车用 LED 实例
