LED发展简史

 

早在半个世纪前，人们就已认识到半导体材料能发出光。1962年，通用电气公司的尼克·何伦亚克（Nick Holonyak Jr.）成功研发了首个实际应用中的可见光发光二极管。LED，即发光二极管，是一种将电能转换为光能的半导体器件。其基本构造包括一块电致发光的半导体材料，封装在带有引线的支架中，并用环氧树脂封闭，形成固态封装，从而提供良好的抗震性能。

 

最初，LED主要用作仪器指示灯。随着技术进步，LED在交通信号灯和大面积显示屏等领域得到广泛应用，带来了显著的经济和社会效益。例如，12英寸的红色交通信号灯，传统上使用140瓦的白炽灯，经过红色滤光片后，光效损失90%。而新型设计中，使用18个红色LED作为光源，总功耗仅为14瓦，却能达到相同的光效。汽车信号灯也是LED应用的重要领域。

 

LED芯片原理

 

LED是一种固态半导体器件，能够将电能直接转换为光能。其核心是一个半导体晶片，一端连接负极，另一端连接正极，整个晶片被环氧树脂封装。半导体晶片由P型和N型半导体组成，P型半导体中空穴占主导地位，而N型半导体中电子占主导地位。当电流通过时，电子被推向P区，与空穴复合并发射光子，从而产生光。光的颜色取决于P-N结材料的波长。

 

1.发光原理

 

 

 

 

2.芯片内部结构图

 

 

 

芯片的分类

 

1. MB芯片：

 

定义：金属粘着芯片，属于UEC专利产品。

 

特点：使用高散热系数的硅作为衬底，散热效果好。通过金属层接合磊晶层和衬底，反射光子，减少吸收。导电的硅衬底取代GaAs衬底，热传导能力更强。底部金属反射层有助于提升光度和散热。尺寸可加大，适用于高功率领域。

 

2. GB芯片：

 

定义：粘着结合芯片，属于UEC专利产品。

 

特点：透明蓝宝石衬底，出光功率高。芯片四面发光，图案效果出色。亮度高，但耐高电流稍差。

 

3. TS芯片：

 

定义：透明结构芯片，属于HP专利产品。

 

特点：工艺复杂，可靠性高。透明GaP衬底，亮度高。

 

4. AS芯片：

 

定义：吸收结构芯片，台湾LED光电业界开发成熟。

 

特点：四元芯片，亮度高。可靠性优良，应用广泛。

 

材料磊晶种类

 

1. LPE：液相磊晶法，用于GaP/GaP。

 

2. VPE：气相磊晶法，用于GaAsP/GaAs。

 

3. MOVPE：有机金属气相磊晶法，用于AlGaInP、GaN。

 

4. SH：单异型结构GaAlAs/GaAs。

 

5. DH：双异型结构GaAlAs/GaAs。

 

6. DDH：双异型结构GaAlAs/GaAlAs。

 

组成及发光

 

1. LED晶片的组成：主要有砷(AS)、铝(AL)、镓(Ga)、铟(IN)、磷(P)、氮(N)、锶(Si)等元素组成。

 

2. LED晶片的分类：

 

按发光亮度分：一般亮度（如R、H、G、Y、E等）、高亮度（如VG、VY、SR等）、超高亮度（如UG、UY、UR、UYS、URF、UE等）、不可见光（如红外线R、SIR、VIR、HIR）、红外线接收管（如PT）、光电管（如PD）。

 

按组成元素分：二元晶片（如磷、镓，如H、G等）、三元晶片（如磷、镓、砷，如SR、HR、UR等）、四元晶片（如磷、铝、镓、铟，如SRF、HRF、URF、VY、HY、UY、UYS、UE、HE、UG）。

 

汽车LED必须通过的车规级AEC-Q102测试

 

由福特、克莱斯勒、通用组成的汽车电子（AEC）颁布了光电器件的可靠性标准AEC-Q102，覆盖了LED、激光组件、光电二极管、光电晶体管等分立器件，共分28个大项，对光电器件的可靠性展开了严格的测试要求，为主机厂提供了可靠性高、使用寿命长的光电器件。LED汽车照明中使用的LED发光器件要求达到车规级，要求光效高、耐温好，同时对LED芯片的稳定性和一致性要求极高。

 

通过AEC-Q102认证对企业是一个漫长的过程，要求一款产品从设计研发之初就需要对标这个测量标准，反复进行试验，及时发现并改进产品缺陷，才能使得量产成品能够顺利通过AEC-Q102的认证。

 

AEC-Q102测试认证适用产品

 

LED、激光组件、激光元件、光电二极管、光电晶体管、发光二极管、光导管、光电池、光电三极管、热敏电阳、温差发电器、温差电致冷器。光敏电阻、红外光源、光电耦合器、发光数字管、使用光电功能和其他组件(例如带集成电路的LED、带光电二极管的激光组件.光耦)的多芯片模块。

 

LED需要通过的AEC-Q102测试项目

 

1.静电防护试验(ESD)：LED组件在静电防护能力上较一般IC类来得低，目前组件厂除非增加Zener Diode，否则多数无法保证ESD等级，然多以HBM>2KV与MM>1KV为挑战目标。

 

2.湿度敏感性等级区分试验(MSL)：LED车用规范已要求需进行此测试，然对于表面黏着型(SMD)组件来说，此试验有助于了解产品耐湿等级，方便作为产线管理之用。

 

3.热阻(th)与Tj估算：LED产品对热的敏感性很高，而且随着环境的增加，衰减速度也会加快，因此必须采取有效的散热措施。通过热阻量测，可以帮助客户找到合适的散热方式，或选择合适的材料，以延长寿命。

 

4.产品点亮寿命试验：透过各种不同之电流、温度、湿度等的组合模式进行，包括美国能源之星DoE EnergyStar LM-80之验证服务。

 

5.寿命预估：典型的点亮试验，藉由计算产品之活化能(Activation Energy)，以获得更为正确的寿命预估值。

 

6.脉冲试验：一种快速而严格的实验方式，最真实地模拟实际使用情况，可配合高温或低温环境贮存，也可用于温度循环试验，是最严格的加速模拟。

 

7.环境应力试验：典型的应力试验为温度循环试验与温湿度循环试验，前者主要是利用材料的热膨胀不匹配特性以使组件构装后的结构风险得以显现，后者则是透过呼吸效应以显现产品的质量问题。

 

8.机械应力试验：组装后的推拉力、震动、冲击等模式，应根据使用目的和环境条件进行规划，以突出产品瑕疵。

 

9.腐蚀性气体试验：腐蚀性气体的来源有两种：盐雾和酸性气体。由于受到空气污染的影响，空气中的酸性气体与水分结合后产生的液体，对LED材料来说是极其严苛的，不仅会导致内部光反射急剧下降，还可能导致外部老化，影响颜色等问题。

 

10.防水防尘试验：终端产品在防水、防尘等方面要求极高，特别是在户外使用时，必须进行更严格的检测，以确保产品结构稳定可靠。

 

11.其它试验：其它常用试验尚包括了产品早夭筛选技术、焊锡性(Solderability)、压力锅(PCT)、耐热试验(Heat Resistance)等。

 

12.光学分析：提供可控温之积分球系统(50cm与100cm)与MCD量测，可量测出LED产品之色温、光通量、光强度、色坐标、演色性、波长等，协助解决客户测试过程中的量测需求，以做为各种验证判定结果的依据，提高实验效率与正确率。

来源：Internet

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