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LED芯片:從發(fā)展到應(yīng)用的全面剖析

金鑒實(shí)驗(yàn)室 ? 2025-07-01 11:58 ? 次閱讀
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發(fā)展脈絡(luò)

在 19 世紀(jì)初期,人類(lèi)就已發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線(xiàn)這一現(xiàn)象,為后續(xù) LED 的誕生奠定了基礎(chǔ)。1962 年,通用電氣公司的尼克?何倫亞克成功開(kāi)發(fā)出第一種可見(jiàn)光發(fā)光二極管,即首個(gè)紅光 LED,這標(biāo)志著 LED 技術(shù)的正式誕生。最初,LED 主要被用作儀器儀表的指示光源,其應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)有限。

然而,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,各種光色的 LED 逐漸出現(xiàn),應(yīng)用范圍也逐漸拓展到交通信號(hào)燈和大面積顯示屏等領(lǐng)域。1993 年,日亞化學(xué)的中村修二發(fā)明了藍(lán)光 LED,這一發(fā)明具有劃時(shí)代的意義。藍(lán)光 LED 與紅光、綠光 LED 結(jié)合,能夠產(chǎn)生白色的光,從而推動(dòng)了 LED 在照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。2014 年,中村修二等人憑借這一發(fā)明獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),這不僅是對(duì)他們?cè)?LED 領(lǐng)域所做貢獻(xiàn)的高度認(rèn)可,也進(jìn)一步提升了 LED 技術(shù)在全球范圍內(nèi)的知名度和影響力。

芯片原理


LED 是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件,其核心是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片。晶片的一端附在一個(gè)支架上,一端是負(fù)極,另一端連接電源的正極,整個(gè)晶片通常被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái),這種封裝方式有助于保護(hù)晶片免受外界環(huán)境的影響。半導(dǎo)體晶片由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體兩部分組成,形成一個(gè) “P-N 結(jié)”。

當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)作用于晶片時(shí),N 型半導(dǎo)體中的電子被推向 P 區(qū),在 P 區(qū)里電子與空穴復(fù)合,以光子的形式發(fā)出能量,從而產(chǎn)生光。光的波長(zhǎng)即光的顏色是由形成 P-N 結(jié)的材料決定的,不同的材料組合可以產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光,從而實(shí)現(xiàn)多種顏色的發(fā)光效果。

芯片分類(lèi)

從尺寸角度來(lái)看,LED 芯片可分為大尺寸芯片和小尺寸芯片,一般以 40mil 為界。大于等于 40mil 的為大尺寸芯片,這類(lèi)芯片通常具有更高的功率和亮度,因此主要用于高功率、高亮度的照明和顯示應(yīng)用,例如在大型戶(hù)外顯示屏、汽車(chē)大燈等對(duì)亮度要求極高的場(chǎng)景中發(fā)揮著重要作用。而小于 40mil 的為小尺寸芯片,它們適用于普通照明、顯示等領(lǐng)域,如常見(jiàn)的室內(nèi)照明燈具、小型電子設(shè)備的顯示屏等,這些場(chǎng)景對(duì)芯片的尺寸和功率要求相對(duì)較低,但對(duì)成本和集成度有更高的要求。

從功能和結(jié)構(gòu)劃分,常見(jiàn)的有 MB 芯片、GB 芯片、TS 芯片、AS 芯片等。以 MB 芯片為例,它采用高散熱系數(shù)的 Si 作為襯底,通過(guò)金屬層接合磊晶層和襯底,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有良好的散熱性能和光度提升效果,能夠有效應(yīng)對(duì)高驅(qū)動(dòng)電流工作時(shí)產(chǎn)生的熱量問(wèn)題,因此適用于高驅(qū)動(dòng)電流領(lǐng)域,如一些對(duì)電流承載能力要求較高的特殊照明或顯示設(shè)備。

AEC - Q102 認(rèn)證及測(cè)試項(xiàng)目


AEC - Q102 標(biāo)準(zhǔn)在汽車(chē)電子領(lǐng)域具有極其重要的地位,它適用于汽車(chē)電子所有內(nèi)外使用的分立光電半導(dǎo)體元器件。涵蓋的產(chǎn)品種類(lèi)豐富多樣,主要包括車(chē)用 LED、激光組件、激光元件、光電二極管、光電晶體管、發(fā)光二極管、光導(dǎo)管、光電池、光電三極管、熱敏電阻、溫差發(fā)電器、溫差電致冷器、光敏電阻紅外光源、光電耦合器、發(fā)光數(shù)字管,以及使用光電功能和其他組件的多芯片模塊等。這些產(chǎn)品在汽車(chē)的照明系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等多個(gè)關(guān)鍵部位都有廣泛應(yīng)用,其質(zhì)量和可靠性直接關(guān)系到汽車(chē)的安全性和性能表現(xiàn)。測(cè)試項(xiàng)目有:

預(yù)處理(A1):對(duì)產(chǎn)品施加高溫、高濕等應(yīng)力,模擬器件在實(shí)際使用過(guò)程中可能經(jīng)歷的環(huán)境條件,如汽車(chē)在高溫高濕的熱帶地區(qū)行駛時(shí)所面臨的環(huán)境挑戰(zhàn),從而評(píng)估其在長(zhǎng)期工作前的穩(wěn)定性和可靠性。

高溫高濕工作壽命(A2a、A2b):在高溫高濕環(huán)境下,對(duì) LED 和激光器件等施加工作電流或電壓,持續(xù)一定時(shí)間,測(cè)試其光電參數(shù)的變化。例如,觀(guān)察 LED 在這種惡劣環(huán)境下是否會(huì)出現(xiàn)亮度下降、色溫漂移等現(xiàn)象,以驗(yàn)證器件在惡劣環(huán)境下的工作壽命和穩(wěn)定性。金鑒實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)操作,確保每一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都精準(zhǔn)無(wú)誤地符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

高濕高溫反向偏壓(A2c):主要是針對(duì)光電二極管和光電晶體管等器件,在高濕高溫條件下施加反向偏壓,觀(guān)察器件是否出現(xiàn)漏電流增大、擊穿等異常現(xiàn)象。這對(duì)于評(píng)估其在高濕度環(huán)境中的可靠性至關(guān)重要,因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)漏電流過(guò)大或擊穿等問(wèn)題,可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)汽車(chē)電子系統(tǒng)的故障。

功率溫度循環(huán)(A3a):對(duì) LED 和激光器件等進(jìn)行功率溫度循環(huán)測(cè)試,即在一定的溫度范圍內(nèi),周期性地改變器件的工作功率和溫度。這種測(cè)試模擬器件在實(shí)際使用中因工作狀態(tài)變化而導(dǎo)致的溫度循環(huán),例如汽車(chē)在行駛過(guò)程中啟停、加速減速等操作引起的器件工作狀態(tài)變化,檢測(cè)其在溫度變化下的性能穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性。

高溫工作壽命(B1a、B1b):在高溫環(huán)境下,對(duì) LED 和激光器件施加工作電流,持續(xù)一定時(shí)間,考察器件在高溫下的光衰、波長(zhǎng)漂移等性能變化。這對(duì)于確定其在高溫條件下的工作壽命和可靠性非常關(guān)鍵,因?yàn)槠?chē)在高溫環(huán)境下行駛時(shí),如在炎熱的夏季長(zhǎng)時(shí)間行駛,車(chē)內(nèi)的電子器件會(huì)受到高溫的持續(xù)影響。

低溫工作壽命(B2):主要針對(duì)激光器件,將其放置在低溫環(huán)境中,施加工作電流,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作測(cè)試,以評(píng)估器件在低溫下的啟動(dòng)特性、光功率變化等性能指標(biāo)。這在汽車(chē)冬季低溫啟動(dòng)時(shí)尤為重要,確保激光器件能夠在低溫環(huán)境下正常工作,為汽車(chē)的照明和傳感器系統(tǒng)提供穩(wěn)定的光源。

脈沖壽命(B3):對(duì) LED 和激光器件施加脈沖電流或電壓,模擬器件在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的脈沖工作模式,通過(guò)多次脈沖循環(huán),檢測(cè)器件的損傷閾值和性能穩(wěn)定性。例如,汽車(chē)的轉(zhuǎn)向燈、剎車(chē)燈等通常是以脈沖形式工作,這項(xiàng)測(cè)試能夠確保這些器件在脈沖工作模式下不會(huì)因頻繁的電流或電壓變化而損壞。

物理尺寸(C2):使用顯微鏡、卡尺等工具測(cè)量光電器件的幾何尺寸,如芯片尺寸、引線(xiàn)間距、封裝尺寸等,確保其符合設(shè)計(jì)規(guī)格和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)于保證器件的可裝配性和兼容性至關(guān)重要,因?yàn)槠?chē)電子系統(tǒng)中各個(gè)部件之間的尺寸配合精度要求極高,任何尺寸偏差都可能導(dǎo)致裝配困難或無(wú)法正常工作。

引線(xiàn)拉力(C3):采用專(zhuān)用的拉力測(cè)試設(shè)備,對(duì)有金線(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品施加拉力,測(cè)量引線(xiàn)的拉力值,評(píng)估引線(xiàn)與芯片或封裝體之間的結(jié)合強(qiáng)度。這是為了防止引線(xiàn)在汽車(chē)行駛過(guò)程中因振動(dòng)等外力作用而出現(xiàn)斷裂或脫落,從而保證器件的電氣連接穩(wěn)定性。

芯片剪切力(C5):使用芯片剪切力測(cè)試儀,對(duì)有芯片的產(chǎn)品施加剪切力,測(cè)量芯片與襯底或封裝體之間的剪切強(qiáng)度,確保芯片安裝牢固,避免因芯片松動(dòng)而導(dǎo)致器件失效。這對(duì)于汽車(chē)電子器件在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要,因?yàn)橐坏┬酒蓜?dòng),可能會(huì)導(dǎo)致器件性能下降甚至完全失效。

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