LED發(fā)光二極管的多種形式封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)
在LED產(chǎn)業(yè)鏈接中,上游是LED襯底晶片及襯底生產(chǎn),中游的產(chǎn)業(yè)化為LED芯片設(shè)計及制造生產(chǎn),下游歸LED封裝與測試,研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學(xué)特性、高可靠的封裝技術(shù)是新型LED走向?qū)嵱?、走向市場的產(chǎn)業(yè)化必經(jīng)之路,從某種意義上講是鏈接產(chǎn)業(yè)與市場的紐帶,只有封裝好的才能成為終端產(chǎn)品,才能投入實際應(yīng)用,才能為顧客提供服務(wù),使產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣,無縫暢通。
LED封裝的特殊性
LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的,但卻有很大的特殊性。一般情況下,分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi),封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號,保護管芯正常工作,輸出:可見光的功能,既有電參數(shù),又有光參數(shù)的設(shè)計及技術(shù)要求,無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。
LED的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯,當(dāng)注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時,就會發(fā)出可見光,紫外光或近紅外光。但pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的,即向各個方向發(fā)射有相同的幾率,因此,并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來,這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料,應(yīng)用要求提高LED的內(nèi)、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上,管芯的正極通過球形接觸點與金絲,鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連,負(fù)極通過反射杯和引線架的另一管腳相連,然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光,向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀,有這樣幾種作用:保護管芯等不受外界侵蝕;采用不同的形狀和材料性質(zhì)(摻或不摻散色劑),起透鏡或漫射透鏡功能,控制光的發(fā)散角;管芯折射率與空氣折射率相關(guān)太大,致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小,其有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收,易發(fā)生全反射導(dǎo)致過多光損失,選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹脂作過渡,提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性,絕緣性,機械強度,對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料,封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的,發(fā)光強度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹脂透鏡,可使光集中到LED的軸線方向,相應(yīng)的視角較?。蝗绻敳康臉渲哥R為圓形或平面型,其相應(yīng)視角將增大。
一般情況下,LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃,光譜寬度隨之增加,影響顏色鮮艷度。另外,當(dāng)正向電流流經(jīng)pn結(jié),發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升,在室溫附近,溫度每升高1℃,LED的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1%左右,封裝散熱;時保持色純度與發(fā)光強度非常重要,以往多采用減少其驅(qū)動電流的辦法,降低結(jié)溫,多數(shù)LED的驅(qū)動電流限制在20mA左右。但是,LED的光輸出會隨電流的增大而增加,目前,很多功率型LED的驅(qū)動電流可以達(dá)到70mA、100mA甚至1A級,需要改進封裝結(jié)構(gòu),全新的LED封裝設(shè)計理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù),改善熱特性。例如,采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu),選用導(dǎo)熱性能好的銀膠,增大金屬支架的表面積,焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外,在應(yīng)用設(shè)計中,PCB線路板等的熱設(shè)計、導(dǎo)熱性能也十分重要。
進入21世紀(jì)后,LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新,紅、橙LED光效已達(dá)到100Im/W,綠LED為501m/W,單只LED的光通量也達(dá)到數(shù)十Im。LED芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計理念與制造生產(chǎn)模式,在增加芯片的光輸出方面,研發(fā)不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量,晶格缺陷和位錯來提高內(nèi)部效率,同時,如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu),增強LED內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率,提高光效,解決散熱,取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計,改進光學(xué)性能,加速表面貼裝化SMD進程更是產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的主流方向。
產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)類型
自上世紀(jì)九十年代以來,LED芯片及材料制作技術(shù)的研發(fā)取得多項突破,透明襯底梯形結(jié)構(gòu)、紋理表面結(jié)構(gòu)、芯片倒裝結(jié)構(gòu),商品化的超高亮度(1cd以上)紅、橙、黃、綠、藍(lán)的LED產(chǎn)品相繼問市,如表1所示,2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應(yīng)用。LED的上、中游產(chǎn)業(yè)受到前所未有的重視,進一步推動下游的封裝技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展,采用不同封裝結(jié)構(gòu)形式與尺寸,不同發(fā)光顏色的管芯及其雙色、或三色組合方式,可生產(chǎn)出多種系列,品種、規(guī)格的產(chǎn)品。
LED產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)的類型如表2所示,也有根據(jù)發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等情況特征來分類的。單個管芯一般構(gòu)成點光源,多個管芯組裝一般可構(gòu)成面光源和線光源,作信息、狀態(tài)指示及顯示用,發(fā)光顯示器也是用多個管芯,通過管芯的適當(dāng)連接(包括串聯(lián)和并聯(lián))與合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)組合而成的,構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點。表面貼裝LED可逐漸替代引腳式LED,應(yīng)用設(shè)計更靈活,已在LED顯示市場中占有一定的份額,有加速發(fā)展趨勢。固體照明光源有部分產(chǎn)品上市,成為今后LED的中、長期發(fā)展方向。
引腳式封裝
LED腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳,是最先研發(fā)成功投放市場的封裝結(jié)構(gòu),品種數(shù)量繁多,技術(shù)成熟度較高,封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進。標(biāo)準(zhǔn)LED被大多數(shù)客戶認(rèn)為是目前顯示行業(yè)中最方便、最經(jīng)濟的解決方案,典型的傳統(tǒng)LED安置在能承受0.1W輸入功率的包封內(nèi),其90%的熱量是由負(fù)極的引腳架散發(fā)至PCB板,再散發(fā)到空氣中,如何降低工作時pn結(jié)的溫升是封裝與應(yīng)用必須考慮的。包封材料多采用高溫固化環(huán)氧樹脂,其光性能優(yōu)良,工藝適應(yīng)性好,產(chǎn)品可靠性高,可做成有色透明或無色透明和有色散射或無色散射的透鏡封裝,不同的透鏡形狀構(gòu)成多種外形及尺寸,例如,圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等數(shù)種,環(huán)氧樹脂的不同組份可產(chǎn)生不同的發(fā)光效果?;ㄉc光源有多種不同的封裝結(jié)構(gòu):陶瓷底座環(huán)氧樹脂封裝具有較好的工作溫度性能,引腳可彎曲成所需形狀,體積??;金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節(jié)能指示燈,適作電源指示用;閃爍式將CMOS振蕩電路芯片與LED管芯組合封裝,可自行產(chǎn)生較強視覺沖擊的閃爍光;雙色型由兩種不同發(fā)光顏色的管芯組成,封裝在同一環(huán)氧樹脂透鏡中,除雙色外還可獲得第三種的混合色,在大屏幕顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛,并可封裝組成雙色顯示器件;電壓型將恒流源芯片與LED管芯組合封裝,可直接替代5—24V的各種電壓指示燈。面光源是多個LED管芯粘結(jié)在微型PCB板的規(guī)定位置上,采用塑料反射框罩并灌封環(huán)氧樹脂而形成,PCB板的不同設(shè)計確定外引線排列和連接方式
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