ＬＥＤ護欄燈(LED數碼管）二極管封裝結構及技術
來源： 作者： 時間：2012-08-24 瀏覽次數：
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ＬＥＤ二極管是一種可直接將電能轉化為可見光和輻射能的發(fā)光器件，由于具有工作電壓低、耗電量小、發(fā)光效率高、發(fā)光響應時間極短、光色純、結構牢固、抗沖擊、耐振動、性能穩(wěn)定可靠、重量輕、體積小、成本低等一系列特性，其發(fā)展突飛猛進，現已能批量生產整個可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產品。國產紅、綠、橙、黃的ＬＥＤ產量約占世界總量的１２％，“十五”期間的產業(yè)目標是達到年產３００億只的生產水平，實現超高亮度ＡｉＧｓｌｎＰ的ＬＥＤ外延片和芯片的大批量生產，年產１０億只以上紅、橙、黃超高亮度ＬＥＤ管芯，突破ＧａＮ材料的關鍵技術，實現藍、綠、白ＬＥＤ的中批量生產。
在ＬＥＤ產業(yè)鏈接中，上游是ＬＥＤ襯底晶片及襯底生產，中游的產業(yè)化為ＬＥＤ芯片設計及制造生產，下游歸ＬＥＤ封裝與測試，研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學特性、高可靠的封裝技術是新型ＬＥＤ走向實用、走向市場，實現產業(yè)化的必經之路，從某種意義上講是連接產業(yè)與市場的紐帶，只有封裝好的LED才能成為終端產品，才能投入市場實際應用，才能為顧客提供服務，使產業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣，無縫暢通。
２、ＬＥＤ封裝的特殊性
ＬＥＤ封裝技術大都是從分立器件封裝技術基礎上發(fā)展而來的，但也有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內，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，又有光參數的設計及技術要求，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型半導體構成的ｐｎ結管芯，當注入ｐｎ結的少數載流子與多數載流子復合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但ｐｎ結區(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，并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，應用要求提高ＬＥＤ的內、外部量子效率。常規(guī)Φ５ｍｍ型ＬＥＤ封裝是將邊長為０．２５ｍｍ的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲鍵合為內引線并與一條管腳相連，負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面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內發(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（摻或不摻散色劑），有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太大，致使管芯內部的全反射臨界角較小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分留在管芯內部經多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射從而導致過多光損失，應選用相應折射率的環(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較高。選擇不同折射率的封裝材料和不同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構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到ＬＥＤ的軸線方向，相應的視角較小；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。
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，當正向電流流經ｐｎ結，發(fā)熱性損耗使結區(qū)產生溫升，在室溫附近，溫度每升高１℃，ＬＥＤ的發(fā)光強度會相應地減少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動電流的辦法，降低結溫，多數ＬＥＤ的驅動電流限制在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的驅動電流可以達到７０ｍＡ、１００ｍＡ甚至１Ａ級，這就需要改進封裝結構，采用全新的ＬＥＤ封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術、改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，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，在應用設計中，ＰＣＢ線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。
進入２１世紀后，ＬＥＤ的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙ＬＥＤ光效已達到１００l(fā)ｍ/Ｗ，綠ＬＥＤ為５０１ｍ/Ｗ，單只ＬＥＤ的光通量也達到數十lm。ＬＥＤ芯片和封裝不再沿襲傳統(tǒng)的設計理念與制造生產模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內雜質數量、晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強ＬＥＤ內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化ＳＭＤ進程更是產業(yè)界研發(fā)的主流方向。
３、產品封裝結構類型
自上世紀90年代以來，ＬＥＤ芯片及材料制作技術的研發(fā)取得多項突破，透明襯底梯形結構、紋理表面結構、芯片倒裝結構，商品化的超高亮度（１ｃｄ以上）紅、橙、黃、綠、藍的ＬＥＤ產品相繼問市，２０００年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應用。ＬＥＤ的上、中游產業(yè)受到前所未有的重視，進一步推動下游的封裝技術及產業(yè)發(fā)展，采用不同封裝結構形式與尺寸、不同發(fā)光顏色的管芯及其雙色或三色組合方式，可生產出多種系列、品種、規(guī)格的產品。
ＬＥＤ產品封裝結構的類型是根據發(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。單個管芯一般構成點光源，多個管芯組裝一般可構成面光源和線光源，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，通過管芯的適當連接（包括串聯和并聯）與合適的光學結構組合而成的，構成發(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，應用設計更靈活，已在ＬＥＤ顯示市場中占有一定的份額，有加速發(fā)展的趨勢。固體照明光源有部分產品上市，成為今后ＬＥＤ中、長期發(fā)展的方向。
４、引腳式封裝
ＬＥＤ引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構，品種數量繁多，技術成熟度較高，封裝內結構與反射層仍在不斷改進。標準ＬＥＤ被大多數客戶認為是目前顯示行業(yè)中最方便、最經濟的解決方案，典型的傳統(tǒng)ＬＥＤ安置在能承受０．１Ｗ輸入功率的包封內，其９０％的熱量是由負極的引腳架散發(fā)至ＰＣＢ板，再散發(fā)到空氣中，如何降低工作時ｐｎ結的溫升是封裝與應用必須考慮的。包封材料多采用高溫固化環(huán)氧樹脂，其光性能優(yōu)良，工藝適應性好，產品可靠性高，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等數種，環(huán)氧樹脂的不同組份可產生不同的發(fā)光效果?；ㄉc光源有多種不同的封裝結構：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?。唤饘俚鬃芰戏瓷湔质椒庋b是一種節(jié)能指示燈，適合作電源指示用；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板的不同設計確定外引線排列和連接方式，有雙列直插與單列直插等結構形式。點、面光源現已開發(fā)出數百種封裝外形及尺寸，供市場及客戶選用。
ＬＥＤ發(fā)光顯示器可由數碼管或米字管、符號管、矩陳管組成各種多位產品，由實際需求設計成各種形狀與結構。以數碼管為例，有反射罩式、單片集成式、單條七段式等三種封裝結構，連接方式有共陽極和共陰極兩種，一種就是通常說的數碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。反射罩式具有字型大，用料省，組裝靈活的混合封裝特點，一般用白色塑料制作成帶反射腔的七段形外殼，將單個ＬＥＤ管芯粘結在與反射罩的七個反射腔互相對位的ＰＣＢ板上，每個反射腔底部的中心位置是管芯形成的發(fā)光區(qū)，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內滴入環(huán)氧樹脂，與粘好管芯的ＰＣＢ板對位粘合，然后固化即成。反射罩式又分為空封和實封兩種，前者采用散射劑與染料的環(huán)氧樹脂，多用于單位、雙位器件；后者上蓋濾色片與勻光膜，并在管芯與底板上涂透明絕緣膠，提高出光效率，一般用于四位以上的數字顯示。單片集成式是在發(fā)光材料晶片上制作大量七段數碼顯示器圖形管芯，然后劃片分割成單片圖形管芯，粘結、壓焊、封裝帶透鏡（俗稱“魚眼”透鏡）的外殼。單條七段式將已制作好的大面積ＬＥＤ芯片，劃割成內含一只或多只管芯的發(fā)光條，如此同樣的七條粘結在數碼字形的可伐架上，經壓焊、環(huán)氧樹脂封裝構成。單片式、單條式的特點是微小型化，可采用雙列直插式封裝，大多是專用產品。ＬＥＤ光柱顯示器在１０６ｍｍ長度的線路板上，安置１０１只管芯（最多可達２０１只管芯），屬于高密度封裝，利用光學的折射原理，使點光源通過透明罩殼的１３~１５條光柵成像，完成每只管芯由點到線的顯示，封裝技術較為復雜。
半導體ｐｎ結的電致發(fā)光機理決定ＬＥＤ不可能產生具有連續(xù)光譜的白光，同時單只ＬＥＤ也不可能產生兩種以上的高亮度單色光，只能在封裝時借助熒光物質，藍或紫外ＬＥＤ管芯上涂敷熒光粉，間接產生寬帶光譜，合成白光；或采用幾種（兩種或三種、多種）發(fā)不同色光的管芯封裝在一個組件外殼內，通過色光的混合構成白光ＬＥＤ。這兩種方法都取得實用化，日本２０００年生產白光ＬＥＤ達１億只，發(fā)展成一類穩(wěn)定的發(fā)白光的產品，并將多只白光ＬＥＤ設計組裝成對光通量要求不高，以局部裝飾作用為主，追求新潮的電光源。
５、表面貼裝封裝
在２００２年，表面貼裝封裝的ＬＥＤ（ＳＭＤ?。蹋牛模┲饾u被市場所接受，并獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向ＳＭＤ符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢，很多生產廠商相繼推出此類產品?！?br />
早期的ＳＭＤ?。蹋牛拇蠖嗖捎脦该魉芰象w的ＳＯＴ－２３改進型，外形尺寸３．０４×１．１１ｍｍ，卷盤式容器編帶包裝。在ＳＯＴ－２３基礎上，研發(fā)出帶透鏡的高亮度ＳＭＤ的ＳＬＭ－１２５系列、ＳＬＭ－２４５系列ＬＥＤ，前者為單色發(fā)光，后者為雙色或三色發(fā)光。近些年，ＳＭＤ?。蹋牛某蔀橐粋€發(fā)展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，采用更輕的ＰＣＢ板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產品重量減輕一半，最終使應用更趨完美，尤其適合戶內，半戶外全彩顯示屏應用。
焊盤是SMD LED散熱的重要渠道，廠商提供的ＳＭＤ?。蹋牛牡臄祿际且裕矗癿m×４．０ｍｍ的焊盤為基礎，采用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。超高亮度ＬＥＤ產品可采用ＰＬＣＣ（塑封帶引線片式載體）－２封裝，外形尺寸為３．０mm×２．８ｍｍ，通過獨特方法裝配高亮度管芯，產品熱阻為４００℃/Ｗ，可按ＣＥＣＣ方式焊接，其發(fā)光強度在５０ｍＡ驅動電流下達１２５０ｍｃｄ。七段式的一位、兩位、三位和四位數碼ＳＭＤ?。蹋牛娘@示器件的字符高度為５．０８~１２．７ｍｍ，顯示尺寸選擇范圍寬。ＰＬＣＣ封裝避免了引腳七段數碼顯示器所需的手工插入與引腳對齊工序，符合自動拾取—貼裝設備的生產要求，應用設計空間靈活，顯示鮮艷清晰。多色ＰＬＣＣ封裝帶有一個外部反射器，可簡便地與發(fā)光管或光導相結合，用反射型替代目前的透射型光學設計，為大范圍區(qū)域提供統(tǒng)一的照明，研發(fā)在３．５Ｖ、１Ａ驅動條件下工作的功率型ＳＭＤ ＬＥＤ封裝提供有利條件。
６、功率型封裝
ＬＥＤ芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產生比Φ５ｍｍＬＥＤ大１０~２０倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關鍵技術，能承受數瓦功率的ＬＥＤ封裝已出現。５Ｗ系列白、綠、藍綠、藍的功率型ＬＥＤ從２００３年初開始供貨，白光ＬＥＤ光輸出達１８７１ｍ，光效４４．３１ｍ/Ｗ，就光衰問題，開發(fā)出可承受１０Ｗ功率的ＬＥＤ大面積管；其尺寸為２．５mm×２．５ｍｍ，可在５Ａ電流下工作，光輸出達２００１ｍ，作為固體照明光源有很大發(fā)展空間。
Ｌｕｘｅｏｎ系列功率ＬＥＤ是將Ａ１ＧａｌｎＮ功率型倒裝管芯，倒裝焊接在具有焊料凸點的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進行封裝。這種封裝對于取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點：熱阻低，一般僅為１４℃/Ｗ，只有常規(guī)ＬＥＤ的１/１０；可靠性高，封裝內部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在－４０~１２０℃范圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與引線框架斷開，并防止環(huán)氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會因氧化而玷污；反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控和光學效率最高。另外，其輸出光功率、外量子效率等性能優(yōu)異，將ＬＥＤ固體光源發(fā)展到一個嶄新水平。
Ｎｏｒｌｕｘ系列功率ＬＥＤ的封裝結構為六角形鋁板做底座（使其不導電）的多芯片組合，底座直徑３１．７５ｍｍ，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，直徑約０．３７５×２５．４ｍｍ，可容納４０只ＬＥＤ管芯，鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上制作的兩個接觸點與正、負極連接，根據所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數目，可組合封裝的超高亮度的ＡｌＧａＩｎＮ和ＡｌＧａＩｎＰ管芯，其發(fā)射光分別為單色、彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光學設計形狀進行包封。這種封裝采用常規(guī)管芯高密度組合封裝，其光效率高、熱阻低，能較好地保護管芯與鍵合引線，在大電流下有較高的光輸出功率，也是一種有發(fā)展前景的ＬＥＤ固體光源。
在應用中，可將已封裝產品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯ＰＣＢ板上，形成功率密度ＬＥＤ，ＰＣＢ板作為器件電極連接的布線之用，鋁芯夾層則可作熱沉使用，獲得較高的發(fā)光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的ＳＭＤ?。蹋牛捏w積很小，可靈活地組合起來，構成模塊型、導光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
功率型ＬＥＤ的熱特性直接影響到ＬＥＤ的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等，因此，對功率型ＬＥＤ芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要。
７、ＬＥＤ發(fā)展及應用前景
近幾年，ＬＥＤ的發(fā)光效率增長１００倍，成本下降到原來的十分之一，廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏、狀態(tài)指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源、汽車組合尾燈及車內照明等方面，其發(fā)展前景吸引全球照明大廠家先后加入其光源及市場開發(fā)中。極具發(fā)展與應用前景的是白光ＬＥＤ，用作固體照明器件的經濟性顯著，且有利環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界年增長率在２０％以上，中、美、日及歐洲部分國家均推出了半導體照明計劃。目前，普通白光ＬＥＤ發(fā)光效率２５lｍ/Ｗ。功率型ＬＥＤ優(yōu)異的散熱特性與光學特性更能適應普通照明領域，被學術界和產業(yè)界認為是ＬＥＤ進入照明市場的必由之路。為替代熒光燈，白光ＬＥＤ必須具有１５０~２００l(fā)ｍ/Ｗ的光效，且每lm價格應明顯低于０．０１５＄/lm（現價約０．２５＄/lm，紅ＬＥＤ為０．０６５＄/lm），要實現這一目標仍有很多技術問題需要解決，但克服這些問題并不是十分遙遠的事。按固體發(fā)光物理學原理，ＬＥＤ的發(fā)光效率能近似１００％，因此，ＬＥＤ被譽為“２１世紀的新光源”，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。
８、結束語
國內ＬＥＤ產業(yè)中有２０余家上、中游研制及生產單位和１５０余家封裝企業(yè)，高端封裝產品還未見推向市場。目前，完成ＧａＮ基藍綠光ＬＥＤ中游工藝技術產業(yè)化研究，力爭在短期內使產品的性能指標達到國外同時期同類產品的水平，力爭在較短時間內達到月產１０ｋｋ的生產能力，開發(fā)白光照明光源用的功率型ＬＥＤ芯片等新產品?？萍疾繉⑼度耄福埃埃叭f元資金，啟動國家半導體照明工程，注意終端產品，先從特種產品做起，以汽車、城市景觀照明作為市場突破口，把大功率、高亮度ＬＥＤ放在突出位置，它的成果將要服務于北京奧運會和上海世博會。無庸質疑，產業(yè)鏈中的襯底、外延、芯片、封裝、應用需共同發(fā)展，多方互動培植，封裝是產業(yè)鏈中承上啟下部分，需要關注與重視。
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