led封裝技術及結構

LED封裝的特殊性
　　LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發展與演變而來的，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，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，就會發出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結區發出的光子是非定向的，即向各個方向發射有相同的幾率，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Φ5mm型LED封裝是將邊長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，然后其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光，向期望的方向角內發射。頂部包封的環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)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發散角；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很小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收，易發生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發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，發熱性損耗使結區產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發光強度會相應地減少1％左右，封裝散熱；時保持色純度與發光強度非常重要，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，需要改進封裝結構，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、全色化不斷發展創新，紅、橙LED光效已達到100Im／W，綠LED為501m／W，單只LED的光通量也達到數十Im。LED芯片和封裝不再沿龔傳統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，取光和熱沉優化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。

產品封裝結構類型
　　自上世紀九十年代以來，LED芯片及材料制作技術的研發取得多項突破，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，如表1所示，2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應用。LED的上、中游產業受到前所未有的重視，進一步推動下游的封裝技術及產業發展，采用不同封裝結構形式與尺寸，不同發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、規格的產品。
　　LED產品封裝結構的類型如表2所示，也有根據發光顏色、芯片材料、發光亮度、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、狀態指示及顯示用，發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，構成發光顯示器的發光段和發光點。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，有加速發展趨勢。固體照明光源有部分產品上市，成為今后LED的中、長期發展方向。

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中最方便、最經濟的解決方案，典型的傳統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至PCB板，再散發到空氣中，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氧樹脂，其光性能優良，工藝適應性好，產品可*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，環氧樹脂的不同組份可產生不同的發光效果。花色點光源有多種不同的封裝結構：陶瓷底座環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，體積小；金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節能指示燈，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，可自行產生較強視覺沖擊的閃爍光；雙色型由兩種不同發光顏色的管芯組成，封裝在同一環氧樹脂透鏡中，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管芯粘嵩諼⑿蚉CB板的規定位置上，采用塑料反射框罩并灌封環氧樹脂而形成，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、面光源現已開發出數百種封裝外形及尺寸，供市場及客戶適用。
　　LED發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，一位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光區，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內滴人環氧樹脂，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結的電致發光機理決定LED不可能產生具有連續光譜的白光，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，發展成一類穩定地發白光的產品，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。

表面貼裝封裝
　　在2002年，表面貼裝封裝的LED(SMD LED)逐漸被市場所接受，并獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業發展大趨勢，很多生產廠商推出此類產品。
　　早期的SMD LED大多采用帶透明塑料體的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，前者為單色發光，后者為雙色或三色發光。近些年，SMD LED成為一個發展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可*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。
　　表3示出常見的SMD LED的幾種尺寸，以及根據尺寸(加上必要的間隙)計算出來的最佳觀視距離。焊盤是其散熱的重要渠道，廠商提供的SMD LED的數據都是以4．0×4．0mm的焊盤為基礎的，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3．0×2．8mm，通過獨特方法裝配高亮度管芯，產品熱阻為400K／W，可按CECC方式焊接，其發光強度在50mA驅動電流下達1250mcd。七段式的一位、兩位、三位和四位數碼SMD LED顯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，為大范圍區域提供統一的照明，研發在3．5V、1A驅動條件下工作的功率型SMD LED封裝。

6 功率型封裝
　　LED芯片及封裝向大功率方向發展，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W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綠光衰問題，開發出可承受10W功率的LED，大面積管；匕尺寸為2．5×2．5mm，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LED的1／10；可*性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，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異，將LED固體光源發展到一個新水平。
　　Norlux系列功率LED的封裝結構為六角形鋁板作底座(使其不導電)的多芯片組合，底座直徑31．75mm，發光區位于其中心部位，直徑約(0.375×25．4)mm，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。這種封裝采用常規管芯高密度組合封裝，取光效率高，熱阻低，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，獲得較高的發光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的SMD LED體積很小，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、發光效率、發光波長、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發展及應用前景
　　近幾年，LED的發光效率增長100倍，成本下降10倍，廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏，狀態指示、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等方面，其發展前景吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發中。極具發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，且有利環保，正逐步取代傳統的白熾燈，世界年增長率在20％以上，美、日、歐及中國***省均推出了半導體照明計劃。目前，普通白光LED發光效率251m／W，專家預計2005年可能超過3001m／W。功率型LED優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—2001m／W的光效，且每Im的價格應明顯低于0．015／Im(現價約0．25$／Im，紅LED為0．065／Im)，要實現這一目標仍有很多技術問題需要研究，但克服解決這些問題并不是十分遙遠的事。按固體發光物理學原理，LED的發光效率能近似100％，因此，LED被譽為21世紀新光源，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。