LED的封装毕业设计文档格式.docx
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LED具有工作电压低、耗电量小、发光效率高、发光响应时间极短、光色纯、光效高、聚光好、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小、成本低、寿命长等一系列特性,是一种环保、节能、高效的新型发光材料。
LED衬底晶片及衬底生产是LED产业链中的上游产业,LED芯片设计及制造生产是LED产业链中的中游产业,LED封装与测试是LED产业链中的下游产业。
研发低热阻、优异光学特性、高可靠性的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必由之路。
LED技术发展突飞猛进,现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品,LED光源的使用越来越普遍。
2LED封装的特殊性
LED既有电参数又有光参数的设计及技术要求,决定了LED封装技术的特殊性。
LED的封装必须具有完成电气互连、保护管芯正常工作及输出可见光的双重功能。
2.1LED的光电特性及封装要求
LED的核心发光部分是P型和N型半导体构成的PN结管芯,当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时,就会发出可见光。
但PN结区发出的光子是非定向的,即向各个方向发射具有相同的几率,因此,并不是管芯产生的所有光都可以释放出来。
光释放主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装部结构与包封材料等几个方面,应用中要求提高LED的、外部量子效率,提高光输出量,封装技术是不可或缺的环节,封装部结构与包封材料必须做到尽可能多的光输出。
LED常采用环氧树脂和软性硅胶封装,小功率LED多采用环氧树脂封装,大功率LED多采用软性硅胶封装。
常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上,管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为引线,与一条管脚相连,
负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连,然后其顶部用环氧树脂包封。
反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光,向期望的方向角发射。
顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用:
(1)保护管芯等不受外界侵蚀;
(2)采用不同的形状和材料(掺或不掺散色剂),起透镜或漫射透镜功能,控制光的发散角;
(3)管芯折射率与空气折射率相关太大,致使管芯部的全反射临界角很小,其由源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯部经多次反射而被吸收,易发生全反射导致过多光损失,选用相应折射率的环氧树脂作过渡,提高管芯的光出射效率。
用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性、绝缘性、足够的机械强度、对管芯发出光的折射率和透射率高等性能。
选择不同折射率的封装材料,封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的,发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。
若采用尖形树脂透镜,可使光集中到LED的轴线方向,相应的视角较小;
如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型,其相应视角将增大。
2.2LED的热电特性及封装要求
LED的工作电压较低,一般为1.5V~4V,白光LED的工作电压一般为3V~4V,工作电流一般为MA级,直流供电,控制方便,光效高,常被称为冷光源。
但LED在工作时,其PN结仍产生一定的热量,使得PN结的工作温度升高。
PN结的工作温度越高,发光效率越低,LED寿命越短,同时还会影响颜色的鲜艳度,这就是光衰现象。
一般情况下,当正向电流流经PN结,发热性损耗使结区产生温升,在室温附近,温度每升高1℃,LED的发光强度会相应地减少1%左右,另外,LED的发光波长随温度变化为0.2~0.3nm/℃,光谱宽度随之增加,影响颜色鲜艳度。
LED可以在-40°
C~85°
C的环境中工作,一般发光效率最好的环境温度是-40°
C~40°
C,超出此围发光效率将大幅降低。
封装散热对保持色纯度与发光强度非常重要,散热设计是LED能否成功应用的关键技术,LED封装时必须充分重视,以保证PN结的温度不超过允许温度。
以往多采用减少其驱动电流的办法,降低结温,多数LED的驱动电流限制在20mA左右,主要适合小功率LED产品。
但是,LED的光输出会随电流的增大而增加,减少其驱动电流势必造成光输出的减少,这在功率型LED的生产中是行不通的,因为目前很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级。
这就需要改进封装结构,引入全新的LED封装设计理念和
低热阻封装结构及技术,改善LED的热特性。
3产品封装结构类型
自上世纪九十年代以来,LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破,各种颜色、各种亮度和封装结构的高性能LED产品相继问市,不管封装结构如何变换,LED封装的最终目标是实现微型化、应用简单、寿命长、价格低等目标。
其中,如何消除LED工作中产生的热,提高LED的性能和寿命是各个厂家着力解决也很难完善解决的难题。
采用不同封装结构形式与尺寸、不同发光颜色的管芯以及其双色、或三色组合方式,可生产出多种系列、品种和规格的产品。
根据封装结构、发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等特征,LED产品有多种分类方法,从LED产品的封装结构来看,主要有引脚式封装、表面贴装封装、功率型封装三种类型。
目前LED产品有单管芯封装、多管芯封装以及与驱动电路共同封装等多种形式,单个管芯一般构成点光源,多个管芯组装一般可构成面光源和线光源,实际应用中,可以把多个LED产品进行适当的组合,用作信息、状态指示及显示用。
例如,发光显示器产品也是用多个管芯,通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的,构成发光显示器的发光段和发光点。
作为固体照明光源是LED的中、长期发展方向,目前已有很多LED照明产品上市。
3.1引脚式封装
LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的封装结构,技术成熟度较高,品种繁多,配套材料和设备齐全,价格低廉,使用简单,并且封装结构与反射层仍在不断改进,目前被广泛应用。
典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封,其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板,再散发到空气中,如何降低工作时PN结的温升是封装与应用必须考虑的。
包封材料多采用高温固化环氧树脂,其光性能优良,工艺适应性好,产品可靠性高,可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装,不同的透镜形状构成多种外形及尺寸,环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。
引脚式封装LED有点光源、面光源以及LED发光显示器等产品,外引线排列和连接方式有双列直插与单列直插等结构形式。
点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸,供市场及客户选用,实际应用中,用户也可以根据实际需要采用点光源或面光源进行组合。
例如,可以用大量的单个LED管组合成点阵结构式大屏幕显示器。
但是这种封装形式存在致命缺陷,首先,体积较大,不适合器件的微型化发展;
其次,环氧树脂固化后材质脆而硬,与金线、芯片等热膨胀系数不匹配,不能将热量顺利、有效地传输到外界,而且环氧树脂还容易产生紫外老化,LED芯片会因温度过高造成发光的严重衰减。
这种封装形式的光输出很难得到大幅度提升,无法成为今后发展的趋势。
目前,工作电流小于50mA的小功率LED多采用这种封装形式。
3.2表面贴装封装
为了增加光输出,进一步将产品微型化,科技人员成功开发了表面贴装封装技术(SMD)。
SMDLED普遍采用更轻的PCB板和反射层材料,在显示反射层需要填充的环氧树脂更少,并去除较重的碳钢材料引脚,通过缩小尺寸,降低重量,可轻易地将产品重量减轻一半。
表面贴装封装的LED(SMDLED)额定电流一般大于50mA(目前,LED额定电流达到1000mA以上),功率较大,可以单只使用。
目前,SMDLED成为一个发展热点,各种新工艺和新材料不断被使用,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,SMDLED的性能越来越优良,SMDLED已被大量使用,尤其适合户、户外全彩显示屏应用。
SMDLED替代引脚式LED,应用设计更灵活,从引脚式封装转向SMD是整个电子行业发展的大趋势。
表面贴装工艺的突破,使超高亮度LED产品成为现实,其发光强度在50mA驱动电流下达1250mcd,热阻仅为100~150℃/W,为大围区域进入照明领域开辟了道路。
目前,SMDLED封装技术的焦点是研发在3.5V、大于1A驱动条件下工作的功率型SMDLED封装。
3.3功率型封装
功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出食人鱼封装结构的LED,该公司于1994年推出的改进型的SnapLED有两种工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率可达0.3W。
功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率提高了几倍,热阻降为原来的几分之一。
瓦级功率LED是未来照明器件的核心部分,所以世界各大公司都投入了很大力量对瓦级功率LED的封装技术进行研究开发。
LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比φ5mmLED大10~20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装是其关键技术,目前能承受数瓦功率的LED封装已出现。
5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开始推向市场,白光LED的光输出达187lm,光效为44.3lm/W。
目前正开发出可承受10W功率的LED,采用大面积管芯,尺寸为2.5mm2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达200lm。
Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完成倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中,键合引线进行封装。
这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。
在应用中,可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上,形成功率密度型LED,PCB板作为器件电极连接的布线使用,铝芯夹层则可作为热衬使用,以获得较高的光通量和光电转换效率。
此外,封装好的SMD-LED体积很小,可灵活地组合起来,构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
超高亮度LED作为信号灯和其他辅助照明光源应用时,一般是将多个Φ5mm封装的各种单色和白光LED组装在一个灯盘或标准灯座上,使用寿命可达到10万小时。
2000年已有研究指出,Φ5mm白光LED工作6000h后,其光强已降至原来的一半。
事实上,采用Φ5mm白光LED阵列的发光装置,其寿命可能只有5000h。
不同颜色的LED的光衰减速度不同,其中红色最慢,蓝、绿色居中,白色最快。
由于Φ5mm封装的LED原来仅用于指示灯,其封装热阻高达300℃/W,不能充分地散热,致使LED芯片的温度升高,造成器件光衰减加快。
此外,环氧树脂变黄也将使光输出降低。
大功率LED在大电流下产生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量,因此必须通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来解决光衰问题,管壳及封装已成为研制大功率LED的关键技术之一。
全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类,一类为单芯片功率型封装,另一类为多芯片功率型封装。
(1)功率型LED的单芯片封装
1998年美国Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED单芯片
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