发光二极管封装构及技术Word下载.docx
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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,键合为内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,向期望的方向角内发射。
顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用:
保护管芯等不受外界侵蚀;
采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂),起透镜或漫射透镜功能,控制光的发散角;
管芯折射率与空气折射率相关太大,致使管芯内部的全反射临界角很小,其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯内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,机械强度,对管芯发出光的折射率和透射率高。
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。
一般情况下,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。
另外,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,封装散热;
时保持色纯度与发光强度非常重要,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。
但是,LED的光输出会随电流的增大而增加,目前,很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级,需要改进封装结构,全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术,改善热特性。
例如,采用大面积芯片倒装结构,选用导热性能好的银胶,增大金属支架的表面积,焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。
此外,在应用设计中,PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。
进入21世纪后,LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新,红、橙LED光效已达到100Im/W,绿LED为501m/W,单只LED的光通量也达到数十Im。
LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式,在增加芯片的光输出方面,研发不仅仅限于改变材料内杂质数量,晶格缺陷和位错来提高内部效率,同时,如何改善管芯及封装内部结构,增强LED内部产生光子出射的几率,提高光效,解决散热,取光和热沉优化设计,改进光学性能,加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。
2、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,透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构,商品化的超高亮度(1cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市,如表1所示,2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。
LED的上、中游产业受到前所未有的重视,进一步推动下游的封装技术及产业发展,采用不同封装结构形式与尺寸,不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式,可生产出多种系列,品种、规格的产品。
LED产品封装结构的类型如表2所示,也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。
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,作信息、状态指示及显示用,发光显示器也是用多个管芯,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。
表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED,应用设计更灵活,已在LED显示市场中占有一定的份额,有加速发展趋势。
固体照明光源有部分产品上市,成为今后LED的中、长期发展向。
3、引脚式封装
LED脚式封装采用引线架作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,品种数量繁多,技术成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。
标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案,典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封内,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,例如,圆形按直径分为Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等数种,环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。
花色点光源有多种不同的封装结构:
陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能,引脚可弯曲成所需形状,体积小;
金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯,适作电源指示用;
闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装,可自行产生较强视觉冲击的闪烁光;
双色型由两种不同发光颜色的管芯组成,封装在同一环氧树脂透镜中,除双色外还可获得第三种的混合色,在大屏幕显示系统中的应用极为广泛,并可封装组成双色显示器件;
电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装,可直接替代5—24V的各种电压指示灯。
面光源是多个LED管芯粘结在微型PCB板的规定位置上,采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成,PCB板的不同设计确定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,供市场及客户适用。
LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品,由实际需求设计成各种形状与结构。
以数码管为例,有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构,连接方式有共阳极和共阴极两种,一位就是通常说的数码管,两位以上的一般称作显示器。
反射罩式具有字型大,用料省,组装灵活的混合封装特点,一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳,将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上,每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区,用压焊方法键合引线,在反射罩内滴人环氧树脂,与粘好管芯的PCB板对位粘合,然后固化即成。
反射罩式又分为空封和实封两种,前者采用散射剂与染料的环氧树脂,多用于单位、双位器件;
后者上盖滤色片与匀光膜,并在管芯与底板上涂透明绝缘胶,提高出光效率,一般用于四位以上的数字显示。
单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯,然后划片分割成单片图形管芯,粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。
单条七段式将已制作好的大面积LED芯片,划割成内含一只或多只管芯的发光条,如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上,经压焊、环氧树脂封装构成。
单片式、单条式的特点是微小型化,可采用双列直插式封装,大多是专用产品。
LED光柱显示器在106mm长度的线路板上,安置101只管芯(最多可达201只管芯),属于高密度封装,利用光学的折射原理,使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像,完成每只管芯由点到线的显示,封装技术较为复杂。
半导体pn结的电致发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光,同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光,只能在封装时借助荧光物质,蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉,间接产生宽带光谱,合成白光;
或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内,通过色光的混合构成白光LED。
这两种方法都取得实用化,日本2000年生产白光LED达1亿只,发展成一类稳定地发白光的产品,并将多只白光LED设计组装成对光通量要求不高,以局部装饰作用为主,追求新潮的电光源。
发光二极管封装结构及技术
(2)
4引脚式封装
5表面贴装封装
在2002年,表面贴装封装的LED(SMDLED)逐渐被市场所接受,并获得一定的市场份额,从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势,很多生产厂商推出此类产品。
早期的SMDLED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型,外形尺寸3.04×
1.11mm,卷盘式容器编带包装。
在SOT-23基础上,研发出带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列,SLM-245系列LED,前者为单色发光,后者为双色或三色发光。
近些年,SMDLED成为一个发展热点,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,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,最终使应用更趋完美,尤其适合户内,半户外全彩显示屏应用。
表3示出常见的SMDLED的几种尺寸,以及根据尺寸(加上必要的间隙)计算出来的最佳观视距离。
焊盘是其散热的重要渠道,厂商提供的SMDLED的数据都是以4.0×
4.0mm的焊盘为基础的,采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。
超高亮度LED产品可采用PLCC(塑封带引线片式载体)-2封装,外形尺寸为3.0×
2.8mm,通过独特方法装配高亮度管芯,产品热阻为400K/W,可按CECC方式焊接,其发光强度在50mA驱动电流下达1250mcd。
七段式的一位、两位、三位和四位数码SMDLED显示器件的字符高度为5.08-12.7mm,显示尺寸选择范围宽。
PLCC封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序,符合自动拾取—贴装设备的生产要求,应用设计空间灵活,显示鲜艳清晰。
多色PLCC封装带有一个外部反射器,可简便地与发光管或光导相结合,用反射型替代目前的透射型光学设计,为大范围区域提供统一的照明,研发在3.5V、1A驱动条件下工作的功率型SMDLED封装。
6功率型封装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,管壳及封装也是其关键技术,能承受数W功率的LED封装已出现。
5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货,白光LED光输出达1871m,光效44.31m/W绿光衰问题,开发出可承受10W功率的LED,大面积管;
匕尺寸为2.5×
2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达2001m,作为固体照明光源有很大发展空间。
Luxeon系列功率LED是将A1GalnN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沉与管壳中,键合引线进行封装。
这种封装对于取光效率,散热性能,加大工作电流密度的设计都是最佳的。
其主要特点:
热阻低,一般仅为14℃/W,只有常规LED的1/10;
可靠性高,封装内部填充稳定的柔性胶凝体,在-40-120℃范围,不会因温度骤变产生的内应力,使金丝与引线框架断开,并防止环氧树脂透镜变黄,引线框架也不会因氧化而玷污;
反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。
另外,其输出光功率,外量子效率等性能优异,将LED固体光源发展到一个新水平。
Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合,底座直径31.75mm,发光区位于其中心部位,直径约(0.375×
25.4)mm,可容纳40只LED管芯,铝板同时作为热沉。
管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接,根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目,可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯,其发射光分别为单色,彩色或合成的白色,最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。
这种封装采用常规管芯高密度组合封装,取光效率高,热阻低,较好地保护管芯与键合引线,在大电流下有较高的光输出功率,也是一种有发展前景的LED固体光源。
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LED,PCB板作为器件电极连接的布线之用,铝芯夹层则可作热沉使用,获得较高的发光通量和光电转换效率。
此外,封装好的SMDLED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。
功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。
7LED发展及应用前景
近几年,LED的发光效率增长100倍,成本下降10倍,广泛用于大面积图文显示全彩屏,状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源,汽车组合尾灯及车内照明等等方面,其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。
极具发展与应用前景的是白光LED,用作固体照明器件的经济性显著,且有利环保,正逐步取代传统的白炽灯,世界年增长率在20%以上,美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。
目前,普通白光LED发光效率251m/W,专家预计2005年可能超过3001m/W。
功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域,被学术界和产业界认为是LED进入照明市场的必由之路。
为替代荧光灯、白光LED必须具有150—2001m/W的光效,且每Im的价格应明显低于0.015/Im(现价约0.25$/Im,红LED为0.065/Im),要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究,但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。
按固体发光物理学原理,LED的发光效率能近似100%,因此,LED被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。
8结束语
国内LED产业中有20余家上、中游研制及生产单位和150余家后道封装企业,高端封装产品还未见推向市场。
目前,完成GaN基蓝绿光LED中游工艺技术产业化研究,力争在短期内使产品的性能指标达到国外同时期同类产品的水平,力争在较短时间内达到月产10kk的生产能力,开发白光照明光源用的功率型LED芯片等新产品。
科技部将投入8000万元资金,启动国家半导体照明工程,注意终端产品,先从特种产品做起,以汽车、城市景观照明作为市场突破口,把大功率、高亮度LED放在突出位置,它的成果将要服务于北京奥运会和上海世博会。
无庸质疑,产业链中的衬底、外延、芯片、封装、应用需共同发展,多方互动培植,封装是产业链中承上启下部分,需要关注与重视。
LED应用趋势与封装技术最新动向
由于LED单位亮度不断提高,因此LED的应用领域也越来越宽广,不过追求LED亮度的同时,对LED的色度要求逐渐成为普遍的共识,换言之追求色度近似太阳光的LED已经成为下游应用业者共同的目标。
LED应用于各种商品时所面临的课题不外乎散热、耗电性、演色性、色度不均等等,不过随着产业的不同解决方法却有独特且明显的差异,例如照明与汽车业者为了提高光束,使用LED颗数是行动电话背光板的数百倍,相对的由于驱动电流大幅增加,使得散热对策成为刻不容缓的首要问题。
常用的对策是将LED芯片直接封装于高导热系数的基板上,利用基板与导热端子强化散热效果。
相较之下附相机的行动电话用闪光灯,基于耗电量的考量就无利用高电流密度的方式增加亮度,因此如何有效应用LED的光线且能均匀的照射至被照体,远比如何提高散热效果更受到重视。
常用方法是藉由镜片与反射罩(mirror),将LED的光线收敛至相机的画角内。
此外有关LED的演色性虽然仍有部分领域与LED厂商息息相关,不过事实上多数的下游应用厂商已经开始独自摸索白光LED的使用方法,也就是说LED演色性的主导权已转移至下游应用业者。
LED的商品应用例96年白光LED问世之后,许多照明设备与汽车厂商尝试利用白光LED制作各种相关产品,由于白光LED芯片每瓦特的输出辉度已经由过去数流明(lm)提高至数十甚至近百流明,例如为了获得与40W荧光灯相同光束时,LED模块使用的芯片数量从以往近千个锐减至数十个左右,使得成本与外形尺寸更具实用性。
然而实际上亮度大幅增加的结果,散热问题却成为商品化时的最大障碍,此外高亮度白光LED的发光频谱中红色成份偏低,造成色温与演色性不如太阳光与荧光灯,使得白光LED的实用性再度受到质疑。
LED的散热与封装有关散热问题,例如照明用途的LED电流密度高达100mA,若未作散热处理时(热阻抗为)10~20个LED所构成的模块温度超过,周围温度为时模块温度更高达,若与热阻抗为比较时,LED的光输出大约降低20%。
图4是常用对策,基本上它是将LED芯片直接封装于高导热性基板,藉由基板迅速将LED的热量排除。
图4LED的散热对策图5是LED应用厂商松下电工将蓝色发光的白光LED模块直接封装于机器内,利用机器本体作为散热媒体,根据测试结果显示即使电流量增加三倍,该模块的热阻抗祇有传统环氧树脂封装方式的一半左右;
星和电机则是将红、绿、蓝(RGB)三种发光色LED芯片直接封装于金属基板构成白光LED模块,基本上它与松下电工的白光LED模块结构相同,都是利用金属基板作为散热介质。
松下电器为了提高LED芯片的散热性,因此采用金属材料与金属系复合材料所制成的多层基板,64个20×
20mm蓝光LED芯片直接封装于多层基板上,并与黄色荧光体构成白光LED模块,室温环境下的光束为120lm是目前业界最高水平。
此外蓝光LED芯片亦可直接封装于蓝宝石基板上,由于热源发光层贴近于基板上,因此可以获得良好的散热效果,它的热阻抗为,是传统封装方式的1/200左右。
如图6所示SHARP利用模拟分析,决定可提高散热性的端子厚度与面积,再根据模拟分析结果改善设置LED芯片的模块端子。
OMRON则是在LED芯片上设置两个散热专用端子,同时增加LED芯片电流密度提高光输出,并利用Reflector使LED芯片产生的光线能朝正前方射出(图7),如此结构使得外部量子效率由传统的30~50%提升至80%,虽然OMRON的LED模块是以蓝光芯片为主,不过祇要搭配黄色荧光体就可变成白色发光LED。
除此之外该公司正在开发RGB三种LED芯片设于单体模块的技术,该白色发光LED模块具有可将点发光转换成面发光的优点,使得光线能均分照射于被照体。
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