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LED的多種形式封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)
編者按：LED是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的發(fā)光器件,，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高,，發(fā)光響應(yīng)時間極短,，光色純,，結(jié)構(gòu)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,，發(fā)展突飛猛進(jìn)，現(xiàn)已能批量生產(chǎn)整個可見光譜段各種顏色的高亮度,、高性能產(chǎn)品,。國產(chǎn)紅、綠,、橙,、黃的LED產(chǎn)量約占世界總量的12％，“十五”期間的產(chǎn)業(yè)目標(biāo)是達(dá)到年產(chǎn)300億只的能力,，實現(xiàn)超高亮度AiGslnP的LED外延片和芯片的大生產(chǎn),，年產(chǎn)10億只以上紅、橙,、黃超高亮度LED管芯,，突破GaN材料的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)藍(lán),、綠,、白的LED的中批量生產(chǎn),。據(jù)預(yù)測,，到2005年上LED的市場需求量約為2000億只，銷售額達(dá)800億美元,。
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(hù)管芯和完成電氣互連,。而LED封裝則是完成輸出電信號,，保護(hù)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(hù)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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)的視角較小,；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型,，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(qiáng)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(qiáng)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1*,，需要改進(jìn)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(jìn)入21世紀(jì)后，LED的化,、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(qiáng)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(jìn)光學(xué)性能，加速表面貼裝化SMD進(jìn)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)受到的重視，進(jìn)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zui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(jìn),。標(biāo)準(zhǔn)LED被大多數(shù)客戶認(rèn)為是目前顯示行業(yè)中zui方便,、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,。花色點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,，體積小,；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(qiáng)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,，有雙列直插與單列直插等結(jié)構(gòu)形式。點,、面光源現(xiàn)已開發(fā)出數(shù)百種封裝外形及尺寸,，供市場及客戶適用。
LED發(fā)光顯示器可由數(shù)碼管或米字管,、符號管,、矩陳管組成各種多位產(chǎn)品，由實際需求設(shè)計成各種形狀與結(jié)構(gòu),。以數(shù)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(jié)構(gòu),，連接方式有共陽極和共陰極兩種，一位就是通常說的數(shù)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(jié)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(nèi)滴人環(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(shù)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(shù)碼顯示器圖形管芯，然后劃片分割成單片圖形管芯,，粘結(jié),、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(nèi)含一只或多只管芯的發(fā)光條,，如此同樣的七條粘結(jié)在數(shù)碼字形的可伐架上，經(jīng)壓焊,、環(huán)氧樹脂封裝構(gòu)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，大多是產(chǎn)品,。LED光柱顯示器在106mm長度的線路板上,，安置101只管芯(zui多可達(dá)201只管芯)，屬于高密度封裝,，利用光學(xué)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(shù)較為復(fù)雜,。
半導(dǎo)體pn結(jié)的電致發(fā)光機(jī)理決定LED不可能產(chǎn)生具有連續(xù)光譜的白光，同時單只LED也不可能產(chǎn)生兩種以上的高亮度單色光,，只能在封裝時借助熒光物質(zhì),，藍(lán)或紫外LED管芯上涂敷熒光粉，間接產(chǎn)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(nèi),，通過色光的混合構(gòu)成白光LED,。這兩種方法都取得實用化，日本2000年生產(chǎn)白光LED達(dá)1億只,，發(fā)展成一類穩(wěn)定地發(fā)白光的產(chǎn)品,，并將多只白光LED設(shè)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,。