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led封裝

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2014-05-15  來源:百科  瀏覽次數(shù):552
核心提示:LED(發(fā)光二極管)封裝是指發(fā)光芯片的封裝,相比集成電路封裝有較大不同。LED的封裝不僅要求能夠保護燈芯,而且還要能夠透光。所以LED的封裝對封裝材料有特殊的要求。
什么是led封裝?
LED(發(fā)光二極管)封裝是指發(fā)光芯片的封裝,相比集成電路封裝有較大不同。LED的封裝不僅要求能夠保護燈芯,而且還要能夠透光。所以LED的封裝對封裝材料有特殊的要求。

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(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封裝結(jié)構(gòu):
LED的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導體構(gòu)成的pn結(jié)管芯,當注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)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(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差太大,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)生全反射導致過多光損失,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(gòu)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,相應的視角較。蝗绻敳康臉渲哥R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(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(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,很多功率型LED的驅(qū)動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級,需要改進封裝結(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(shè)計中,PCB線路板等的熱設(shè)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100Im/W,綠LED為501m/W,單只LED的光通量也達到數(shù)十Im。LED芯片和封裝不再沿襲傳統(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)不僅僅限于改變材料內(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,改進光學性能,加速表面貼裝化SMD進程更是產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的主流方向。

結(jié)構(gòu)類型:
自上世紀九十年代以來,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用。LED的上、中游產(chǎn)業(yè)受到前所未有的重視,進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。
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,通過管芯的適當連接(包括串聯(lián)和并聯(lián))與合適的光學結(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,是最先研發(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。標準LED被大多數(shù)客戶認為是目前顯示行業(yè)中最方便、最經(jīng)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(nèi),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(jié)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(chǎn)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(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。唤饘俚鬃芰戏瓷湔质椒庋b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(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,大多是專用產(chǎn)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(shù)較為復雜。

半導體pn結(jié)的電致發(fā)光機理決定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。

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(chǎn)生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量,必須采用有效功率型封裝技術(shù)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(guān)鍵技術(shù),能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn)。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1871lm,光效44.31lm/W綠光衰問題,開發(fā)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2001lm,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(shè)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*性高,封裝內(nèi)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(chǎn)生的內(nèi)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(shè)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)展到一個新水平。
Norlux系列功率LED的封裝結(jié)構(gòu)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(fā)光區(qū)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(jù)所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數(shù)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(shè)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,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(fā)展前景的LED固體光源。
在應用中,可將已封裝產(chǎn)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(zhuǎn)換效率。此外,封裝好的SMD LED體積很小,可靈活地組合起來,構(gòu)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(shè)計、制造技術(shù)更顯得尤為重要。

COB封裝
COB封裝可將多顆芯片直接封裝在金屬基印刷電路板MCPCB,通過基板直接散熱,不僅能減少支架的制造工藝及其成本,還具有減少熱阻的散熱優(yōu)勢。
從成本和應用角度來看,COB成為未來燈具化設(shè)計的主流方向。COB封裝的LED模塊在底板上安裝了多枚LED芯片,使用多枚芯片不僅能夠提高亮度,還有助于實現(xiàn)LED芯片的合理配置,降低單個LED芯片的輸入電流量以確保高效率。而且這種面光源能在很大程度上擴大封裝的散熱面積,使熱量更容易傳導至外殼。
半導體照明燈具要進入通用照明領(lǐng)域,生產(chǎn)成本是第一大制約因素。要降低半導體照明燈具的成本,必須首先考慮如何降低LED的封裝成本。傳統(tǒng)的LED燈具做法是:LED光源分立器件→MCPCB光源模組→LED燈具,主要是基于沒有適用的核心光源組件而采取的做法,不但耗工費時,而且成本較高。實際上,如果走“COB光源模塊→LED燈具”的路線,不但可以省工省時,而且可以節(jié)省器件封裝的成本。
在成本上,與傳統(tǒng)COB光源模塊在照明應用中可以節(jié)省器件封裝成本、光引擎模組制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具系統(tǒng)中,總體可以降低30%左右的成本,這對于半導體照明的應用推廣有著十分重大的意義。在性能上,通過合理地設(shè)計和模造微透鏡,COB光源模塊可以有效地避免分立光源器件組合存在的點光、眩光等弊端,還可以通過加入適當?shù)募t色芯片組合,在不降低光源效率和壽命的前提下,有效地提高光源的顯色性(已經(jīng)可以做到90以上)。
在應用上,COB光源模塊可以使照明燈具廠的安裝生產(chǎn)更簡單和方便。在生產(chǎn)上,現(xiàn)有的工藝技術(shù)和設(shè)備完全可以支持高良品率的COB光源模塊的大規(guī)模制造。隨著LED照明市場的拓展,燈具需求量在快速增長,我們完全可以根據(jù)不同燈具應用的需求,逐步形成系列COB光源模塊主流產(chǎn)品,以便大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)介紹:
1、擴晶,把排列的密密麻麻的晶片弄開一點便于固晶。
2、固晶,在支架底部點上導電/不導電的膠水(導電與否視晶片是上下型PN結(jié)還是左右型PN結(jié)而定)然后把晶片放入支架里面。
3、短烤,讓膠水固化焊線時晶片不移動。
4、焊線,用金線把晶片和支架導通。
5、前測,初步測試能不能亮。
6、灌膠,用膠水把芯片和支架包裹起來。
7、長烤,讓膠水固化。
8、后測,測試能亮與否以及電性參數(shù)是否達標。
9、分光分色,把顏色和電壓大致上一致的產(chǎn)品分出來。
10、包裝。
技術(shù)趨勢:
1、中功率成為主流封裝方式。市場上的產(chǎn)品多為大功率LED產(chǎn)品或是小功率LED產(chǎn)品,它們雖各有優(yōu)點,但也有著無法克服的缺陷。而結(jié)合兩者優(yōu)點的中功率LED產(chǎn)品應運而生,成為主流封裝方式。
2、新材料在封裝中的應用。由于耐高溫、抗紫外以及低吸水率等更高更好的環(huán)境耐受性,熱固型材料EMC、熱塑性PCT、改性PPA以及類陶瓷塑料等材料將會被廣泛應用。
3、芯片超電流密度應用。今后芯片超電流密度,將由350MA/mm2發(fā)展為700MA/mm2,甚至更高。而芯片需求電壓將會更低,更平滑的VI曲線(發(fā)熱量低),以及ESD與VF兼顧。
4、COB應用的普及。憑借低熱阻、光型好、免焊接以及成本低廉等優(yōu)勢,COM應用在今后將會得到廣泛普及。
5、更高光品質(zhì)的需求。
6、國際國內(nèi)標準進一步完善。
7、集成封裝式光引擎成為封裝價值觀。
8、去電源方案(高壓LED)。今后室內(nèi)照明將更關(guān)注品質(zhì),而在成本因素驅(qū)動下,去電源方案逐步會成為可接受的產(chǎn)品,而高壓LED充分迎合了去電源方案,但其需要解決的是芯片可靠性需要加強。
9、適用于情景照明的多色LED光源。情景照明將是LED照明的核心競爭力,而未來LED照明的第二次起飛則需要依靠情景照明來實現(xiàn)。
      10、光效需求相對降低,性價比成為封裝廠制勝法寶。
 
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