LED封裝結構的特殊性

　　LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)的基礎上發(fā)展與演變而來(lái)的，但卻有很大的特殊性。在一般情況下，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連接。而LED的封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出可見(jiàn)光。這里既有電參數又有光參數的設計及技術(shù)要求，無(wú)法簡(jiǎn)單地將分立器件的封裝技術(shù)用于LED的封裝。

    LED的核心發(fā)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(shí)，就會(huì )發(fā)出可見(jiàn)光、紫外光或近紅外光。但PN結區發(fā)出的光子是非定向的，即向各個(gè)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(lái)，這主要取決于半導體材料的質(zhì)量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，采用的封裝技術(shù)要能提高LED的內、外部量子效率。常規φ5mm型LED封裝是將邊長(cháng)為0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線(xiàn)架上，管芯的正極通過(guò)球形接觸點(diǎn)與金絲鍵合為內引線(xiàn)并與一個(gè)管腳相連，負極通過(guò)反射杯和引線(xiàn)架的另一個(gè)管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹(shù)脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹(shù)脂做成一定形狀，其作用是：

①     保護管芯等到不受外界侵蝕。

②     采用不同的形狀和材料性質(zhì)（摻或不摻散色劑），起透鏡或漫射透鏡的作用，控制光的發(fā)散角。

③     管芯折射率與空氣折射率相關(guān)較大，致使管芯內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，大部分易在管芯內部經(jīng)多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射，導致光過(guò)多損失。選用相應折射率的環(huán)氧樹(shù)脂作過(guò)渡，可提高管芯的光出射效率。

    用于構成LED管殼的環(huán)氧樹(shù)脂須具有良好的耐濕性和絕緣性以及較高的機械強度，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，對光子取出效率的影響是不同的。發(fā)光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材料及其形狀有關(guān)。若采用尖形樹(shù)脂透鏡，可使光集中到LED 的軸線(xiàn)方向，相應的視角較??；如果頂部的樹(shù)脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。

    在一般情況下，LED的發(fā)光波長(cháng)隨溫度變化的速率為0.2~0.3nm/℃，溫度升高時(shí)，光譜寬度隨之增加，影響顏色的鮮艷度。另外，當正向電流流經(jīng)PN 結時(shí)，發(fā)熱性損耗使結區產(chǎn)生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強度會(huì )相應地減少1%左右。保持色純度與發(fā)光強度非常重要，以往多采用減少其驅動(dòng)電流的辦法來(lái)降低結溫，多數LED的驅動(dòng)電流限制在20mA左右。但是，LED的光輸出會(huì )隨電流的增大而增加，目前很多功率型LED的驅動(dòng)電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，因此，需要改進(jìn)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(shù)，可改善LED的熱特性。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(diǎn)的硅載體直接裝在熱襯上，等等。此外，在LED應用設計中，PCB板等的熱設計、導熱性能也十分重要。

    進(jìn)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，紅光、橙光LED的光效已達到100lm/W，綠光LED為50lm/W，單只LED 的光通量也達到數十流明。LED芯片和封裝不再沿襲傳統的設計理念與制造生產(chǎn)模式。在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅限于通過(guò)改變材料內的雜質(zhì)數量、晶格缺陷和位錯來(lái)提高內部效率，同時(shí)，如何改善管芯及封裝內部結構，增強LED內部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱問(wèn)題，進(jìn)行取光和熱襯優(yōu)化設計，改進(jìn)光學(xué)性能，加速表面貼裝化進(jìn)程，更是LED研發(fā)的主流方向。{{分頁(yè)}}

1、  產(chǎn)品封裝結構的類(lèi)型

    自20世紀90年代以來(lái)，LED芯片及材料制作技術(shù)的研發(fā)取得多項突破，透明襯底梯形結構、紋理表面結構以及芯片倒裝結構使超高亮度（1cd以上）的紅、橙、黃、綠、藍光LED產(chǎn)品實(shí)用化，2000年開(kāi)始在低、中光通量的特殊照明領(lǐng)域中獲得應用。LED的上、中游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)下游的封裝技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。采用不同的封裝結構形式與尺寸，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、規格的LED產(chǎn)品。

    LED產(chǎn)品封裝結構的類(lèi)別見(jiàn)表1，也有根據發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等特征來(lái)分類(lèi)的。單個(gè)管芯一般構成點(diǎn)光源，多個(gè)管芯組裝在一起可構成面光源和線(xiàn)光源，作為電子設備的信息狀態(tài)指示及顯示用。發(fā)光顯示器也是用多個(gè)管芯，通過(guò)管芯的適當連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）與合適的光學(xué)結構組合而成的，構成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點(diǎn)。表面貼裝LED可逐漸替代引腳式LED，使應用設計更靈活，目前已在LED市場(chǎng)中占有一定的份額，且有加速發(fā)展的趨勢。

2、  引腳式封裝

    LED引腳式封裝采用引線(xiàn)架作為各種封裝外形的引腳，是最先研發(fā)成功并投放市場(chǎng)的封裝結構，品種數量繁多，技術(shù)成熟度較高，目前封裝內結構與反射層仍在不斷改進(jìn)。典型的LED封裝是將LED芯片安置在能承受0.1W輸入功率的包封內，其90%的熱量由負極的引腳架散發(fā)至PCB板，再散發(fā)到空氣中，因此，如何降低LED工作時(shí)PN結的溫升是封裝與應用所必須考慮的。包封材料多采用高溫固化環(huán)氧樹(shù)脂，其光學(xué)性能優(yōu)良，工藝適應性好，產(chǎn)品可靠性高，可做成有色透明、無(wú)色透明、有色散射或無(wú)色散射的透鏡封裝，采用不同的透鏡形狀可構成多種外形及尺寸。環(huán)氧樹(shù)脂的不同組份可產(chǎn)生不同的發(fā)光效果。多色點(diǎn)光源有多種不同的封裝結構。

①     陶瓷底座環(huán)氧樹(shù)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。

②     金屬底座塑料反射罩式封裝：是一種節能指示燈，適合作電源指示用。

③     閃爍式：將CMOS振蕩電路芯片與LED管芯組合封裝在一起，可自行產(chǎn)生較強視覺(jué)效果的閃爍光。

④     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(shù)脂透鏡中，除雙色外還可獲得第三種混合色，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。

⑤     電壓型：將恒流源芯片與LED管芯組合封裝在一起，可直接替代5~24V的各種電壓指示燈。{{分頁(yè)}}

⑥     面光源型：將多個(gè)LED管芯粘結在微型PCB板的規定位置上，采用塑料反射框罩并灌封氧樹(shù)脂而成。PCB板的不同設計確定外引線(xiàn)的排列和連接方式，有雙列直播與單列直插等結構形式。

3、  LED發(fā)光顯示器的封裝結構

    LED發(fā)光顯示器可由數碼管、米字管、符號管、矩陣管組成各種多位產(chǎn)品，根據實(shí)際需求設計成各種形狀與結構。以數碼管為例，有反射罩式、單片集成式和單條七段式等三種封裝結構，連接方式有共陽(yáng)極和共陰極兩種。一位就是通常說(shuō)的數碼管，兩位以上的一般稱(chēng)作顯示器。

    反射罩式數碼管具有字型大、用料省、組裝靈活的特點(diǎn)，一般用白色塑料制作成帶反射腔的七段型外殼，將單個(gè)LED管芯粘結在與反射罩的七個(gè)反射腔互相對位的 PCB板上，每個(gè)反射腔底部的中心位置是管芯形成的發(fā)光區，用壓焊方法鍵合引線(xiàn)，在反射罩內滴入環(huán)氧樹(shù)脂，與粘好管芯的PCB板對位黏合，然后固化即成。反射罩式又分為空封和實(shí)封兩種：空封采用添加散射劑與染料的環(huán)氧樹(shù)脂，多用于單位、雙位器件；實(shí)封的上蓋有濾色片與勻光膜，并在管芯與底板上涂有透明絕緣膠，可提高出光效率，一般用于四位以上的數字顯示。

    單片集成式數碼管是在發(fā)光材料晶片上制作大量的七段數碼顯示器圖形管芯，然后劃片分割成單片圖形管芯，并進(jìn)行粘結、壓焊，封裝帶透鏡（俗稱(chēng)魚(yú)眼透鏡）的外殼。

    單條七段式數碼管是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(fā)光條，將如此同樣的七條發(fā)光條粘結在數碼字形的架上，并經(jīng)壓焊、環(huán)氧樹(shù)脂封裝構成。

    單片式、單條式數碼管的特點(diǎn)是微小型化，可采用雙列直插式封裝，大多是專(zhuān)用產(chǎn)品。LED光柱顯示器在106mm長(cháng)度的線(xiàn)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(xué)的折射原理，使點(diǎn)光源通過(guò)透明罩殼的13~15條光柵成像，完成每只管芯由點(diǎn)到線(xiàn)的顯示，封裝技術(shù)較為復雜。

4、  封裝新技術(shù)

（1）       芯片粘貼技術(shù)

    因為L(cháng)ED所產(chǎn)生的光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)多次全反射后，大部分都被半導體材料本身與封裝材料所吸收。因此，若使用會(huì )吸光的GaAs作為AlGaInP LED 的基板時(shí)，將使得LED內部的吸收損失變得更大，從而大幅降低組件的取光效率。為了減少基板對LED所發(fā)出的光線(xiàn)的吸收，人們研發(fā)出了透明基板的粘貼技術(shù)。透明基板粘貼技術(shù)主要是先將LED晶粒在高溫下施加壓力，并將透明的GaP基板粘貼上去，然后再將GaAs除去，如此便可提高2倍的光線(xiàn)取出率。芯片粘貼技術(shù)目前主要還是應用在四元LED組件上，將此技術(shù)運用在GaN LED上，可將藍光LED的取光效率提升至75%，比傳統方式提升了3倍。

（2）       覆晶封裝技術(shù)

    對于使用藍寶石基板的GaN系列的材料，因為其P極和N極的電極必須做在組件的同一側，所以，若使用傳統的封裝方法，占組件大部分發(fā)光角度的上方發(fā)光面將會(huì )由于電極的擋光而損失一定程度的光量。而將傳統的組件反置，并在P型電極上方制作反射率較高的反射層，以將原先從組件上方發(fā)出的光線(xiàn)從組件其他的發(fā)光角度導出，并由藍寶石基板端緣取光。這種方法因為降低了在電極側的光損耗，可有接近傳統封裝方式兩倍左右的光量輸出。另外，因為覆晶結構可直接由電極或凸塊與封裝結構中的散熱結構相接觸，所以可大幅提升組件的散熱效果，進(jìn)一步提高組件的光量輸出。{{分頁(yè)}}

（3）       表面貼裝封裝技術(shù)

    為了利用自動(dòng)化組裝技術(shù)降低制造成本，從20世紀80年代開(kāi)始在LED生產(chǎn)中逐漸推廣使用表面貼裝器件（SMD），20世紀90年代這一技術(shù)得到了進(jìn)一步強化。最初的SMD-LED作為低功率器件主要用于指示設備和移動(dòng)電話(huà)鍵盤(pán)的照明，后來(lái)開(kāi)發(fā)出的大功率SMD-LED器件用于汽車(chē)面板照明、剎車(chē)燈，并擴展用于通用的照明設備。

    SMT是蜂窩PCS電話(huà)機的主要技術(shù)要求，具有極大的市場(chǎng)發(fā)展潛力。移動(dòng)電話(huà)功能的不斷升級也進(jìn)一步提出了對更高性能LED的需求，移動(dòng)電話(huà)設計中需要多種多樣的LED，包括更高亮度的單色LED器件、真彩LCD顯示屏（特別是第2.5代和第3代移動(dòng)電話(huà)的LCD）背景光源用的白色LED以及實(shí)現產(chǎn)品差異化所需的藍色和紫羅蘭色等特殊色LED。同時(shí)，移動(dòng)電話(huà)的復雜程度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，對LED提出了更薄、更小外形包裝的要求，特別是要求高性能 LED能提供芯片級的表貼封裝，即工業(yè)標準的1.6mm