LED封裝結構及技術

LED封裝結構及技術

1 引言

　　LED是一類可直接將電能轉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)光響應時間極短，光色純，結構牢固，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，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)目標是達到年產(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材料的關鍵技術，實現(xiàn)藍、綠、白的LED的中批量生產(chǎn)。據(jù)預測，到2005年國際上LED的市場需求量約為2000億只，銷售額達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)異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、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，才能投入實際應用，才能為顧客提供服務，使產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣，無縫暢通。

2 LED封裝的特殊性

　　LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(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)的設計及技術要求，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型半導體構成的pn結管芯，當注入pn結的少數(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量、管芯結構及幾何形狀、封裝內(nèi)部結構與包封材料，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的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，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(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構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。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，發(fā)熱性損耗使結區(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動電流的辦法，降低結溫，多數(shù)LED的驅動電流限制在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的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，需要改進封裝結構，全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。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，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB線路板等的熱設計、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芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)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)不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質數(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)部結構，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。

3 產(chǎn)品封裝結構類型

　　自上世紀九十年代以來，LED芯片及材料制作技術的研發(fā)取得多項突破，透明襯底梯形結構、紋理表面結構、芯片倒裝結構，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及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，采用不同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(guī)格的產(chǎn)品。

　　LED產(chǎn)品封裝結構的類型如表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。單個管芯一般構成點光源，多個管芯組裝一般可構成面光源和線光源，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))與合適的光學結構組合而成的，構成發(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。

4 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構，品種數(shù)量繁多，技術成熟度較高，封裝內(nèi)結構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?；ㄉc光源有多種不同的封裝結構：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構形式。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，由實際需求設計成各種形狀與結構。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構，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、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在數(shù)碼字形的可伐架上，經(jīng)壓焊、環(huán)氧樹脂封裝構成。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，封裝技術較為復雜。

　　半導體pn結的電致發(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，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。

5 表面貼裝封裝

　　在2002年，表面貼裝封裝的LED(SMD LED)逐漸被市場所接受，并獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢，很多生產(chǎn)廠商推出此類產(chǎn)品。

　　早期的SMD LED大多采用帶透明塑料體的SOT-23改進型，外形尺寸3．04×1．11mm，卷盤式容器編帶包裝。在SOT-23基礎上，研發(fā)出帶透鏡的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED，前者為單色發(fā)光，后者為雙色或三色發(fā)光。近些年，SMD LED成為一個發(fā)展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，采用更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產(chǎn)品重量減輕一半，最終使應用更趨完美，尤其適合戶內(nèi)，半戶外全彩顯示屏應用。

　　表3示出常見的SMD LED的幾種尺寸，以及根據(jù)尺寸(加上必要的間隙)計算出來的最佳觀視距離。焊盤是其散熱的重要渠道，廠商提供的SMD LED的數(shù)據(jù)都是以4．0×4．0mm的焊盤為基礎的，采用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。超高亮度LED產(chǎn)品可采用PLCC(塑封帶引線片式載體)-2封裝，外形尺寸為3．0×2．8mm，通過獨特方法裝配高亮度管芯，產(chǎn)品熱阻為400K／W，可按CECC方式焊接，其發(fā)光強度在50mA驅動電流下達1250mcd。七段式的一位、兩位、三位和四位數(shù)碼SMD LED顯示器件的字符高度為5．08-12．7mm，顯示尺寸選擇范圍寬。PLCC封裝避免了引腳七段數(shù)碼顯示器所需的手工插入與引腳對齊工序，符合自動拾取—貼裝設備的生產(chǎn)要求，應用設計空間靈活，顯示鮮艷清晰。多色PLCC封裝帶有一個外部反射器，可簡便地與發(fā)光管或光導相結合，用反射型替代目前的透射型光學設計，為大范圍區(qū)域提供統(tǒng)一的照明，研發(fā)在3．5V、1A驅動條件下工作的功率型SMD LED封裝。

6 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鍵技術，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1871m，光效44．31m／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2001m，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；可靠性高，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的封裝結構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)光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的SMD LED體積很小，可靈活地組合起來，構成模塊型、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芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要。

7 LED發(fā)展及應用前景

　　近幾年，LED的發(fā)光效率增長100倍，成本下降10倍，廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏，狀態(tài)指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源，汽車組合尾燈及車內(nèi)照明等等方面，其發(fā)展前景吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發(fā)中。極具發(fā)展與應用前景的是白光LED，用作固體照明器件的經(jīng)濟性顯著，且有利環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界年增長率在20％以上，美、日、歐及中國***省均推出了半導體照明計劃。目前，普通白光LED發(fā)光效率251m／W，專家預計2005年可能超過3001m／W。功率型LED優(yōu)異的散熱特性與光學特性更能適應普通照明領域，被學術界和產(chǎn)業(yè)界認為是LED進入照明市場的必由之路。為替代熒光燈、白光LED必須具有150—2001m／W的光效，且每Im的價格應明顯低于0．015／Im(現(xiàn)價約0．25$／Im，紅LED為0．065／Im)，要實現(xiàn)這一目標仍有很多技術問題需要研究，但克服解決這些問題并不是十分遙遠的事。按固體發(fā)光物理學原理，LED的發(fā)光效率能近似100％，因此，LED被譽為21世紀新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。

8 結束語

　　國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)中有20余家上、中游研制及生產(chǎn)單位和150余家后道封裝企業(yè)，高端封裝產(chǎn)品還未見推向市場。目前，完成GaN基藍綠光LED中游工藝技術產(chǎn)業(yè)化研究，力爭在短期內(nèi)使產(chǎn)品的性能指標達到國外同時期同類產(chǎn)品的水平，力爭在較短時間內(nèi)達到月產(chǎn)10kk的生產(chǎn)能力，開發(fā)白光照明光源用的功率型LED芯片等新產(chǎn)品。科技部將投入8000萬元資金，啟動國家半導體照明工程，注意終端產(chǎn)品，先從特種產(chǎn)品做起，以汽車、城市景觀照明作為市場突破口，把大功率、高亮度LED放在突出位置，它的成果將要服務于北京奧運會和上海世博會。無庸質疑，產(chǎn)業(yè)鏈中的襯底、外延、芯片、封裝、應用需共同發(fā)展，多方互動培植，封裝是產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下部分，需要關注與重視。

LED的構造其實非常簡單：一般來說，就是一個方形的二極管片裝在一個塑料、樹脂或是陶瓷底座的特殊環(huán)氧層中。處于半導體中心部位的電子可以通過傳感原料，轉換生成燈光，而封貼在“罩狀”環(huán)氧層內(nèi)的微型芯片，可以將燈光“映射”出來。典型LED有兩個插腳，一個長一個短。較長的插腳為陽極，或者也可以說是正極，短一點的插腳則是陰極。

??? 不同尺寸及形狀的LED底座，與LED芯片尺寸、芯片與環(huán)氧透鏡之間的距離以及反射罩的形狀等因素，共同決定了光線的觀測角度。生產(chǎn)二極管芯片的化學元素互相結合，配合能源因素，可延展生成光子，決定波長，進而決定燈光的色彩。LED從最初接近紅外線的燈光，到最近的紫外光，目前已可以產(chǎn)生完全光譜的燈光。

??? 一般來說，當使用單個芯片時，LED的燈光就是單色的。當兩個或多個不同色彩的芯片裝入同一個環(huán)氧層時，就可以產(chǎn)生多色LED。談及到多芯片技術，三層芯片的多芯片技術還可以產(chǎn)生白光：當紅光、綠光及藍光這三種原始色通過正確的比例混合時，就可以產(chǎn)生白光。

?? ?封裝在同一個環(huán)氧層中的紅光、綠光及藍光芯片可以個別控制，這樣還可以產(chǎn)生不同的混色及其他純色。如今，三原色LED在娛樂業(yè)的應用越來越廣泛，就因為它能產(chǎn)生混合色彩及其他燈光效果。

??? 食人魚LED

??? 四個插腳設計的食人魚LED相對兩個插腳的傳統(tǒng)發(fā)光二極管來說，具有非常大的優(yōu)勢：不管是振動還是碰撞都不會損壞LED，也不會使它和電氣插頭斷開。兩個插腳設計的LED應用在高度震顫的產(chǎn)品中時，非常容易斷開。

??? 食人魚LED的另一個優(yōu)勢在于它的低熱阻。因為它的大型鉛框設計，大多數(shù)食人魚型穿孔LED都被認定具有最低的熱阻，而這也使它在高性能應用中，具有光明的前景。

??? LED的使用壽命

??? LED在一般說明中，都是可以使用50,000小時以上，還有一些生產(chǎn)商宣稱其LED可以運作100,000小時左右。這方面主要的問題是，LED并不是簡單的不再運作而已，它的額定使用壽命不能用傳統(tǒng)燈具的衡量方法來計算。實際上，在測試LED使用壽命時，不會有人一直呆在旁邊等著它停止運作。不過，還是有其他方法來測算LED的使用壽命。LED之所以持久，是因為它不會產(chǎn)生燈絲熔斷的問題。LED不會直接停止運作，但它會隨著時間的流逝而逐漸退化。有預測表明，高質量LED在經(jīng)過50,000小時的持續(xù)運作后，還能維持初始燈光亮度的60%以上。假定LED已達到其額定的使用壽命，實際上它可能還在發(fā)光，只不過燈光非常微弱罷了。要想延長LED的使用壽命，就有必要降低或完全驅散LED芯片產(chǎn)生的熱能。熱能是LED停止運作的主要原因。

??? 據(jù)估計，LED本身可使用成千上萬個小時，但這并不能保證LED產(chǎn)品也可以使用如此之久。錯誤的操作及工序就可以輕易的“毀掉”LED。比如說，供應的電流高于生產(chǎn)商認可的尺度，LED產(chǎn)生的燈光會更亮，但持續(xù)的熱能也會縮短LED的使用壽命。真正的LED行家須對發(fā)光二極管的特性、固態(tài)照明的專門技術及工程技能有充分的了解，同時還需有足夠的創(chuàng)造力。