LED發(fā)光二極管封裝的結(jié)構(gòu)類型及特殊性解析

1 引言
　　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(shí)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(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠、白的LED的中批量生產(chǎn)。

　　在LED產(chǎn)業(yè)鏈接中，上游是LED襯底芯片及襯底生產(chǎn)，中游的產(chǎn)業(yè)化為LED芯片設(shè)計(jì)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)嵱谩⒆呦蚴袌龅漠a(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(shí)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。
　　

2 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(jì)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(diǎn)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?。蝗绻敳康臉渲哥R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1A級，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，全新的LED封裝設(shè)計(jì)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(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB線路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。

　　進(jìn)入21世紀(jì)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(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(jì)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(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(jì)，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。

　　3 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(xiàng)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)受到前所未有的重視，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(diǎn)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(diǎn)。表面貼裝LED可逐漸替代引腳式LED，應(yīng)用設(shè)計(jì)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(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)中最方便、最經(jīng)濟(jì)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?；ㄉc(diǎn)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??；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(jì)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(diǎn)、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(shí)際需求設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(shí)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)光材料芯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(diǎn)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(dá)201只管芯），屬于高密度封裝，利用光學(xué)的折射原理，使點(diǎn)光源通過透明罩殼的13-15條光柵成像，完成每只管芯由點(diǎn)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(shí)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(jì)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(zhuǎn)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(jìn)型，外形尺寸3．04×1．11mm，卷盤式容器編帶包裝。在SOT-23基礎(chǔ)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(diǎn)，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(yīng)用更趨完美，尤其適合戶內(nèi)，半戶外全彩顯示屏應(yīng)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(jì)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(chǔ)的，采用回流焊可設(shè)計(jì)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(dú)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(qiáng)度在50mA驅(qū)動電流下達(dá)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(shè)備的生產(chǎn)要求，應(yīng)用設(shè)計(jì)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(dǎo)相結(jié)合，用反射型替代目前的透射型光學(xué)設(shè)計(jì)，為大范圍區(qū)域提供統(tǒng)一的照明，研發(fā)在3．5V、1A驅(qū)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(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(lán)綠、藍(lán)的功率型LED從2003年初開始供貨，白光LED光輸出達(dá)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(dá)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(diǎn)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(jìn)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(jì)都是最佳的。其主要特點(diǎn)：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(yīng)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(jì)使輻射圖樣可控和光學(xué)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(dǎo)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(diǎn)與正、負(fù)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(xué)設(shè)計(jì)形狀進(jìn)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(hù)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(yīng)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(dǎo)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(jì)、制造技術(shù)更顯得尤為重要。

　　7 LED發(fā)展及應(yīng)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(biāo)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(yīng)用前景的是白光LED，用作固體照明器件的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)體照明計(jì)劃。目前，普通白光LED發(fā)光效率251m／W，專家預(yù)計(jì)2005年可能超過3001m／W。功率型LED優(yōu)異的散熱特性與光學(xué)特性更能適應(yīng)普通照明領(lǐng)域，被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為是LED進(jìn)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(yīng)明顯低于0．015／Im（現(xiàn)價約0．25$／Im，紅LED為0．065／Im），要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍有很多技術(shù)問題需要研究，但克服解決這些問題并不是十分遙遠(yuǎn)的事。按固體發(fā)光物理學(xué)原理，LED的發(fā)光效率能近似100％，因此，LED被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源。

　　8 結(jié)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(lán)綠光LED中游工藝技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究，力爭在短期內(nèi)使產(chǎn)品的性能指標(biāo)達(dá)到國外同時期同類產(chǎn)品的水平，力爭在較短時間內(nèi)達(dá)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(dǎo)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(wù)于北京奧運(yùn)會和上海世博會。無庸質(zhì)疑，產(chǎn)業(yè)鏈中的襯底、外延、芯片、封裝、應(yīng)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(guān)注與重視。