led封裝技術及結構
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led封裝技術大都是在分立器
件封裝技術基礎上發展與演變
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,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訊號,保護管芯正常工作,輸出:
可見光的功能,既有電引數,又有光引數的設計及技術要求,無法簡單地將分立器件的封裝用於led。
led的核心發光部分是由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,就會發出可見光,紫外光或近紅外光。但pn結區發出的光子是非定向的,即向各個方向發射有相同的機率,因此,並不是管芯產生的所有光都可以釋放出來,這主要取決於半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料,應用要求提高led的內、外部量子效率。常規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,然後其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、介面發出的光,向期望的方向角內發射。頂部包封的環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;採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,控制光的發散角;管芯折射率與空氣折射率相關太大,致使管芯內部的全反射臨界角很小,其有源層產生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收,易發生全反射導致過多光損失,選用相應折射率的環氧樹脂作過渡,提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性,絕緣性,機械強度,對管芯發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。
若採用尖形樹脂透鏡,可使光集中到led的軸線方向,相應的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型,其相應視角將增大。
一般情況下,led的發光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃,光譜寬度隨之增加,影響顏色鮮豔度。
另外,當正向電流流經pn結,發熱性損耗使結區產生溫公升,在室溫附近,溫度每公升高1℃,led的發光強度會相應地減少1%左右,封裝散熱;時保持色純度與發光強度非常重要,以往多採用減少其驅動電流的辦法,降低結溫,多數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,採用大面積晶元倒裝結構,選用導熱性能好的銀膠,增大金屬支架的表面積,焊料凸點的矽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世紀後,led的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新,紅、橙led光效已達到100im/w,綠led為501m/w,單隻led的光通量也達到數十im。led晶元和封裝不再沿龔傳統的設計理念與製造生產模式,在增加晶元的光輸出方面,研發不僅僅限於改變材料內雜質數量,晶格缺陷和位錯來提高內部效率,同時,如何改善管芯及封裝內部結構,增強led內部產生光子出射的機率,提高光效,解決散熱,取光和熱沉優化設計,改進光學效能,加速表面貼裝化smd程序更是產業界研發的主流方向。
產品封裝結構型別
自上世紀九十年代以來,led晶元及材料製作技術的研發取得多項突破,透明襯底梯形結構、紋理表面結構、晶元倒裝結構,商品化的超高亮度(1cd以上紅、橙、黃、綠、藍的led產品相繼問市,如表1所示,2023年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應用。led的上、中游產業受到前所未有的重視,進一步推動下游的封裝技術及產業發展,採用不同封裝結構形式與尺寸,不同發光顏色的管芯及其雙色、或三色組合方式,可生產出多種系列,品種、規格的產品。
led產品封裝結構的型別如表2所示,也有根據發光顏色、晶元材料、發光亮度、尺寸大小等情況特徵來分類的。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,作資訊、狀態指示及顯示用,發光顯示器也是用多個管芯,通過管芯的適當連線(包括串聯和併聯與合適的光學結構組合而成的,構成發光顯示器的發光段和發光點。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,有加速發展趨勢。
固體照明光源有部分產品上市,成為今後led的中、長期發展方向。
引腳式封裝
led腳式封裝採用引線架作各種封裝外型的引腳,是最先研發成功投放市場的封裝結構,品種數量繁多,技術成熟度較高,封裝內結構與反射層仍在不斷改進。標準led被大多數客戶認為是目前顯示行業中最方便、最經濟的解決方案,典型的傳統led安置在能承受
0.1w輸入功率的包封內,其90%的熱量是由負極的引腳架散發至pcb板,再散發到空氣中,如何降低工作時pn結的溫公升是封裝與應用必須考慮的。包封材料多採用高溫固化環氧樹脂,其光效能優良,工藝適應性好,產品可*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等數種,環氧樹脂的不同組份可產生不同的發光效果。花色點光源有多種不同的封裝結構:陶瓷底座環氧樹脂封裝具有較好的工作溫度效能,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能指示燈,適作電源指示用;閃爍式將cmos振盪電路晶元與led管芯組合封裝,可自行產生較強視覺衝擊的閃爍光;雙色型由兩種不同發光顏色的管芯組成,封裝在同一環氧樹脂透鏡中,除雙色外還可獲得第三種的混合色,在大螢幕顯示系統中的應用極為廣泛,並可封裝組成雙色顯示器件;電壓型將恆流源晶元與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管芯粘嵩諼⑿蚉cb板的規定位置上,採用塑料反射框罩並灌封環氧樹脂而形成,pcb板的不同設計確定外引線排列和連線方式,有雙列直插與單列直插等結構形式。點、面光源現已開發出數百種封裝外形及尺寸,供市場及客戶適用。
led發光顯示器可由數碼管或公尺字管、符號管、矩陳管組成各種多位產品,由實際需求設計成各種形狀與結構。以數碼管為例,有反射罩式、單片整合式、單條七段式等三種封裝結構,連線方式有共陽極和共陰極兩種,一位就是通常說的數碼管,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,一般用白色塑料製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光區,用壓焊方法鍵合引線,在反射罩內滴人環氧樹脂,與粘好管芯的pcb板對位粘合,然後固化即成。
反射罩式又分為空封和實封兩種,前者採用散射劑與染料的環氧樹脂,多用於單位、雙位器件;後者上蓋濾色片與勻光膜,並在管芯與底板上塗透明絕緣膠,提高出光效率,一般用於四位以上的數字顯示。單片整合式是在發光材料晶元上製作大量七段數碼顯示器圖形管芯,然後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。單條七段式將已製作好的大面積led晶元,劃割成內含乙隻或多只管芯的發光條,如此同樣的七條粘結在數碼字形的可伐架上,經壓焊、環氧樹脂封裝構成。
單片式、單條式的特點是微小型化,可採用雙列直插式封裝,大多是專用產品。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,屬於高密度封裝,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,封裝技術較為複雜。
半導體pn結的電致發光機理決定led不可能產生具有連續光譜的白光,同時單隻led也
不可能產生兩種以上的高亮度單色光,只能在封裝時借助螢光物質,藍或紫外led管芯上塗敷螢光粉,間接產生寬頻光譜,合成白光;或採用幾種(兩種或三種、多種發不同色光的管芯封裝在乙個元件外殼內,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2023年生產白光led達1億隻,發展成一類穩定地發白光的產品,並將多隻白光led 設計組裝成對光通量要求不高,以區域性裝飾作用為主,追求新潮的電光源。
表面貼裝封裝
在2023年,表面貼裝封裝的led(smd led逐漸被市場所接受,並獲得一定的市場份額,從引腳式封裝轉向smd符合整個電子行業發展大趨勢,很多生產廠商推出此類產品。
早期的smd led大多採用帶透明塑料體的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,前者為單色發光,後者為雙色或三色發光。近些年,smd led成為乙個發展熱點,很好地解決了亮度、視角、平整度、可*性、一致性等問題,採用更輕的pcb板和反射層材料,在顯示反射層需要填充的環氧樹脂更少,並去除較重的碳鋼材料引腳,通過縮小尺寸,降低重量,可輕易地將產品重量減輕一半,最終使應用更趨完美,尤其適合戶內,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的資料都是以4.0×4.
0mm 的焊盤為基礎的,採用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。超高亮度led產品可採用plc c(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,產品熱阻為400k/w,可按cecc方式焊接,其發光強度在50ma驅動電流下達1250mcd。七段式的一位、兩位、三位和四位數碼smd led顯示器件的字元高度為5.08-12.
7mm,顯示尺寸選擇範圍寬。plcc封裝避免了引腳七段數碼顯示器所需的手工插入與引腳對齊工序,符合自動拾取—貼裝裝置的生產要求,應用設計空間靈活,顯示鮮豔清晰。多色plcc封裝帶有乙個外部反射器,可簡便地與發光管或光導相結合,用反射型替代目前的透射型光學設計,為大範圍區域提供統一的照明,研發在3.
5v、1a驅動條件下工作的功率型smd led封裝。
功率型封裝
LED封裝技術的工藝流程
白光圖3.1 工藝工序介紹 固晶 採用高速固晶機將發光晶元通用粘結膠 導電銀膠或散熱絕緣膠 固定於引線架的碗杯中。注 導電銀膠用於單焊電極晶元，如紅 黃 橙 黃綠光 而散熱絕緣膠用於雙焊電極晶元，如蘭 純綠光 焊線 採用高速焊線機將晶元電極與引線架通過金線進行連線，所採用的金線通常為99.99 純金...
LED封裝流程及注意事項
杭州創元光電工程部 王 1962年，通用電氣公司第一只led的發明揭開了世界led產業的序幕。伴隨著led產業的飛速發展，led封裝技術也在不斷進步與完善。led封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。led封裝是完成輸出電訊號，保護管芯正常工作，輸出可見光的功能...
LED高壓結構及技術分析
最近幾年由於技術及效率的進步，led的應用越來越廣 隨著led應用的公升級，市場對於led的需求，也朝更大功率及更高亮度，也就是通稱的高功率led方向發展。對於高功率led的設計，目前各大廠多以大尺寸單顆低壓dc led為主，做法有二，一為傳統水平結構，另一則為垂直導電結構。就第一種做法而言，其製程...