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LED封装结构及其技术.doc

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上传者: 捡幸福那一年 2017-09-20 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《LED封装结构及其技术doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含LED封装结构及其技术引言LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件具有工作电压低耗电量小发光效率高发光响应时间极短光色纯结构牢固抗冲击符等。

LED封装结构及其技术引言LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件具有工作电压低耗电量小发光效率高发光响应时间极短光色纯结构牢固抗冲击耐振动性能稳定可靠重量轻体积小成本低等一系列特性发展突飞猛进现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。国产红、绿、橙、黄的LED产量约占世界总量的%“十五”期间的产业目标是达到年产亿只的能力实现超高亮度AiGslnP的LED外延片和芯片的大生产年产亿只以上红、橙、黄超高亮度LED管芯突破GaN材料的关键技术实现蓝、绿、白的LED的中批量生产。据预测到年国际上LED的市场需求量约为亿只销售额达亿美元。在LED产业链接中上游是LED衬底晶片及衬底生产中游的产业化为LED芯片设计及制造生产下游归LED封装与测试研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带只有封装好的才能成为终端产品才能投入实际应用才能为顾客提供服务使产业链环环相扣无缝畅通。LED封装的特殊性LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的但却有很大的特殊性。一般情况下分立器件的管芯被密封在封装体内封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号保护管芯正常工作输出:可见光的功能既有电参数又有光参数的设计及技术要求无法简单地将分立器件的封装用于LED。LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时就会发出可见光紫外光或近红外光。但pn结区发出的光子是非定向的即向各个方向发射有相同的几率因此并不是管芯产生的所有光都可以释放出来这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φmm型LED封装是将边长mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线与一条管脚相连负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状有这样几种作用:保护管芯等不受外界侵蚀采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)起透镜或漫射透镜功能控制光的发散角管芯折射率与空气折射率相关太大致使管芯内部的全反射临界角很小其有源层产生的光只有小部分被取出大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收易发生全反射导致过多光损失选用相应折射率的环氧树脂作过渡提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性绝缘性机械强度对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜可使光集中到LED的轴线方向相应的视角较小如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型其相应视角将增大。一般情况下LED的发光波长随温度变化为..nm/光谱宽度随之增加影响颜色鲜艳度。另外当正向电流流经pn结发热性损耗使结区产生温升在室温附近温度每升高LED的发光强度会相应地减少%左右封装散热时保持色纯度与发光强度非常重要以往多采用减少其驱动电流的办法降低结温多数LED的驱动电流限制在mA左右。但是LED的光输出会随电流的增大而增加目前很多功率型LED的驱动电流可以达到mA、mA甚至A级需要改进封装结构全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术改善热特性。例如采用大面积芯片倒装结构选用导热性能好的银胶增大金属支架的表面积焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外在应用设计中PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。进入世纪后LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展攻关红、橙LED光效已达到Im/W绿LED为m/W单只LED的光通量也达到数十Im。LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式在增加芯片的光输出方面研发不仅仅限于改变材料内杂质数量晶格缺陷和位错来提高内部效率同时如何改善管芯及封装内部结构增强LED内部产生光子出射的几率提高光效解决散热取光和热沉优化设计改进光学性能加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。产品封装结构类型自上世纪九十年代以来LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构商品化的超高亮度(cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市如表所示年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED的上、中游产业受到前所未有的重视进一步推动下游的封装技术及产业发展采用不同封装结构形式与尺寸不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式可生产出多种系列品种、规格的产品。LED产品封装结构的类型如表所示也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源多个管芯组装一般可构成面光源和线光源作信息、状态指示及显示用发光显示器也是用多个管芯通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED应用设计更灵活已在LED显示市场中占有一定的份额有加速发展趋势。固体照明光源有部分产品上市成为今后LED的中、长期发展方向。引脚式封装LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚是最先研发成功投放市场的封装结构品种数量繁多技术成熟度较高封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案典型的传统LED安置在能承受.W输入功率的包封内其%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板再散发到空气中如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂其光性能优良工艺适应性好产品可靠性高可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装不同的透镜形状构成多种外形及尺寸例如圆形按直径分为Φmm、Φmm、Φ.mm、Φmm、Φmm等数种环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。花色点光源有多种不同的封装结构:陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能引脚可弯曲成所需形状体积小金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯适作电源指示用闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装可自行产生较强视觉冲击的闪烁光双色型由两种不同发光颜色的管芯组成封装在同一环氧树脂透镜中除双色外还可获得第三种的混合色在大屏幕显示系统中的应用极为广泛并可封装组成双色显示器件电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装可直接替代V的各种电压指示灯。面光源是多个LED管芯粘结在微型PCB板的规定位置上采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成PCB板的不同设计确定外引线排列和连接方式有双列直插与单列直插等结构形式。点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸供市场及客户适用。LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品由实际需求设计成各种形状与结构。以数码管为例有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构连接方式有共阳极和共阴极两种一位就是通常说的数码管两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大用料省组装灵活的混合封装特点一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区用压焊方法键合引线在反射罩内滴人环氧树脂与粘好管芯的PCB板对位粘合然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种前者采用散射剂与染料的环氧树脂多用于单位、双位器件后者上盖滤色片与匀光膜并在管芯与底板上涂透明绝缘胶提高出光效率一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯然后划片分割成单片图形管芯粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。单条七段式将已制作好的大面积LED芯片划割成内含一只或多只管芯的发光条如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化可采用双列直插式封装大多是专用产品。LED光柱显示器在mm长度的线路板上安置只管芯(最多可达只管芯)属于高密度封装利用光学的折射原理使点光源通过透明罩壳的条光栅成像完成每只管芯由点到线的显示封装技术较为复杂。半导体pn结的电致发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光只能在封装时借助荧光物质蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉间接产生宽带光谱合成白光或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内通过色光的混合构成白光LED。这两种方法都取得实用化日本年生产白光LED达亿只发展成一类稳定地发白光的产品并将多只白光LED设计组装成对光通量要求不高以局部装饰作用为主追求新潮的电光源。表面贴装封装在年表面贴装封装的LED(SMDLED)逐渐被市场所接受并获得一定的市场份额从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势很多生产厂商推出此类产品。早期的SMDLED大多采用带透明塑料体的SOT改进型外形尺寸..mm卷盘式容器编带包装。在SOT基础上研发出带透镜的高亮度SMD的SLM系列SLM系列LED前者为单色发光后者为双色或三色发光。近些年SMDLED成为一个发展热点很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题采用更轻的PCB板和反射层材料在显示反射层需要填充的环氧树脂更少并去除较重的碳钢材料引脚通过缩小尺寸降低重量可轻易地将产品重量减轻一半最终使应用更趋完美尤其适合户内半户外全彩显示屏应用。表示出常见的SMDLED的几种尺寸以及根据尺寸(加上必要的间隙)计算出来的最佳观视距离。焊盘是其散热的重要渠道厂商提供的SMDLED的数据都是以..mm的焊盘为基础的采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度LED产品可采用PLCC(塑封带引线片式载体)封装外形尺寸为..mm通过独特方法装配高亮度管芯产品热阻为K/W可按CECC方式焊接其发光强度在mA驱动电流下达mcd。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMDLED显示器件的字符高度为..mm显示尺寸选择范围宽。PLCC封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序符合自动拾取贴装设备的生产要求应用设计空间灵活显示鲜艳清晰。多色PLCC封装带有一个外部反射器可简便地与发光管或光导相结合用反射型替代目前的透射型光学设计为大范围区域提供统一的照明研发在.V、A驱动条件下工作的功率型SMDLED封装。功率型封装LED芯片及封装向大功率方向发展在大电流下产生比ΦmmLED大倍的光通量必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题因此管壳及封装也是其关键技术能承受数W功率的LED封装已出现。W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从年初开始供货白光LED光输出达m光效.m/W绿光衰问题开发出可承受W功率的LED大面积管匕尺寸为..mm可在A电流下工作光输出达m作为固体照明光源有很大发展空间。Luxeon系列功率LED是将AGalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中键合引线进行封装。这种封装对于取光效率散热性能加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点:热阻低一般仅为/W只有常规LED的/可靠性高封装内部填充稳定的柔性胶凝体在范围不会因温度骤变产生的内应力使金丝与引线框架断开并防止环氧树脂透镜变黄引线框架也不会因氧化而玷污反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外其输出光功率外量子效率等性能优异将LED固体光源发展到一个新水平。Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合底座直径.mm发光区位于其中心部位直径约(.)mm可容纳只LED管芯铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯其发射光分别为单色彩色或合成的白色最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装取光效率高热阻低较好地保护管芯与键合引线在大电流下有较高的光输出功率也是一种有发展前景的LED固体光源。在应用中可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上形成功率密度LEDPCB板作为器件电极连接的布线之用铝芯夹层则可作热沉使用获得较高的发光通量和光电转换效率。此外封装好的SMDLED体积很小可灵活地组合起来构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等因此对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。LED发展及应用前景近几年LED的发光效率增长倍成本下降倍广泛用于大面积图文显示全彩屏状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源汽车组合尾灯及车内照明等等方面其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光LED用作固体照明器件的经济性显著且有利环保正逐步取代传统的白炽灯世界年增长率在%以上美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。目前普通白光LED发光效率m/W专家预计年可能超过m/W。功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域被学术界和产业界认为是LED进入照明市场的必由之路。为替代荧光灯、白光LED必须具有m/W的光效且每Im的价格应明显低于./Im(现价约.$/Im红LED为./Im)要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。按固体发光物理学原理LED的发光效率能近似%因此LED被誉为世纪新光源有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。结束语国内LED产业中有余家上、中游研制及生产单位和余家后道封装企业高端封装产品还未见推向市场。目前完成GaN基蓝绿光LED中游工艺技术产业化研究力争在短期内使产品的性能指标达到国外同时期同类产品的水平力争在较短时间内达到月产kk的生产能力开发白光照明光源用的功率型LED芯片等新产品。科技部将投入万元资金启动国家半导体照明工程注意终端产品先从特种产品做起以汽车、城市景观照明作为市场突破口把大功率、高亮度LED放在突出位置它的成果将要服务于北京奥运会和上海世博会。无庸质疑产业链中的衬底、外延、芯片、封装、应用需共同发展多方互动培植封装是产业链中承上启下部分需要关注与重视。

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