光电 二极管 的封装结构分类
原文
本文先容了发光二极管的多种形式封装结构及技术，并指出了其应用远景。1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，本钱低等一系列特性，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12%，"十五"期间的产业目标是达到年产300亿只的能力，实现超高亮度aigslnp的led外延片和芯片的大生产，年产10亿只以上红、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。据猜测，到2005年国际上led的市场需求量约为2000亿只，销售额达800亿美元。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，下游回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，才能投进实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。2led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，当注进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开释出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何外形、封装内部结构与包封材料，应用要求进步led的内、外部量
子效率。常规φ5mm型led封装是将边长0.25mm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，向期看的方向角内发射。顶部包封
保护管芯等不受外界腐蚀;采用不的环氧树脂做成一定外形，有这样几种作用:
同的外形和材料性质(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，进步管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，尽缘性，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，封装几何外形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外形有关。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;假如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?*露缺浠?.2-0.3nm/?，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，在室温四周，温度每升高1?，led的发光强度会相应地减少1%左釉冬封装散热;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20ma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70ma、100ma甚至1a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
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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。进进21世纪后，led的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙led光效已达到100im/w，绿led为501m/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目，晶格缺陷和位错来进步内部效率，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，进步光效，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。3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(1cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的led产品相继问市，如表1所示，2000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，电子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2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可逐渐替换引脚式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。4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，品种数目繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在精益求精。标准led被大多数客户以为是目前显示行业中最方便、最经济的解决
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，典型的传统led安置在能承受0.1w输进功率的包封内，其90%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，不同的透镜外形构成多种外形及尺寸，例如，圆形按直径分为φ2mm、φ3mm、φ4.4mm、φ5mm、φ7mm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
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