LED的多種形式封裝結構

目前全球LED產能突破的情況相當明顯,其中台灣、日本、南韓與中國均有一定程度的量產能力與技術提升。以中國為例,規劃的產業目標是年產300億顆LED,同時希望能夠擁有超高亮度AiGslnP的LED晶圓、LED晶粒,除了較低階的紅光LED,也計劃GaN材料為主的藍光、白光LED產品量產。而日本在高亮度白光、RGB三色LED、背光源用LED則有較佳的著墨,市占率也高。


我們如果觀察LED產業供應鏈,上游是LED基底晶片及基底生產,中游則是LED晶粒設計及製造生產,下游為LED封裝與測試,但隨著產業日益蓬勃發展,上中下游整合的方式很明顯,如日本日亞化,上中下游就全包了,而台灣廠商則顆分成上游和下游,中游的部分為上游吸收進去。


一般情況下,分立器件的晶粒被密封在封裝體內,封裝的作用主要是保護晶粒和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號,保護晶粒正常工作,輸出:可見光的功能,既有電參數,又有光參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結晶粒,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幾率,因此,並不是晶粒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、晶粒結構及幾何形狀、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的正方形晶粒粘結或燒結在引線架上,晶粒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晶粒側面、界面發出的光,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:保護晶粒等不受外界侵蝕;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;晶粒折射率與空氣折射率相關太大,致使晶粒內部的全反射臨界角很小,其有源層產生的光顆有小部分被取出,大部分易在晶粒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,提高晶粒的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性,絕緣性,機械強度,對晶粒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,發光強度的角分佈也與晶粒結構、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升,在室溫附近,溫度每升高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,採用大面積晶粒倒裝結構,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,單顆LED的光通量也達到數十Im。

LED晶粒和封裝不再沿龔傳統的設計理念與製造生產模式,在增加晶粒的光輸出方面,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,如何改善晶粒及封裝內部結構,增強LED內部產生光子出射的幾率,提高光效,解決散熱,取光和熱沉優化設計,改進光學性能,加速表面黏著化SMD進程更是產業界研發的主流方向。

產品封裝結構類型自上世紀九十年代以來,LED晶粒及材料製作技術的研發取得多項突破,透明基底梯形結構、紋理表面結構、晶粒倒裝結構,商品化的超高亮度(1cd以上) 紅、橙、黃、綠、藍的LED產品相繼問市,,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,不同發光顏色的晶粒及其雙色、或三色組合方式,可生產出多種系列,品種、規格的產品。

LED產品封裝結構的類型,也有根據發光顏色、晶粒材料、發光亮度、尺寸大小等情況特徵來分類的。單個晶粒一般構成點光源,多個晶粒組裝一般可構成面光源和線光源,作信息、狀態指示及顯示用,發光顯示器也是用多個晶粒,通過晶粒的適當連接(包括串聯和並聯)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。表面黏著LED可逐漸替代引腳式LED,應用設計更靈活,已在LED顯示市場中佔有一定的份額,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,其光性能優良,工藝適應性好,產品可靠性高,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能指示燈,適作電源指示用;閃爍式將CMOS振盪電路晶粒與LED晶粒組合封裝,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晶粒組成,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,在大屏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;電壓型將恆流源晶粒與LED晶粒組合封裝,可直接替代5—24V的各種電壓指示燈。面光源是多個LED晶粒粘結在微型PCB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接方式,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米字管、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晶粒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晶粒形成的發光區,用壓焊方法鍵合引線,在反射罩內滴人環氧樹脂,與粘好晶粒的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,並在晶粒與底板上涂透明絕緣膠,提高出光效率,一般用於四位以上的數字顯示。單片集成式是在發光材料晶片上製作大量七段數碼顯示器圖形晶粒,然後劃片分割成單片圖形晶粒,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晶粒,劃割成內含一隻或多顆晶粒的發光條,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顆晶粒(最多可達201顆晶粒),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,完成每隻晶粒由點到線的顯示,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,同時單顆LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光,顆能在封裝時借助螢光物質,藍或紫外LED晶粒上涂敷螢光粉,間接產生寬帶光譜,合成白光;或採用幾種(兩種或三種、多種)發不同色光的晶粒封裝在一個組件外殼內,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2000年生產白光LED達1億顆,發展成一類穩定地發白光的產品,並將多顆白光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。

表面黏著封裝在2002年,表面黏著封裝的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成為一個發展熱點,很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題,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晶粒,產品熱阻為400K/W,可按CECC方式銲接,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顯示器件的字符高度為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—黏著設備的生產要求,應用設計空間靈活,顯示鮮豔清晰。多色PLCC封裝帶有一個外部反射器,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晶粒及封裝向大功率方向發展,在大電流下產生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量,必須採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W功率的LED封裝已出現。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展空間。

Luxeon系列功率LED是將A1GalnN功率型倒裝晶粒倒裝銲接在具有焊料凸點的矽載體上,然後把完成倒裝銲接的矽載體裝入熱沉與管殼中,鍵合引線進行封裝。這種封裝對於取光效率,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,顆有常規LED的1/10;可靠性高,封裝內部填充穩定的柔性膠凝體,在-40-120℃範圍,不會因溫度驟變產生的內應力,使金絲與引線框架斷開,並防止環氧樹脂透鏡變黃,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異,將LED固體光源發展到一個新水平。

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)的多晶粒組合,底座直徑31.75mm,發光區位於其中心部位,直徑約(0.375×25.4)mm,可容納40顆LED晶粒,鋁板同時作為熱沉。晶粒的鍵合引線通過底座上製作的兩個接觸點與正、負極連接,根據所需輸出光功率的大小來確定底座上排列晶粒的數目,可組合封裝的超高亮度的 AlGaInN和AlGaInP晶粒,其發射光分別為單色,彩色或合成的白色,最後用高折射率的材料按光學設計形狀進行包封。這種封裝採用常規晶粒高密度組合封裝,取光效率高,熱阻低,較好地保護晶粒與鍵合引線,在大電流下有較高的光輸出功率,也是一種有發展前景的LED固體光源。在應用中,可將已封裝產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、發光效率、發光波長、使用壽命等,因此,對功率型LED晶粒的封裝設計、製造技術更顯得尤為重要。
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