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LED封裝結(jié)構及其技術

    作者:宏拓新軟件
    發(fā)布日期:2007-12-19         
閱讀:70     
 
 
  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)光響應時間極短,光色純,結(jié)構牢固,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,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)目標是達到年產(chǎn)300億只的能力,實現(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材料的關鍵技術,實現(xiàn)藍、綠、白的LED的中批量生產(chǎn)。據(jù)預測,到2005年國際上LED的市場需求量約為2000億只,銷售額達800億美元。

        在LED產(chǎn)業(yè)鏈接中,上游是LED襯底晶片及襯底生產(chǎn),中游的產(chǎn)業(yè)化為LED芯片設計及制造生產(chǎn),下游歸LED封裝與測試,研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學特性、高可靠的封裝技術是新型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,才能投入實際應用,才能為顧客提供服務,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封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(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管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號,保護管芯正常工作,輸出:可見光的功能,既有電參數(shù),又有光參數(shù)的設計及技術要求,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型半導體構成的pn結(jié)管芯,當注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時,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,這主要取決于半導體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構與包封材料,應用要求提高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與金絲,鍵合為內(nèi)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)生全反射導致過多光損失,選用相應折射率的環(huán)氧樹脂作過渡,提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性,絕緣性,機械強度,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)光強度的角分布也與管芯結(jié)構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡,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(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)光強度會相應地減少1%左右,封裝散熱;時保持色純度與發(fā)光強度非常重要,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)動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級,需要改進封裝結(jié)構,全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結(jié)構及技術,改善熱特性。例如,采用大面積芯片倒裝結(jié)構,選用導熱性能好的銀膠,增大金屬支架的表面積,焊料凸點的硅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世紀后,LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展攻關,紅、橙LED光效已達到100Im/W,綠LED為501m/W,單只LED的光通量也達到數(shù)十Im。LED芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設計理念與制造生產(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,增強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)化設計,改進光學性能,加速表面貼裝化SMD進程更是產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的主流方向。

    3 產(chǎn)品封裝結(jié)構類型

        自上世紀九十年代以來,LED芯片及材料制作技術的研發(fā)取得多項突破,透明襯底梯形結(jié)構、紋理表面結(jié)構、芯片倒裝結(jié)構,商品化的超高亮度(1cd以上)紅、橙、黃、綠、藍的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用。LED的上、中游產(chǎn)業(yè)受到前所未有的重視,進一步推動下游的封裝技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展,采用不同封裝結(jié)構形式與尺寸,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。單個管芯一般構成點光源,多個管芯組裝一般可構成面光源和線光源,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,通過管芯的適當連接(包括串聯(lián)和并聯(lián))與合適的光學結(jié)構組合而成的,構成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)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(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,品種數(shù)量繁多,技術成熟度較高,封裝內(nèi)結(jié)構與反射層仍在不斷改進。標準LED被大多數(shù)客戶認為是目前顯示行業(yè)中最方便、最經(jīng)濟的解決方案,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。花色點光源有多種不同的封裝結(jié)構: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,體積小;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(jié)構形式。點、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,由實際需求設計成各種形狀與結(jié)構。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,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,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)光材料晶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)氧樹脂封裝構成。單片式、單條式的特點是微小型化,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201只管芯),屬于高密度封裝,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,封裝技術較為復雜。

        半導體pn結(jié)的電致發(fā)光機理決定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),通過色光的混合構成白光LED。這兩種方法都取得實用化,日本2000年生產(chǎn)白光LED達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。

    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(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,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,最終使應用更趨完美,尤其適合戶內(nèi),半戶外全彩顯示屏應用。

        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的焊盤為基礎的,采用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。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)光強度在50mA驅(qū)動電流下達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-貼裝設備的生產(chǎn)要求,應用設計空間靈活,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)光管或光導相結(jié)合,用反射型替代目前的透射型光學設計,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鍵技術,能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn)。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(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計都是最佳的。其主要特點: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(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)構為六角形鋁板作底座(使其不導電)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與正、負極連接,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設計形狀進行包封。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(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等,因此,對功率型LED芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要。

    7 LED發(fā)展及應用前景

        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)展與應用前景的是白光LED,用作固體照明器件的經(jīng)濟性顯著,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、歐及中國臺灣省均推出了半導體照明計劃。目前,普通白光LED發(fā)光效率251m/W,專家預計2005年可能超過3001m/W。功率型LED優(yōu)異的散熱特性與光學特性更能適應普通照明領域,被學術界和產(chǎn)業(yè)界認為是LED進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的價格應明顯低于0.015/Im(現(xiàn)價約0.25$/Im,紅LED為0.065/Im),要實現(xiàn)這一目標仍有很多技術問題需要研究,但克服解決這些問題并不是十分遙遠的事。按固體發(fā)光物理學原理,LED的發(fā)光效率能近似100%,因此,LED被譽為21世紀新光源,有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強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基藍綠光LED中游工藝技術產(chǎn)業(yè)化研究,力爭在短期內(nèi)使產(chǎn)品的性能指標達到國外同時期同類產(chǎn)品的水平,力爭在較短時間內(nèi)達到月產(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?萍疾繉⑼度8000萬元資金,啟動國家半導體照明工程,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,它的成果將要服務于北京奧運會和上海世博會。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,需要關注與重視。

 

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