LED知識

一文帶你了解LED封裝基本知識

        LED(發光二極管)封裝是指發光芯片的封裝,相比集成電路封裝有較大不同。LED的封裝不僅要求能夠保護燈芯,而且還要能夠透光,所以LED的封裝對封裝材料有特殊的要求。

  封裝簡介

  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信號,保護管芯正常工作,輸出:可見光的功,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于LED。

  自上世紀九十年代以來,LED芯片及材料制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、芯片倒裝結構,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,采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。

  技術原理

  大功率LED封裝由于結構和工藝復雜,并直接影響到LED的使用性能和壽命,特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點中的熱點。LED封裝的功能主要包括:1.機械保護,以提高可靠性;2.加強散熱,以降低芯片結溫,提高LED性能;3.光學控制,提高出光效率,優化光束分布;4.供電管理,包括交流/直流轉變,以及電源控制等。

  LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發展,LED封裝先后經歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發展階段。隨著芯片功率的增大,特別是固態照明技術發展的需求,對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低封裝熱阻,提高出光效率,必須采用全新的技術思路來進行封裝設計。

  關于LED封裝結構說明

  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幾率,因此,并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來,這主要取決于半導體材料質量、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,然后其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、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:保護管芯等不受外界侵蝕;采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差太大,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,以往多采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,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,采用大面積芯片倒裝結構,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、全色化不斷發展創新,紅、橙LED光效已達到100Im/W,綠LED為501m/W,單只LED的光通量也達到數十Im。LED芯片和封裝不再沿襲傳統的設計理念與制造生產模式,在增加芯片的光輸出方面,研發不僅僅限于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,加速表面貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。

  自上世紀九十年代以來,LED芯片及材料制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、芯片倒裝結構,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,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,采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。

  當然,也有根據發光顏色、芯片材料、發光亮度、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,通過管芯的適當連接(包括串聯和并聯)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,成為今后LED的中、長期發展方向。
       

       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,是最先研發成功投放市場的封裝結構,品種數量繁LED封裝儀器多,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顯示功率的包封內,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。包封材料多采用高溫固化環氧樹脂,其光性能優良,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振蕩電路芯片與LED管芯組合封裝,可自行產生較強視覺沖擊的閃爍光;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,在大屏幕顯示系統中的應用極為廣泛,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管芯粘結在微型PCB板的規定位置上,采用塑料反射框罩并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,一般用白色塑料制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字顯示。單片集成式是在發光材料晶片上制作大量七段數碼顯示器圖形管芯,然后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。單條七段式將已制作好的大面積LED芯片,劃割成內含一只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,可采用雙列直插式封裝,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,同時單只LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光,只能在封裝時借助熒光物質,藍或紫外LED管芯上涂敷熒光粉,間接產生寬帶光譜,合成白光;或采用幾種(兩種或三種、多種)發不同色光的管芯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1億只,發展成一類穩定地發白光的產品,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。

  表面貼片封裝

  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,從引腳式封表面貼裝封裝技術裝轉向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大多采用帶透明塑料體的SOT-23改進型,卷盤式容器編帶包裝。在SOT-23基礎上,前者為單色發光,后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,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。

  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的數據都是以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產品可采用PLCC(塑封帶引線片式載體)-2封裝,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顯示器件的字符高度為12.7mm,顯示尺寸選擇范圍寬。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-貼裝設備的生產要求,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,可簡便地與發光管或光導相結合,用反射型替代透射型光學設計,為大范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芯片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,必須采用有效功率型封裝技術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1871lm,光效44.31lm/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2001lm,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LED的1/10;可*性高,封裝內部填充穩定的柔性膠凝體,在-40-120℃范圍,不會因溫度驟變產生的內應力,使金絲與引線框架斷開,并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)的多芯片組合,底座直徑31.75mm,發光區位于其中心部位,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,根據所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數目,可組合封裝的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯,其發射光分別為單色,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芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要。

  COB型封裝

  COB封裝可將多顆芯片直接封裝在金屬基印刷電路板MCPCB,通過基板直接散熱,不僅能減少支架的制造工藝及其成本,還具有減少熱阻的散熱優勢。

  從成本和應用角度來看,COB成為未來燈具化設計的主流方向。COB封裝的LED模塊在底板上安裝了多枚LED芯片,使用多枚芯片不僅能夠提高亮度,還有助于實現LED芯片的合理配置,降低單個LED芯片的輸入電流量以確保高效率。而且這種面光源能在很大程度上擴大封裝的散熱面積,使熱量更容易傳導至外殼。

  半導體照明燈具要進入通用照明領域,生產成本是第一大制約因素。要降低半導體照明燈具的成本,必須首先考慮如何降低LED的封裝成本。傳統的LED燈具做法是:LED光源分立器件→MCPCB光源模組→LED燈具,主要是基于沒有適用的核心光源組件而采取的做法,不但耗工費時,而且成本較高。實際上,如果走“COB光源模塊→LED燈具”的路線,不但可以省工省時,而且可以節省器件封裝的成本。

  在成本上,與傳統COB光源模塊在照明應用中可以節省器件封裝成本、光引擎模組制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具系統中,總體可以降低30%左右的成本,這對于半導體照明的應用推廣有著十分重大的意義。在性能上,通過合理地設計和模造微透鏡,COB光源模塊可以有效地避免分立光源器件組合存在的點光、眩光等弊端,還可以通過加入適當的紅色芯片組合,在不降低光源效率和壽命的前提下,有效地提高光源的顯色性(已經可以做到90以上)。

  在應用上,COB光源模塊可以使照明燈具廠的安裝生產更簡單和方便。在生產上,現有的工藝技術和設備完全可以支持高良品率的COB光源模塊的大規模制造。隨著LED照明市場的拓展,燈具需求量在快速增長,我們完全可以根據不同燈具應用的需求,逐步形成系列COB光源模塊主流產品,以便大規模生產。

 

 

 

-----文章小編摘自網絡

一本道久在道最新2019 欧美另类图片区视频一区,亚洲偷偷自拍免费视频在线 2018高清一本道国产