【導讀】在LED產業(yè)鏈接中，上游是LED襯底晶片及襯底生產，中游的產業(yè)化為LED芯片設計及制造生產，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走向實用、走向市場的產業(yè)化必經之路，從某種意義上講是鏈接產業(yè)與市場的紐帶，只有封裝好的才能成為終端產品，才能投入實際應用，才能為顧客提供服務，使產業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣，無縫暢通。
LED是一類可直接將電能轉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。
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，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，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。
LED的核心發(fā)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(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結區(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(guī)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(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內發(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(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(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(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pn結，發(fā)熱性損耗使結區(qū)產生溫升，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，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(fā)展創(chuàng)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芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)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(fā)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(yōu)化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業(yè)界研發(fā)的主流方向。
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產品封裝結構類型
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(yè)受到前所未有的重視，進一步推動下游的封裝技術及產業(yè)發(fā)展，采用不同封裝結構形式與尺寸，不同發(fā)光顏色的管芯及其雙色、或三色組合方式，可生產出多種系列，品種、規(guī)格的產品。
LED產品封裝結構的類型如表2所示，也有根據發(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品上市，成為今后LED的中、長期發(fā)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(fā)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(yè)中最方便、最經濟的解決方案，典型的傳統(tǒng)LED安置在能承受0.1W輸入功率的包封內，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(huán)氧樹脂的不同組份可產生不同的發(fā)光效果?；ㄉc光源有多種不同的封裝結構：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構形式。點、面光源現已開發(fā)出數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(fā)光區(qū)，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內滴人環(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(fā)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(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(fā)光機理決定LED不可能產生具有連續(xù)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(fā)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(fā)展成一類穩(wěn)定地發(fā)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。
