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在LED產業鏈接中,上游是LED襯底晶片及襯底生產,中游的產業化為LED晶元設計及製造生產,下游歸LED封裝與測試,研發低熱阻、優異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、走向市場的產業化必經之路,從某種意義上講是鏈接產業與市場的紐帶,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,使產業鏈環環相扣,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結管芯,當注入pn結的少數載流子與多數載流子複合時,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,並不是管芯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、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,然後其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面エ界面發出的光,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;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;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,發光強度的角分佈也與管芯結構、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,採用大面積晶元倒裝結構,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,單隻LED的光通量也達到數十Im。LED晶元和封裝不再沿龔傳統的設計理念與製造生產模式,在增加晶元的光輸出方面,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。
3 產品封裝結構類型
自上世紀九十年代以來,LED晶元及材料製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、晶元倒裝結構,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,採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。
LED產品封裝結構的類型如表2所示,也有根據發光顏色、晶元材料、發光亮度、尺寸大小等情況特徵來分類的。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。
4 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振蕩電路晶元與LED管芯組合封裝,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,並可封裝組成雙色顯示器件;電壓型將恆流源晶元與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板的規疾位置上,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。
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