ＬＥＤ护栏灯二极管封装结构及技术

ＬＥＤ护栏灯二极管封装结构及技术

１、引言　

      ＬＥＤ是一种可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，由于具有工作电压低、耗电量小、发光效率高、发光响应时间极短、光色纯、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小、成本低等一系列特性，其发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。国产红、绿、橙、黄的ＬＥＤ产量约占世界总量的１２％，“十五”期间的产业目标是达到年产３００亿只的生产水平，实现超高亮度ＡｉＧｓｌｎＰ的ＬＥＤ外延片和芯片的大批量生产，年产１０亿只以上红、橙、黄超高亮度ＬＥＤ管芯，突破ＧａＮ材料的关键技术，实现蓝、绿、白ＬＥＤ的中批量生产。

      在ＬＥＤ产业链接中，上游是ＬＥＤ衬底晶片及衬底生产，中游的产业化为ＬＥＤ芯片设计及制造生产，下游归ＬＥＤ封装与测试，研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型ＬＥＤ走向实用、走向市场，实现产业化的必经之路，从某种意义上讲是连接产业与市场的纽带，只有封装好的LED才能成为终端产品，才能投入市场实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。

　

２、ＬＥＤ封装的特殊性　

      ＬＥＤ封装技术大都是从分立器件封装技术基础上发展而来的，但也有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而ＬＥＤ封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于ＬＥＤ。

      ＬＥＤ的核心发光部分是由ｐ型和ｎ型半导体构成的ｐｎ结管芯，当注入ｐｎ结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但ｐｎ结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高ＬＥＤ的内、外部量子效率。常规Φ５ｍｍ型ＬＥＤ封装是将边长为０．２５ｍｍ的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线并与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质（掺或不掺散色剂），有透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角较小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分留在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射从而导致过多光损失，应选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性、绝缘性、机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率较高。选择不同折射率的封装材料和不同封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到ＬＥＤ的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。

     一般情况下，ＬＥＤ的发光波长随温度变化为０．２~０．３ｎｍ/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经ｐｎ结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高１℃，ＬＥＤ的发光强度会相应地减少１％左右。封装散热时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数ＬＥＤ的驱动电流限制在２０ｍＡ左右。但是，ＬＥＤ的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型ＬＥＤ的驱动电流可以达到７０ｍＡ、１００ｍＡ甚至１Ａ级，这就需要改进封装结构，采用全新的ＬＥＤ封装设计理念和低热阻封装结构及技术、改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，ＰＣＢ线路板等的热设计、导热性能也十分重要。

      进入２１世纪后，ＬＥＤ的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙ＬＥＤ光效已达到１００lｍ/Ｗ，绿ＬＥＤ为５０１ｍ/Ｗ，单只ＬＥＤ的光通量也达到数十lm。ＬＥＤ芯片和封装不再沿袭传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量、晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强ＬＥＤ内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化ＳＭＤ进程更是产业界研发的主流方向。

 

３、产品封装结构类型　

      自上世纪90年代以来，ＬＥＤ芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构，商品化的超高亮度（１ｃｄ以上）红、橙、黄、绿、蓝的ＬＥＤ产品相继问市，２０００年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。ＬＥＤ的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸、不同发光颜色的管芯及其双色或三色组合方式，可生产出多种系列、品种、规格的产品。　

      ＬＥＤ产品封装结构的类型是根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接（包括串联和并联）与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装ＬＥＤ可逐渐替代引脚式ＬＥＤ，应用设计更灵活，已在ＬＥＤ显示市场中占有一定的份额，有加速发展的趋势。固体照明光源有部分产品上市，成为今后ＬＥＤ中、长期发展的方向。

 

４、引脚式封装　

      ＬＥＤ引脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。标准ＬＥＤ被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，典型的传统ＬＥＤ安置在能承受０．１Ｗ输入功率的包封内，其９０％的热量是由负极的引脚架散发至ＰＣＢ板，再散发到空气中，如何降低工作时ｐｎ结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂，其光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸，例如，圆形按直径分为Φ２ｍｍ、Φ３ｍｍ、Φ４．４ｍｍ、Φ５ｍｍ、Φ７ｍｍ等数种，环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。花色点光源有多种不同的封装结构：陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能，引脚可弯曲成所需形状，体积小；金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯，适合作电源指示用；闪烁式将ＣＭＯＳ振荡电路芯片与ＬＥＤ管芯组合封装，可自行产生较强视觉冲击的闪烁光；双色型由两种不同发光颜色的管芯组成，封装在同一环氧树脂透镜中，除双色外还可获得第三种的混合色，在大屏幕显示系统中的应用极为广泛，并可封装组成双色显示器件；电压型将恒流源芯片与ＬＥＤ管芯组合封装，可直接替代５~２４Ｖ的各种电压指示灯。面光源是多个ＬＥＤ管芯粘结在微型ＰＣＢ板的规定位置上，采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成，ＰＣＢ板的不同设计确定外引线排列和连接方式，有双列直插与单列直插等结构形式。点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸，供市场及客户选用。

      ＬＥＤ发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品，由实际需求设计成各种形状与结构。以数码管为例，有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构，连接方式有共阳极和共阴极两种，一种就是通常说的数码管，两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大，用料省，组装灵活的混合封装特点，一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳，将单个ＬＥＤ管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的ＰＣＢ板上，每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区，用压焊方法键合引线，在反射罩内滴入环氧树脂，与粘好管芯的ＰＣＢ板对位粘合，然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种，前者采用散射剂与染料的环氧树脂，多用于单位、双位器件；后者上盖滤色片与匀光膜，并在管芯与底板上涂透明绝缘胶，提高出光效率，一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯，然后划片分割成单片图形管芯，粘结、压焊、封装带透镜（俗称“鱼眼”透镜）的外壳。单条七段式将已制作好的大面积ＬＥＤ芯片，划割成内含一只或多只管芯的发光条，如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上，经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化，可采用双列直插式封装，大多是专用产品。ＬＥＤ光柱显示器在１０６ｍｍ长度的线路板上，安置１０１只管芯（最多可达２０１只管芯），属于高密度封装，利用光学的折射原理，使点光源通过透明罩壳的１３~１５条光栅成像，完成每只管芯由点到线的显示，封装技术较为复杂。

      半导体ｐｎ结的电致发光机理决定ＬＥＤ不可能产生具有连续光谱的白光，同时单只ＬＥＤ也不可能产生两种以上的高亮度单色光，只能在封装时借助荧光物质，蓝或紫外ＬＥＤ管芯上涂敷荧光粉，间接产生宽带光谱，合成白光；或采用几种（两种或三种、多种）发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光ＬＥＤ。这两种方法都取得实用化，日本２０００年生产白光ＬＥＤ达１亿只，发展成一类稳定的发白光的产品，并将多只白光ＬＥＤ设计组装成对光通量要求不高，以局部装饰作用为主，追求新潮的电光源。

 

５、表面贴装封装　

      在２００２年，表面贴装封装的ＬＥＤ（ＳＭＤ　ＬＥＤ）逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封装转向ＳＭＤ符合整个电子行业发展大趋势，很多生产厂商相继推出此类产品。　

      早期的ＳＭＤ　ＬＥＤ大多采用带透明塑料体的ＳＯＴ－２３改进型，外形尺寸３．０４×１．１１ｍｍ，卷盘式容器编带包装。在ＳＯＴ－２３基础上，研发出带透镜的高亮度ＳＭＤ的ＳＬＭ－１２５系列、ＳＬＭ－２４５系列ＬＥＤ，前者为单色发光，后者为双色或三色发光。近些年，ＳＭＤ　ＬＥＤ成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，采用更轻的ＰＣＢ板和反射层材料，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少，并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸，降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半，最终使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全彩显示屏应用。

      焊盘是SMD LED散热的重要渠道，厂商提供的ＳＭＤ　ＬＥＤ的数据都是以４．０mm×４．０ｍｍ的焊盘为基础，采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度ＬＥＤ产品可采用ＰＬＣＣ（塑封带引线片式载体）－２封装，外形尺寸为３．０mm×２．８ｍｍ，通过独特方法装配高亮度管芯，产品热阻为４００℃/Ｗ，可按ＣＥＣＣ方式焊接，其发光强度在５０ｍＡ驱动电流下达１２５０ｍｃｄ。七段式的一位、两位、三位和四位数码ＳＭＤ　ＬＥＤ显示器件的字符高度为５．０８~１２．７ｍｍ，显示尺寸选择范围宽。ＰＬＣＣ封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序，符合自动拾取—贴装设备的生产要求，应用设计空间灵活，显示鲜艳清晰。多色ＰＬＣＣ封装带有一个外部反射器，可简便地与发光管或光导相结合，用反射型替代目前的透射型光学设计，为大范围区域提供统一的照明，研发在３．５Ｖ、１Ａ驱动条件下工作的功率型ＳＭＤ　ＬＥＤ封装提供有利条件。

 

６、功率型封装　

      ＬＥＤ芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ５ｍｍＬＥＤ大１０~２０倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数瓦功率的ＬＥＤ封装已出现。５Ｗ系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型ＬＥＤ从２００３年初开始供货，白光ＬＥＤ光输出达１８７１ｍ，光效４４．３１ｍ/Ｗ，就光衰问题，开发出可承受１０Ｗ功率的ＬＥＤ大面积管；其尺寸为２．５mm×２．５ｍｍ，可在５Ａ电流下工作，光输出达２００１ｍ，作为固体照明光源有很大发展空间。　

      Ｌｕｘｅｏｎ系列功率ＬＥＤ是将Ａ１ＧａｌｎＮ功率型倒装管芯，倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为１４℃/Ｗ，只有常规ＬＥＤ的１/１０；可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在－４０~１２０℃范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外，其输出光功率、外量子效率等性能优异，将ＬＥＤ固体光源发展到一个崭新水平。

      Ｎｏｒｌｕｘ系列功率ＬＥＤ的封装结构为六角形铝板做底座（使其不导电）的多芯片组合，底座直径３１．７５ｍｍ，发光区位于其中心部位，直径约０．３７５×２５．４ｍｍ，可容纳４０只ＬＥＤ管芯，铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的ＡｌＧａＩｎＮ和ＡｌＧａＩｎＰ管芯，其发射光分别为单色、彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，其光效率高、热阻低，能较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的ＬＥＤ固体光源。

      在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯ＰＣＢ板上，形成功率密度ＬＥＤ，ＰＣＢ板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热沉使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的ＳＭＤ　ＬＥＤ体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

      功率型ＬＥＤ的热特性直接影响到ＬＥＤ的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型ＬＥＤ芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。

 

７、ＬＥＤ发展及应用前景

      近几年，ＬＥＤ的发光效率增长１００倍，成本下降到原来的十分之一，广泛用于大面积图文显示全彩屏、状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源、汽车组合尾灯及车内照明等方面，其发展前景吸引全球照明大厂家先后加入其光源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光ＬＥＤ，用作固体照明器件的经济性显著，且有利环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在２０％以上，中、美、日及欧洲部分国家均推出了半导体照明计划。目前，普通白光ＬＥＤ发光效率２５lｍ/Ｗ。功率型ＬＥＤ优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域，被学术界和产业界认为是ＬＥＤ进入照明市场的必由之路。为替代荧光灯，白光ＬＥＤ必须具有１５０~２００lｍ/Ｗ的光效，且每lm价格应明显低于０．０１５＄/lm（现价约０．２５＄/lm，红ＬＥＤ为０．０６５＄/lm），要实现这一目标仍有很多技术问题需要解决，但克服这些问题并不是十分遥远的事。按固体发光物理学原理，ＬＥＤ的发光效率能近似１００％，因此，ＬＥＤ被誉为“２１世纪的新光源”，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。

 

８、结束语　

      国内ＬＥＤ产业中有２０余家上、中游研制及生产单位和１５０余家封装企业，高端封装产品还未见推向市场。目前，完成ＧａＮ基蓝绿光ＬＥＤ中游工艺技术产业化研究，力争在短期内使产品的性能指标达到国外同时期同类产品的水平，力争在较短时间内达到月产１０ｋｋ的生产能力，开发白光照明光源用的功率型ＬＥＤ芯片等新产品。科技部将投入８０００万元资金，启动国家半导体照明工程，注意终端产品，先从特种产品做起，以汽车、城市景观照明作为市场突破口，把大功率、高亮度ＬＥＤ放在突出位置，它的成果将要服务于北京奥运会和上海世博会。无庸质疑，产业链中的衬底、外延、芯片、封装、应用需共同发展，多方互动培植，封装是产业链中承上启下部分，需要关注与重视。