探討LED封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)

1 引言

　　LED是一類(lèi)可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)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(yīng)時(shí)間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動(dòng)，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(jìn)，現(xiàn)已能批量生產(chǎn)整個(gè)可見(jiàn)光譜段各種顏色的高亮度、高性能產(chǎn)品。國(guó)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(biāo)是達(dá)到年產(chǎn)300億只的能力，實(shí)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(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠、白的LED的中批量生產(chǎn)。據(jù)預(yù)測(cè)，到2005年國(guó)際上LED的市場(chǎng)需求量約為2000億只，銷(xiāo)售額達(dá)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L(zhǎng)ED芯片設(shè)計(jì)及制造生產(chǎn)，下游歸LED封裝與測(cè)試，研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學(xué)特性、高可靠的封裝技術(shù)是新型LED走向?qū)嵱谩⒆呦蚴袌?chǎng)的產(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(chǎng)的紐帶，只有封裝好的才能成為終端產(chǎn)品，才能投入實(shí)際應(yīng)用，才能為顧客提供服務(wù)，使產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣，無(wú)縫暢通。

　　2 LED封裝的特殊性

　　LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來(lái)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(hù)管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號(hào)，保護(hù)管芯正常工作，輸出：可見(jiàn)光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，無(wú)法簡(jiǎn)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(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)管芯，當(dāng)注入pn結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)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(gè)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(lái)，這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)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(zhǎng)0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線(xiàn)架上，管芯的正極通過(guò)球形接觸點(diǎn)與金絲，鍵合為內(nèi)引線(xiàn)與一條管腳相連，負(fù)極通過(guò)反射杯和引線(xiàn)架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護(hù)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(guān)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(dǎo)致過(guò)多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹(shù)脂作過(guò)渡，提高管芯的光出射效率。用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹(shù)脂須具有耐濕性，絕緣性，機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)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(duì)光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強(qiáng)度的角分布也與管芯結(jié)構(gòu)、光輸出方式、封裝透鏡所用材質(zhì)和形狀有關(guān)。若采用尖形樹(shù)脂透鏡，可使光集中到LED的軸線(xiàn)方向，相應(yīng)的視角較小；如果頂部的樹(shù)脂透鏡為圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。

　　一般情況下，LED的發(fā)光波長(zhǎng)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(dāng)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(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少1％左右，封裝散熱；時(shí)保持色純度與發(fā)光強(qiáng)度非常重要，以往多采用減少其驅(qū)動(dòng)電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)LED的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA左右。但是，LED的光輸出會(huì)隨電流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到 70mA、100mA甚至1A級(jí)，需要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，全新的LED封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB線(xiàn)路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。

　　進(jìn)入21世紀(jì)后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展攻關(guān)，紅、橙LED光效已達(dá)到100Im／W，綠LED為501m／W，單只LED的光通量也達(dá)到數(shù)十Im。LED芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cuò)來(lái)提高內(nèi)部效率，同時(shí)，如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)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(shè)計(jì)，改進(jìn)光學(xué)性能，加速表面貼裝化SMD進(jìn)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(gòu)類(lèi)型

　　自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，LED芯片及材料制作技術(shù)的研發(fā)取得多項(xiàng)突破，透明襯底梯形結(jié)構(gòu)、紋理表面結(jié)構(gòu)、芯片倒裝結(jié)構(gòu)，商品化的超高亮度（1cd以上）紅、橙、黃、綠、藍(lán)的LED產(chǎn)品相繼問(wèn)市，如表1所示，2000年開(kāi)始在低、中光通量的特殊照明中獲得應(yīng)用。LED的上、中游產(chǎn)業(yè)受到前所未有的重視，進(jìn)一步推動(dòng)下游的封裝技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，采用不同封裝結(jié)構(gòu)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。