led照明封装技术

２００８年１０月　第４期　焦作大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＪＩＡ０ＺＵＯ　ＵＮＩＶＥＲＳｒＩ　Ｙ　Ｎｏ．４　０ｃｔ．２Ｏ０８　

ＬＥＤ结构及其封装技术　

刘云朋靳孝峰　（焦作大学，河南焦作４５４００３）　

摘要：文章探讨了ＬＥＤ的特殊光电热特性，介绍了多种封装技术，并指出了应用前景。　关键词：发光管；封装；高亮度；散热，光衰　中图分类号：ＴＮ３８３　．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８—７２５７（２００８）０４—００７１—０３　

１．引言　

ＬＥＤ是一种半导体固体发光器件，它利用固体半导　体芯片作为发光材料，直接将电能转化为可见光和辐射　能。ＬＥＤ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、光效高、聚光好、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、　寿命长等一系列特性，是一种环保、节能、高效的新型　发光材料。　ＬＥＤ衬底晶片及衬底生产是ＬＥＤ产业链中的上游　产业，ＬＥＤ芯片设计及制造生产是ＬＥＤ产业链中的中　游产业，ＬＥＤ封装与测试是ＬＥＤ产业链中的下游产业。　研发低热阻、优异光学特性、高可靠性的封装技术是新　型ＬＥＤ走向实用、走向市场的产业化必由之路。ＬＥＤ　技术发展突飞猛进，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，ＬＥＤ光源的使用越来越　普遍。　２．ＬＥＤ封装的特殊性　

ＬＥＤ既有电参数又有光参数的设计及技术要求，决　定了ＬＥＤ封装技术的特殊性。ＬＥＤ的封装必须具有完　成电气互连、保护管芯正常工作及输出可见光的双重功　能。　２．１　ＬＥＤ的光电特性及封装要求　ＬＥＤ的核心发光部分是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。但ＰＮ结区发出的光子是非定　向的，即向各个方向发射具有相同的几率，因此，并不　是管芯产生的所有光都可以释放出来。光释放主要取　决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部　结构与包封材料等几个方面，应用中要求提高ＬＥＤ的　内、外部量子效率，提高光输出量，封装技术是不可或　缺的环节，封装内部结构与包封材料必须做到尽可能多　的光输出。　ＬＥＤ常采用环氧树脂和软性硅胶封装，小功率ＬＥＤ　多采用环氧树脂封装，大功率ＬＥＤ多采用软性硅胶封　装。常规中５　ｒａｍ型ＬＥＤ封装是将边长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，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：（１）保护管芯等不受外界　侵蚀；（２）采用不同的形状和材料（掺或不掺散色剂），　起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；（３）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　界角很小，其由源层产生的光只有小部分被取出，大部　分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导　致过多光损失，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、足够的机械强度、对管芯发出光的　折射率和透射率高等性能。选择不同折射率的封装材　料，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。　２．２　ＬＥＤ的热电特性及封装要求　ＬＥＤ的工作电压较低，一般为１．５Ｖ一４Ｖ，白光ＬＥＤ　的工作电压一般为３Ｖ～４Ｖ，工作电流一般为ｍＡ级，直　流供电，控制方便，光效高，常被称为冷光源。但ＬＥＤ　在工作时，其ＰＮ结仍产生一定的热量，使得ＰＮ结的工　收稿日期：２００７—０５—１２　作者简介：刘云朋（１９８３一），男，河南上蔡人，焦作大学信息工程学院教师。

ｅｕｓｉｎｇ　ｏｎ　ＬＥＤ　■ｌ聚焦ＬＥＤ　

ＬＥＤ封装技术及荧光粉在封装　

ＬＥＤ　ＥＮＣＡＰＳＵＬＡＴＩ口Ｎ　ＡＮＤ　ＦＬＵ口ＲＥＳＣＥＮＴ　ＰＤＷ口ＥＲ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩ口Ｎ　ＩＮ　ＥＮＣ　

摘要：封装技术对ＬＥＤ的性能和町靠性发挥若币要的作用　Ｉ　面对ＬＥＤＪ￣　行介绍　关键渊：ＬＥＤ封装；荧光粉　

＿　ＥＤ封装是将外引线连接＿￣ＩＪＬＥＤ芯片的电极上，　

＿　以便于与其它器件连接。它不仅将用导线将芯片　Ｌ．．上的电极连接到封装外壳上实现芯片与外部电　根据不　路的连接，而且将芯片固定和密封起来，以保护芯片电　装形式做成　

路不受水、空气等物质的侵蚀而造成电气，ｌ生能降低。另　显色指数、品　外，封装还可以提高ＬＥＤ芯片的出光效率，并为下游产　脚，ＬＥＤ可　

业的应用安装和运输提供方便。因此，封装技术对ＬＥＤ　常；ｌ　、功率Ｌ［　

的Ｉ生能和可靠性发挥着重要的作用。下面对ＬＥＤ封装技面贴装式ＳＭＦ　术、荧光粉及其在ＬＥＤ封装中的应用进行介绍。　装”　。功率型【　

８２Ⅱ圆皿９／２０１０　Ｉ　ＷＷＷ　

ｃｎ—ｚｇｚｍ　ｃｏｍ　们目前研究的热点。下面就几种主要的封装形式进行说　

明：　（１）引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引　

脚。圆头插脚式ＬＥＤ是常用的封装形式。这种封装常用　

环氧树脂或硅树脂作为包封材料，芯片约９０％的热量由　引线架传递到印刷电路板（Ｐｃａ）上，再散发到周围空气　

中　。环氧树脂的直径有７ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ和　２ｍｍ等规格。发光角（２　ｅ　１／２）的范围可达１８。～１２０。。　

（２）表面贴装封装它是继引脚式封装之后出现的　

一种重要封装形式。它通常采用塑料带引线片式载体　（Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｌｅａｄｅｄ　Ｃｈｉｐ　Ｃａｒｒｉｅｒ，ＰＬＣＣ），将ＬＥＤ芯片放在　

顶部凹槽处，底部封以金属片状引脚。ＬＥＤ采用表面贴　装封装，较好地解决了亮度，视角，平整度，一致性和　

可靠『生等问题，是目前ＬＥＤ封装技术的一个重要发展方　

LED封装结构及技术

作者：深圳亮剑科技（摘抄）

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LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，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，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300亿只的能力，实现超高亮度AiGslnP的LED外延片和芯片的大生产，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、白的LED的中批量生产。据预测，到2005年国际上LED的市场需求量约为2000亿只，销售额达800亿美元。 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、走向市场的产业化必经之路，从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带，只有封装好的才能成为终端产品，才能投入实际应用，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封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。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)，起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很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，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高。选择不同折射率的封装材料，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，需要改进封装结构，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100Im／W，绿LED为501m／W，单只LED的光通量也达到数十Im。LED芯片和封装不再沿龚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。

LED封装硅胶技术

前言

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂或硅胶封装起来。

灯珠 贴片LED

LAMP-LED

SMD-LED

与LED相关的几个名词解释：

1）光通量

由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。光通量用符号Φ表示，单位为流明（lm）。

2）发光强度

光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出的光通量。1 cd = 1 lm/1 sr （sr：立体角的球面度单位）。

3) 亮度

亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度。单位为坎德拉/平方米[cd/m2]，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。

4) 色温( Color Temperature )

当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同

时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K（开尔文，开氏度 = 摄氏度 + 273.15 ）表示。

5) 显色性(Color rendering property)

原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。