2022年行業(yè)分析LED封裝技術、結構類型及產品應用前景

LED封裝技術、結構類型及產品應用前景LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上進展與演化而來的，但卻有很大的特別性。一般狀況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內，封裝的作用主要是愛護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，愛護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設計及技術要求，無法簡潔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(shù)載流子與多數(shù)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，即向各個方向放射有相同的幾率，因此，并不是管芯產生的全部光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何外形、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，向期望的方向角內放射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成肯定外形，有這樣幾種作用：愛護管芯等不受外界侵蝕;采納不同的外形和材料性質(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，掌握光的發(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(jīng)多次反射而被汲取，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，封裝幾何外形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外形有關。若采納尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應的視角較小;假如頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。

一般狀況下，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，影響顏色艷麗度。另外，當正向電流流經(jīng)pn結，發(fā)熱性損耗使結區(qū)產生溫升，在室溫四周，溫度每上升1℃，LED的發(fā)光強度會相應地削減1%左右，封裝散熱;時保持色純度與發(fā)光強度特別重要，以往多采納削減其驅動電流的方法，降低結溫，多數(shù)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，許多功率型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，采納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、導熱性能也非常重要。

進入21世紀后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷進展創(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(shù)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)不僅僅限于轉變材料內雜質數(shù)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，增加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。

產品封裝結構類型

自上世紀九十年月以來，LED芯片及材料制作技術的研發(fā)取得多項突破，透亮?????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年開頭在低、中光通量的特別照明中獲得應用。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)進展，采納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，也有依據(jù)發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等狀況特征來分類的。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可漸漸替代引腳式LED，應用設計更敏捷，已在LED顯示市場中占有肯定的份額，有加速進展趨勢。固體照明光源有部分產品上市，成為今后LED的中、長期進展方向。

引腳式封裝

LED腳式封裝采納引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)勝利投放市場的封裝結構，品種數(shù)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(shù)客戶認為是目前顯示行業(yè)中最便利、最經(jīng)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需考慮的。包封材料多采納高溫固化環(huán)氧樹脂，其光性能優(yōu)良，工藝適應性好，產品可*性高，可做成有色透亮?????或無色透亮?????和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡外形構成多種形狀及尺寸，例如，圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等數(shù)種，環(huán)氧樹脂的不同組份可產生不同的發(fā)光效果?；ㄉc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，引腳可彎曲成所需外形，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;閃耀式將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耀光;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管芯粘嵩諼⑿蚉CB板的規(guī)定位置上，采納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(xiàn)已開發(fā)出數(shù)百種封裝形狀及尺寸，供市場及客戶適用。

LED發(fā)光顯示器可由數(shù)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外形與結構。以數(shù)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(shù)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，組裝敏捷的混合封裝特點，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相互對位的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，前者采納散射劑與染料的環(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亮?????絕緣膠，提高出光效率，一般用于四位以上的數(shù)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(shù)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(shù)碼字形的可伐架上，經(jīng)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，可采納雙列直插式封裝，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，使點光源通過透亮?????罩殼的13-15條光柵成像，完成每只管芯由點到線的顯示，封裝技術較為簡單。

半導體pn結的電致發(fā)光機理打算LED不行能產生具有連續(xù)光譜的白光，同時單只LED也不行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;或采納幾種(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。這兩種方法都取得有用化，日本2000年生產白光LED達1億只，進展成一類穩(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。

表面貼裝封裝

在2022年，表面貼裝封裝的LED(SMDLED)漸漸被市場所接受，并獲得肯定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業(yè)進展大趨勢，許多生產廠商推出此類產品。

早期的SMDLED大多采納帶透亮?????塑料體的SOT-23改進型，形狀尺寸3.04×1.11mm，卷盤式容器編帶包裝。在SOT-23基礎上，研發(fā)出帶透鏡的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED，前者為單色發(fā)光，后者為雙色或三色發(fā)光。近些年，SMDLED成為一個進展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可*性、全都性等問題，采納更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產品重量減輕一半，最終使應用更趨完善，尤其適合戶內，半戶外全彩顯示屏應用。

焊盤是其散熱的重要渠道，廠商供應的SMDLED的數(shù)據(jù)都是以4.0×4.0mm的焊盤為基礎的，采納回流焊可設計成焊盤與引腳相等。超高亮度LED產品可采納PLCC(塑封帶引線片式載體)-2封裝，形狀尺寸為3.0×2.8mm，通過獨特方法裝配高亮度管芯，產品熱阻為400K/W，可按CECC方式焊接，其發(fā)光強度在50mA驅動電流下達1250mcd。七段式的一位、兩位、三位和四位數(shù)碼SMDLED顯示器件的字符高度為5.08-12.7mm，顯示尺寸選擇范圍寬。PLCC封裝避開了引腳七段數(shù)碼顯示器所需的手工插入與引腳對齊工序，符合自動拾取—貼裝設備的生產要求，應用設計空間敏捷，顯示艷麗清楚。多色PLCC封裝帶有一個外部反射器，可簡便地與發(fā)光管或光導相結合，用反射型替代目前的透射型光學設計，為大范圍區(qū)域供應統(tǒng)一的照明，研發(fā)在3.5V、1A驅動條件下工作的功率型SMDLED封裝。

功率型封裝

LED芯片及封裝向大功率方向進展，在大電流下產生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必需采納有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關鍵技術，能承受數(shù)W功率的LED封裝已消失。5W系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2022年初開頭供貨，白光LED光輸出達1871m，光效44.31m/W綠光衰問題，開發(fā)出可承受10W功率的LED，大面積管;匕尺寸為2.5×2.5mm，可在5A電流下工作，光輸出達2022m，作為固體照明光源有很大進展空間。

Luxeon系列功率LED是將A1GalnN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進行封裝。這種封裝對于取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點：熱阻低，一般僅為14℃/W，只有常規(guī)LED的1/10;可*性高，封裝內部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在-40-120℃范圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與引線框架斷開，并防止環(huán)氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會因氧化而玷污;反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控和光學效率最高。另外，其輸出光功率，外量子效率等性能優(yōu)異，將LED固體光源進展到一個新水平。

Norlux系列功率LED的封裝結構為六角形鋁板作底座(使其不導電)的多芯片組合，底座直徑31.75mm，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，直徑約(0.375×25.4)mm，可容納40只LED管芯，鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上制作的兩個接觸點與正、負極連接，依據(jù)所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數(shù)目，可組合封裝的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其放射光分別為單色，彩色或合成的白色，最終用高折射率的材料按光學設計外形進行包封。這種封裝采納常規(guī)管芯高密度組合封裝，取光效率高，熱阻低，較好地愛護管芯與鍵合引線，在大電流下有較高的光輸出功率，也是一種有進展前景的LED固體光源。

在應用中，可將已封裝產品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，形勝利率密度LED，PCB板作為器件電極連接的布線之用，鋁芯夾層則可作熱沉使用，獲得較高的發(fā)光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的SMDLED體積很小，可敏捷地組合起來，構成模塊型、導光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等，因此，對功率型LED芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要。

LED進展及應用前景

近幾年，LED的發(fā)光效率增長100倍，成本下降10倍，廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏，狀態(tài)指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源，汽車組合尾燈及車內照明等等方面，其進展前景吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發(fā)中。極具進展與應用前景的是白光LED，用作固體照明器件的經(jīng)濟性顯著，且有利環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界年增長率在20%以上，美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導體照明方案。目前，一般白光LED