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LED封裝結(jié)構(gòu)及其技術(shù)
點(diǎn)擊次數(shù):1822 發(fā)布時(shí)間:2007/6/12 10:19:01
1 引言
LED是一類可直接將電能轉(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)引線與一條管腳相連,負(fù)極通過(guò)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(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)。若采用尖形樹脂透鏡,可使光集中到LED的軸線方向,相應(yīng)的視角較??;如果頂部的樹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線路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。