(7-8)LED的封裝技術(shù)2

1、概述 LED芯片只是一塊很小的固體，它的兩個電極要在顯微鏡下才能看見，加入電流之后他才會發(fā)光。 在制作工藝上，除了要對LED芯片的兩個電極進(jìn)行焊接，從而引出正極、負(fù)極之外，同時還需要對LED芯片和兩個電極概述 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?、走向市場的產(chǎn)業(yè)化必經(jīng)之路. LED技術(shù)大都是在半導(dǎo)體分離器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展與演變而來的。 將普通二極管的管芯密封在封裝體內(nèi)，起作用是概述對LED的封裝則是：實現(xiàn)輸入電信號、保護(hù)芯片正常工作、輸出可見光的功能，概述 LED pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此并不是芯片產(chǎn)生的所有光都可以發(fā)射出來

2、。 能發(fā)射多少光，取決于半導(dǎo)體材料的質(zhì)量、芯片結(jié)構(gòu)、幾何形狀、封裝內(nèi)部材料與包裝材料。 因此，對LED封裝，要根據(jù)LED芯片的大小、功率大小來選擇合適的封裝方式。2.4 LED的封裝技術(shù)的封裝技術(shù) 2.功率型LED封裝技術(shù)1 LED的封裝形式與結(jié)構(gòu) 提綱提綱1 LED的封裝形式與結(jié)構(gòu)的封裝形式與結(jié)構(gòu)Lamp-LED早期出現(xiàn)的是直插早期出現(xiàn)的是直插LED，它的封裝采用灌封的形式。，它的封裝采用灌封的形式。1） Lamp-LED封裝封裝2） SMD封裝封裝表面貼裝技術(shù)表面貼裝技術(shù)(SMT)應(yīng)用于應(yīng)用于LED生產(chǎn)生產(chǎn)始于始于20世紀(jì)世紀(jì)80年代，表面貼裝是年代，表面貼裝是LED一種重要的封裝形式。一

3、種重要的封裝形式。表面貼裝表面貼裝LED與其他表面貼裝器件與其他表面貼裝器件(SMD)一樣，適合于自動化大規(guī)模生一樣，適合于自動化大規(guī)模生產(chǎn)，并且適應(yīng)電子整機產(chǎn)品輕薄短小產(chǎn)，并且適應(yīng)電子整機產(chǎn)品輕薄短小的發(fā)展要求。的發(fā)展要求。 封裝形式封裝形式 外形尺寸外形尺寸最小間距最小間距 最佳觀察距最佳觀察距離（離（m）說明說明 PLCC-2 3.2 X 3.0 lO 17單芯片有單芯片有利于散熱利于散熱 PLCC-4 3.2 X 2.8 5 8.5雙色和三雙色和三色組合封色組合封裝裝 0603 1.7 X 0.9 5 8.5向向0402發(fā)發(fā)展展 0805 2.1 x 1.35 6 11.2 1206

4、3.1 X 1.7 8 13.6側(cè)光型、側(cè)光型、高亮度型高亮度型表面貼裝表面貼裝LED的有關(guān)尺寸的有關(guān)尺寸 3) 多芯片集成封裝多芯片集成封裝目前大尺寸芯片還存在散熱和發(fā)光均勻目前大尺寸芯片還存在散熱和發(fā)光均勻性及發(fā)光效率下降等問題。由于小芯片性及發(fā)光效率下降等問題。由于小芯片工藝相對成熟，將多個小尺寸芯片高工藝相對成熟，將多個小尺寸芯片高密度地集成在一起封裝而成的功率型密度地集成在一起封裝而成的功率型LED，可以獲得較高的光通量。，可以獲得較高的光通量。 舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝數(shù)碼管單位（一位）舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝數(shù)碼管多位舉例：舉例

5、： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝數(shù)碼管雙色舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝點陣各色點陣舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝點陣單元舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝點陣單元組合舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝光柱多彩舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝平面封裝器件平面封裝器件 種類繁多種類繁多 顏色：單色、雙色、多色、白色顏色：單色、雙色、多色、白色舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝二、數(shù)碼管封裝二、數(shù)碼管封裝 反射罩式數(shù)碼管示意圖反射罩式數(shù)碼管示意圖舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光

6、器件的封裝數(shù)碼管實封結(jié)構(gòu)：步驟數(shù)碼管實封結(jié)構(gòu)：步驟 1、壓焊方法把芯片粘合到印刷電路板上；、壓焊方法把芯片粘合到印刷電路板上； 2、用硅絲、鋁絲、硅鋁絲或金絲將芯片電、用硅絲、鋁絲、硅鋁絲或金絲將芯片電極與外電極相連；極與外電極相連； 電極引線絲電極引線絲3.0m。 3、反射罩正面貼上高溫膠帶；、反射罩正面貼上高溫膠帶； 4、翻過反射罩，把環(huán)氧樹脂灌滿，、翻過反射罩，把環(huán)氧樹脂灌滿， 5、把焊好芯片的電路板對準(zhǔn)空位壓好。、把焊好芯片的電路板對準(zhǔn)空位壓好。舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝空封結(jié)構(gòu)：步驟空封結(jié)構(gòu)：步驟 1、壓焊方法把芯片粘合到印刷電路板上；、壓焊方法把芯片粘合到印

7、刷電路板上； 2、用鋁絲或金絲將芯片電極與外電極相連、用鋁絲或金絲將芯片電極與外電極相連； 3、反射罩的正面（出光面）貼上濾色片和、反射罩的正面（出光面）貼上濾色片和勻光膜。勻光膜。舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝數(shù)碼管封裝后的品質(zhì)要求數(shù)碼管封裝后的品質(zhì)要求 光學(xué)：發(fā)光顏色均勻、視角要寬光學(xué)：發(fā)光顏色均勻、視角要寬 機械結(jié)構(gòu)：環(huán)氧樹脂沒有雜質(zhì)和氣泡、封機械結(jié)構(gòu)：環(huán)氧樹脂沒有雜質(zhì)和氣泡、封裝表面平整、整體器件平整，不變形不彎裝表面平整、整體器件平整，不變形不彎曲。曲。舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝封裝后數(shù)碼管產(chǎn)品參數(shù)舉例封裝后數(shù)碼管產(chǎn)品參數(shù)舉例 4位數(shù)碼管參

8、數(shù)位數(shù)碼管參數(shù) 芯片的數(shù)量：芯片的數(shù)量：32+2 檢驗：檢驗： 通直流電源，按照通直流電源，按照“共陰共陰”、“共陽共陽”注注意正負(fù)接電。意正負(fù)接電。 單個筆劃是否均勻、多個筆劃是否一致、單個筆劃是否均勻、多個筆劃是否一致、多個筆劃是否有串光。多個筆劃是否有串光。舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝雙色數(shù)碼管產(chǎn)品雙色數(shù)碼管產(chǎn)品舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝雙色數(shù)碼管產(chǎn)品雙色數(shù)碼管產(chǎn)品舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝雙色數(shù)碼管產(chǎn)品雙色數(shù)碼管產(chǎn)品舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝雙色數(shù)碼管雙色數(shù)碼管 一個字段一個字段6個數(shù)碼管構(gòu)成

9、，分個數(shù)碼管構(gòu)成，分2組，一組組，一組3個個串聯(lián)，供電電壓要高。串聯(lián)，供電電壓要高。 兩組光電電源。兩組光電電源。 芯片數(shù)量：芯片數(shù)量：42+2。 顏色：紅、綠、黃三色，及不同的黃色。顏色：紅、綠、黃三色，及不同的黃色。舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝雙色數(shù)碼管舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝點陣封裝點陣封裝 封裝方法與數(shù)碼管類似封裝方法與數(shù)碼管類似舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝雙色點陣實例雙色點陣實例舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝雙色點陣實例雙色點陣實例舉例：舉例： 平面發(fā)光器件的封裝平面發(fā)光器件的封裝2.功率型功率

10、型LED封裝技術(shù)封裝技術(shù)功率型功率型LED功率型功率型LED封裝技術(shù)封裝技術(shù)封裝基板封裝基板目前常見的大功率目前常見的大功率LED封裝基板有封裝基板有PCB、MCPCM金屬覆銅金屬覆銅板、板、Al2O3陶瓷和陶瓷和AlN陶瓷。陶瓷。類型類型熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率W/mk膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)ppm/K耐熱性能耐熱性能 PCB0315300/120s金屬覆銅板金屬覆銅板1522288/30s陶瓷陶瓷基板基板氧化鋁氧化鋁207500氮化鋁氮化鋁1805500各類封裝基板比較各類封裝基板比較功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求 傳統(tǒng)LED的光通量與白熾燈和熒光燈等通用光源相比，

11、距離甚遠(yuǎn)。 LED要進(jìn)入照明領(lǐng)域，首要任務(wù)是將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。 由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對功率型LED的封裝技術(shù)提出了更高的要求。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求 針對照明領(lǐng)域?qū)庠吹囊?，照明用功率型LED的封裝面臨著以下挑戰(zhàn)： 更高的發(fā)光效率； 更高的單燈光通量； 更好的光學(xué)特性（光指向性、色溫、顯色性等）； 更大的輸入功率； 功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求 更高的可靠性（更低的失效率、更長的壽命等）； 更低的光通量成本。 這些挑戰(zhàn)的要求在美國半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖中已充

12、分體現(xiàn)（見下表）。 我們可以通過改善LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)，來逐步使之實現(xiàn)。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)照明領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體LED光源的要求功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率1. 提高發(fā)光效率的途徑 LED的發(fā)光效率是由芯片的發(fā)光效率和封裝結(jié)構(gòu)的出光效率共同決定的。 提高LED發(fā)光效率的主要途徑有： 提高芯片的發(fā)光效率； 功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率1. 提高發(fā)光效率的途徑 將芯片發(fā)出的光有效地萃取出來； 將萃取出來的光高效地導(dǎo)出LED管體外； 提高熒光粉的激發(fā)效率（對白光而言）； 降低LED的熱阻。 功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵

13、技術(shù)提高發(fā)光效率2. 芯片的選擇 LED的發(fā)光效率主要決定于芯片的發(fā)光效率。隨著芯片制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，芯片的發(fā)光效率在迅速提高。目前發(fā)光效率高的芯片主要有：HP公司的TS類芯片、CREE公司的XB類芯片、WB（wafer bonding）類芯片、功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率2. 芯片的選擇ITO類芯片、表面粗化芯片倒裝焊類芯片等等。 可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求和LED封裝結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的高發(fā)光效率的芯片進(jìn)行封裝。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 芯片選定之后，要提高LED的發(fā)光效率，能否將芯片發(fā)出的光高效地萃取和導(dǎo)

14、出，就顯得非常關(guān)鍵了。（1）光的萃取 功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 （1）光的萃取 由于芯片發(fā)光層的折射率較高（GaN n=2.4，GaP n=3.3），如果出光通道與芯片表面接合的物質(zhì)的折射率與之相差較大（如環(huán)氧樹脂為n=1.5）。 則會導(dǎo)致芯片表面的全反射臨界角較小，芯片發(fā)出的光只有一部分能通過界面逸出被有效利用，相當(dāng)一部分的光因全反射而被困在芯片內(nèi)部，造成萃光效率偏低，直接影響LED的發(fā)光效率。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 （1）光的萃取 為了提高萃光效率，在選擇與芯片表面接合的物質(zhì)時，必須考慮其折射

15、率要與芯片表面材料的折射率盡可能相匹配。 采用高折射率的柔性硅膠作與芯片表面接合的材料，既可以提高萃光效率，又可以使芯片和鍵合引線得到良好的應(yīng)力保護(hù)。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)（1）光的萃取 GaN類倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：有源層（n=2.4）藍(lán)寶石（n=1.8）環(huán)氧樹脂（n=1.5）空氣（n=1）； GaN類正裝芯片封裝的LED的出光通道折射率變化為：有源層（n=2.4）環(huán)氧樹脂（n=1.5）空氣（n=1） 采用倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率匹配比正裝芯片要好，出光效率更高。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率3. 出光通道的設(shè)計與

16、材料選擇 （2）光的導(dǎo)出1）設(shè)計良好的出光通道，使光能夠高效地導(dǎo)出到LED管體外反射腔體的設(shè)計； 透鏡的設(shè)計； 出光通道中各種不同材料的接合界面設(shè)計和折射率的匹配盡可能減少出光通道中不必要的光吸收和泄漏現(xiàn)象。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率3. 出光通道的設(shè)計與材料選擇 （2）光的導(dǎo)出2）出光通道材料的選擇： 高的透光率； 匹配良好的折射率； 抗UV、防黃變特性； 高的溫度耐受能力和良好的應(yīng)力特性。功率型功率型LED封裝封裝關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率4. 熒光粉的使用 就白光LED而言，熒光粉的使用是否合理，對其發(fā)光效率影響較大。 首先要選用與芯片波長相匹配的高受激轉(zhuǎn)換

17、效率的熒光粉； 其次是選用合適的載體膠調(diào)配熒光粉，并使其以良好的涂布方式均勻而有效地覆蓋在芯片的表面及四周，以達(dá)到最佳的激發(fā)效果。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率4. 熒光粉的使用 傳統(tǒng)上將熒光膠全部注滿反射杯的做法：（1）不但涂布均勻性得不到保障，（2）而且會在反射腔體中形成熒光粉的漫射分布，造成不必要的光泄漏損失，既影響光色的品質(zhì)，又會使LED光效降低。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率4. 熒光粉的使用 采用熒光粉薄膜式涂布可以解決上述問題： 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率5. 熱阻的降低 LED自身的發(fā)熱使芯片的結(jié)溫升高，導(dǎo)致芯片發(fā)光效率的下降。 功率型 LED必須要有良好

18、的散熱結(jié)構(gòu)，使LED內(nèi)部的熱量能盡快盡量地被導(dǎo)出和消散，以降低芯片的結(jié)溫，提高其發(fā)光效率。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率5. 熱阻的降低 芯片結(jié)溫（TJ）與環(huán)境溫度（TA）、熱阻（Rth）和輸入功率（PD）的關(guān)系是： TJ=TA+RthPD 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)提高發(fā)光效率5. 熱阻的降低 在輸入功率PD一定的情況下，熱阻Rth的大小對結(jié)溫的高低有很大的影響，也就是說，熱阻的高低是LED散熱結(jié)構(gòu)好壞的標(biāo)志。 采用優(yōu)良的散熱技術(shù)降低封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，將使LED發(fā)光效率的提高得到有效的保障。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 1. 調(diào)控光強的空間分布 與傳統(tǒng)光源相比，LED發(fā)出

19、的光有較強的指向性，如果控制得當(dāng)，可以提高整體的照明效率，使照明效果更佳。 如何根據(jù)照明應(yīng)用的需要，調(diào)控LED的光強空間分布呢？功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 1.調(diào)控光強的空間分布 可以通過以下步驟來實現(xiàn)。清楚了解芯片發(fā)光的分布特點； 根據(jù)芯片發(fā)光的分布特點和LED最終光強分布的要求設(shè)計出光通道： 反射腔體的設(shè)計； 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 1. 調(diào)控光強的空間分布 透鏡的設(shè)計； 光線在出光通道中折射和漫射的考慮； 出光通道各部分的幾何尺寸的設(shè)計和配合。 選擇合適的出光通道材料和加工工藝。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 2. 改善光色均勻性

20、目前最常用的LED白光生成的技術(shù)路線是 ：藍(lán)色芯片+黃色熒光粉（YAG/TAG）。 該工藝方法，是將熒光粉與載體膠混合后涂布到芯片上。 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 2. 改善光色均勻性 在操作過程中，由于：載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)；熒光粉比重大于載體膠而容易產(chǎn)生沉淀；以及涂布設(shè)備精度等因素的影響。 熒光粉的涂布量和均勻性的控制有難度，導(dǎo)致白光顏色的不均勻。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 2. 改善光色均勻性 改善光色均勻性的方法有： 出光通道的設(shè)計； 熒光粉粒度大小的合理選擇； 載體膠粘度特性的把握； 功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 2. 改善光色均

21、勻性 改進(jìn)熒光膠調(diào)配的工藝方法，防止操作過程中熒光粉在載體膠內(nèi)產(chǎn)生沉降； 采用高精度的熒光粉涂布設(shè)備，并改良熒光膠涂布的方法和形式功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 3. 改善色溫與顯色性 白光LED色溫的調(diào)控主要是通過： 藍(lán)色芯片波長的選定， 熒光粉受激波長的匹配， 和熒光粉涂布量、均勻性的控制來實現(xiàn)的。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 3. 改善色溫與顯色性 基于藍(lán)色芯片+黃色熒光粉（YAG/TAG）LED白光生成技術(shù)路線的機理和熒光粉的特性，早期傳統(tǒng)的白光LED在高色溫區(qū)域（5500K）里，色溫的調(diào)控比較容易實現(xiàn)，顯色性也較好（Ra80）。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)3. 改善色溫與顯色性 在照明應(yīng)用通常要求的低色溫區(qū)域（2700K5500K），傳統(tǒng)白光LED的色溫調(diào)控較難，顯色性也不佳（Ra80），與照明光源的要求有一定的差距。 即使可以生成低色溫的白光，其色坐標(biāo)也偏離黑體輻射軌跡較遠(yuǎn)（通常是在軌跡上方），使其光色不正，顯色性差。功率型LED封裝關(guān)鍵技術(shù)改善LED的光學(xué)特性 3. 改善色溫與顯色性 要解決這一問題，關(guān)鍵是熒光粉的改良，可以通過添加紅色熒光粉，使LED發(fā)出的白光的色坐標(biāo)盡量靠近黑體輻射軌跡，從而改善其光色和顯色性。 目前改善白光LED在低色溫區(qū)的顯色性的主要方法有4種：功率型LED封