1 LED芯片類型
LED芯片類型從結(jié)構(gòu)角度上主要分為三類:水平電極芯片,倒裝芯片和垂直電極芯片。
如下圖1 所示
2 LED的封裝
封裝是實(shí)現(xiàn)LED從芯片走向最終產(chǎn)品所必需的中間環(huán)節(jié),封裝的功能在于提供芯片足夠的保護(hù),防止芯片在空氣中長(zhǎng)期暴露或機(jī)械損傷而失效,以提高芯片的穩(wěn)定性;對(duì)于LED封裝,還需要具有良好光取出效率和良好的散熱性,好的封裝可以讓LED具備更好的發(fā)光效率和散熱環(huán)境,進(jìn)而提升LED的壽命。
封裝的作用:實(shí)現(xiàn)輸入電信號(hào),保護(hù)芯片正常工作,輸出可見(jiàn)光的功能。
3 常用的LED芯片封裝形式
1)引腳式封裝
2)平面式封裝
3)表貼封裝
4)食人魚(yú)封裝
5)功率型封裝
4 引腳式封裝結(jié)構(gòu)
LED引腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳,是最先研發(fā)成功投放市場(chǎng)的封裝結(jié)構(gòu),品種數(shù)量繁多,技術(shù)成熟度較高,封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進(jìn)。
LED芯片粘結(jié)在引線支架上。正極用金線鏈接在一個(gè)支架上,負(fù)極用金絲連接在支架反射杯子內(nèi)或者用銀漿直接粘結(jié)在支架反射杯內(nèi)。頂部用環(huán)氧樹(shù)脂包封,做成圓柱+半球型。環(huán)氧樹(shù)脂的形狀起到透鏡的作用,控制光束發(fā)散角。同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂的折射率起到芯片與空氣的過(guò)渡,提高芯片的發(fā)光效率,芯片的折射率高,對(duì)空氣的全反射角度小,而對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂,全反射角度增大,可以使得更多的光輸出。
一般此種LED chip的尺寸是0.25mmX0.25mm,封裝后元件的半徑是5mm,發(fā)光功率1~2 流明,工作電流是20~30mA。傳統(tǒng)小晶片LED因?yàn)榘l(fā)光功率低,限制了其應(yīng)用。大部分用在顯示或者指示方面。比如儀器的指示燈。
4.1引腳式封裝的工藝
5 平面式封裝
平面式封裝就是將多個(gè)LED芯片組合封裝成一個(gè)平面的結(jié)構(gòu)型封裝。通過(guò)LED的適當(dāng)連接(串聯(lián)和并聯(lián))和合適的光學(xué)結(jié)構(gòu),可構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點(diǎn),然后由這些發(fā)光段和發(fā)光點(diǎn)組成各種發(fā)光顯示器,如數(shù)碼管、“米”字管和矩陣管等。
以美國(guó)Cree公司的Xlamp XP-E產(chǎn)品為例,采用的是一種生產(chǎn)效率更高的封裝制造工藝,以陶瓷作為封裝基板,產(chǎn)品單元在一片陶瓷基板上,呈平面狀,陣列式排布在一起。在每個(gè)基板單元上安裝芯片,然后在陶瓷基板上封裝一層硅膠,并形成所需要的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)包括陶瓷基板,新品,Au線和塑封硅膠等。
6 表貼封裝(SMD)
表貼式封裝(SMD)是一種新型表貼式封裝。具有體積小、散射角大、發(fā)光均勻性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。其發(fā)光顏色可以是白光在內(nèi)的各種顏色,很適合做手機(jī)的鍵盤顯示照明,電視機(jī)的背光照明,以及需要照明或指示的電子產(chǎn)品,近年來(lái)貼片封裝有向大尺寸和高功率的方向發(fā)展,一個(gè)貼片內(nèi)封裝三、四個(gè)Led芯片,可用于組裝照明產(chǎn)品。
7 食人魚(yú)封裝
食人魚(yú)封裝是正方形的,采用透明樹(shù)脂的封裝,因?yàn)樗男螤詈芟駚嗰R遜河中的食人魚(yú)Piranha,故稱為食人魚(yú)封裝。它有四個(gè)引腳,負(fù)極處有個(gè)缺腳。食人魚(yú)是散光型的LED,發(fā)光角度大于120度,發(fā)光強(qiáng)度很高,而且能承受更大的功率。由于食人魚(yú)LED所用的支架是銅制的,面積較大,因此傳熱和散熱快。LED點(diǎn)亮后,PN結(jié)產(chǎn)生的熱量很快就可以由支架的四個(gè)支腳到出到PCB的銅帶上。
食人魚(yú)封裝步驟
1)選定食人魚(yú)LED的支架
2)清洗支架
3)確定支架中沖凹下去碗的形狀大小及深淺
4)LED芯片固定在支架碗中
5)烘干
6)焊接LED芯片兩級(jí)
7)選用模粒
8)模粒中灌膠
9)焊好LED芯片的支架倒放在模粒中
10)烘干,脫模,切模
11)測(cè)試和分選
8 功率型封裝
隨著LED芯片輸入功率的提高,帶來(lái)了大的發(fā)熱量及要求高的出光效率,給LED的封裝技術(shù)提出了更新更高的要求,使得功率型LED的封裝技術(shù)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn),功率型LED也是未來(lái)半導(dǎo)體照明的核心
大功率LED封裝設(shè)計(jì)光,電,熱,結(jié)構(gòu)與工藝等方面如圖1 所示。具體而言,封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括
8.1 地?zé)嶙璺庋b工藝
主要包括芯片布置,封裝材料選擇與工藝,熱沉設(shè)計(jì)等。LED封裝熱阻主要包括材料內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量,并傳導(dǎo)到熱沉上,實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅,金屬(鋁,銅)、陶瓷(如Al2O3,AlN,SiC)和符合材料等。封裝界面對(duì)熱阻影響也很大,如果不能正確處理界面就難以獲得良好的散熱效果。因此,芯片和散熱基板間的熱界面材料選擇十分重要。LED封裝采用低溫或者共晶焊料,錫膏或者摻納米顆粒的導(dǎo)電銀膠作為界面材料可以大大降低界面熱阻。
8.2 高取光率封裝結(jié)構(gòu)和工藝
芯片發(fā)光輻射產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失,主要包括三個(gè)方面:1)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收;2)光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失;3)由于入射角大于全反射臨界角引起的全反射損失。通過(guò)在芯片表面涂敷一層折射率相對(duì)較高的透明膠層(灌封膠),由于該膠層處于芯片和空氣之間,從而有效減少了光子在界面的損失,提高了取光效率。
8.3 封裝工藝