永利402com官方网站 永利402官方网站 大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,而白光LED的实现都是在封装环节

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,而白光LED的实现都是在封装环节



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LED(发光二极管)封装是指发光芯片的封装,相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护灯芯,而且还要能够透光。所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。今天本文就给大家介绍下led封装的技术原理与其结构类型分别是什么?感兴趣的小伙伴可以和本小编一起来看看!

摘要:本文从光学、热学、电学、可靠性等方面,详细评述了大功率白光LED封装的设计和研究进展,并对大功率LED封装的关键技术进行了评述。提出LED的封装设计应与芯片设计同时进行,并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中,虽然材料选择很重要,但封装结构中应尽可能减少热学和光学界面,从而降低封装热阻,提高出光效率。文中最后对LED灯具的设计和封装要求进行了阐述。

概述

一、前言

一般来说,封装的功能在于提供芯片足够的保护,防止芯片在空气中长期暴露或机械损伤而失效,以提高芯片的稳定性;对于LED封装,还需要具有良好光取出效率和良好的散热性,好的封装可以让LED具备更好的发光效率和散热环境,进而提升LED的寿命。

大功率LED封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到LED的使用性能和寿命,一直是近年来的研究热点,特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括:1.机械保护,以提高可靠性;2.加强散热,以降低芯片结温,提高LED性能;3.光学控制,提高出光效率,优化光束分布;4.供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等。

封装是白光
LED制备的关键环节:半导体材料的发光机理决定了单一的LED芯片无法发出连续光谱的白光,因此工艺上必须混合两种以上互补色的光而形成白光,目前实现白光LED的方法主要有三种:蓝光LED+YAG黄色荧光粉,RGB三色LED,紫外LED+多色荧光粉,而白光LED的实现都是在封装环节。良好的工艺精度控制以及好的材料、设备是白光LED器件一致性的保证。

LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式(Lamp
LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power
LED)等发展阶段。随着芯片功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻,提高出光效率,必须采用全新的技术思路来进行封装设计。

国内LED封装行业当前发展已较为成熟,形成了完整的LED封装产业链。在区域分布上,珠三角地区是中国大陆LED封装企业最集中,封装产业规模最大的地区,企业数量超过了全国的2/3,占全国企业总量的68%,除上游LED外延芯片领域稍微欠缺外,汇聚了众多的封装物料与封装设备生产商与代理商,配套最为完善。其次是长三角地区,企业数量占全国的17%左右,其他区域共占15%的比例。

二、大功率LED封装关键技术

简介

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,如图1所示。这些因素彼此既相互独立,又相互影响。其中,光是LED封装的目的,热是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言,LED封装设计应与芯片设计同时进行,即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则,等芯片制造完成后,可能由于封装的需要对芯片结构进行调整,从而延长了产品研发周期和工艺成本,有时甚至不可能。

封装说明

具体而言,大功率LED封装的关键技术包括:

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。

低热阻封装工艺

结构说明

对于现有的LED光效水平而言,由于输入电能的80%左右转变成为热量,且LED芯片面积小,因此,芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择与工艺、热沉设计等。

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差太大,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。

LED封装热阻主要包括材料内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量,并传导到热沉上,实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属、陶瓷和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底,将1mm芯片倒装在CuW衬底上,降低了封装热阻,提高了发光功率和效率;Lamina
Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板,如图2,并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板,然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路,不仅结构简单,而且由于材料热导率高,热界面少,大大提高了散热性能,为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板和导电层在高温高压下烧结而成,没有使用黏结剂,因此导热性能好、强度高、绝缘性强,如图2所示。其中氮化铝的热导率为160W/mk,热膨胀系数为4.0×10-6/℃,从而降低了封装热应力。

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,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。

研究表明,封装界面对热阻影响也很大,如果不能正确处理界面,就难以获得良好的散热效果。例如,室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙,基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻,增强散热。因此,芯片和散热基板间的热界面材料选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶,由于热导率较低,一般为0.5-2.5W/mK,致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料,可大大降低界面热阻。

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芯片和封装不再沿袭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。

高取光率封装结构与工艺

技术介绍

在LED使用过程中,辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:芯片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此,很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶),由于该胶层处于芯片和空气之间,从而有效减少了光子在界面的损失,提高了取光效率。此外,灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护,应力释放,并作为一种光导结构。因此,要求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。为提高LED封装的可靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高,折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特点,明显优于环氧树脂,在大功率LED封装中得到广泛应用,但成本较高。研究表明,提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高外量子效率,但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率降低,从而影响LED光效和光强分布。

1、扩晶,把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶。

荧光粉的作用在于光色复合,形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性等,其中,发光效率和转换效率是关键。研究表明,随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化,从而引起白光LED色温、色度的变化,较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度猝灭和老化,使发光效率降低。此外,高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上,折射率大于或等于1.85,而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配,以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限,因而在荧光粉颗粒表面存在光散射,降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉,可使折射率提高到1.8以上,降低光散射,提高LED出光效率,并能有效改善光色质量。

2、固晶,在支架底部点上导电/不导电的胶水(导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型PN结而定)然后把晶片放入支架里面。

传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合,然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层技术可实现荧光粉的均匀涂覆,保障了光色的均匀性,如图3。但研究表明,当荧光粉直接涂覆在芯片表面时,由于光散射的存在,出光效率较低。有鉴于此,美国RenssELaer
研究所提出了一种光子散射萃取工艺,如图3(c)。

3、短烤,让胶水固化焊线时晶片不移动。

总体而言,为提高LED的出光效率和可靠性,封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势,通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面,不仅提高了荧光粉的均匀度,而且提高了封装效率。此外,减少LED出光方向的光学界面数,也是提高出光效率的有效措施。

4、焊线,用金线把晶片和支架导通。

阵列封装与系统集成技术

5、前测,初步测试能不能亮。

经过40多年的发展,LED封装技术和结构先后经历了四个阶段。

6、灌胶,用胶水把芯片和支架包裹起来。

1、引脚式LED封装

7、长烤,让胶水固化。

引脚式封装就是常用的?3-5mm封装结构。一般用于电流较小,功率较低的LED封装。主要用于仪表显示或指示,大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于封装热阻较大,寿命较短。

8、后测,测试能亮与否以及电性参数是否达标。

2、表面组装式封装

9、分光分色,把颜色和电压大致上一致的产品分出来。

表面组装技术是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言,就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上,然后直接贴装到未钻安装孔的PCB
表面上,经过波峰焊或再流焊后,使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点,是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。

10、包装。

3、板上芯片直装式LED封装

技术原理

COB是Chip On
Board的英文缩写,是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上,再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的FR-4材料,也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料。而引线键合可采用高温下的热超声键合和常温下的超声波键合。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装,同SMT相比,不仅大大提高了封装功率密度,而且降低了封装热阻。

大功率LED封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到LED的使用性能和寿命,特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括:1.机械保护,以提高可靠性;2.加强散热,以降低芯片结温,提高LED性能;3.光学控制,提高出光效率,优化光束分布;4.供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等。

4、系统封装式LED封装

LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式(Lamp
LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power
LED)等发展阶段。随着芯片功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻,提高出光效率,必须采用全新的技术思路来进行封装设计。

SiP是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求,在系统芯片System
on
Chip基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP-LED而言,不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片,还可以将各种不同类型的器件集成在一起,构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比,SiP具有工艺兼容性好,集成度高,成本低,可提供更多新功能,易于分块测试,开发周期短等优点。按照技术类型不同,SiP可分为四种:芯片层叠型,模组型,MCM型和三维(3D)封装型。

结构类型

目前,高亮度LED器件要代替白炽灯以及高压汞灯,必须提高总的光通量,或者说可以利用的光通量。而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加LED的功率密度,如散热不良,将导致LED芯片的结温升高,从而直接影响LED器件的性能。多芯片阵列封装是目前获得高光通量的一个最可行的方案,但是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接,特别是散热等问题。由于发光芯片的高密度集成,散热基板上的温度很高,必须采用有效的热沉结构和合适的封装工艺。常用的热沉结构分为被动和主动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片,通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方案结构简单,可靠性高,但由于自然对流换热系数较低,只适合于功率密度较低,集成度不高的情况。对于大功率LED封装,则必须采用主动散热,如翅片+风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。

自上世纪九十年代以来,LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破,透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构,商品化的超高亮度(1cd以上)红、橙、黄、绿、蓝的LED产品相继问市,如表1所示,2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED的上、中游产业受到前所未有的重视,进一步推动下游的封装技术及产业发展,采用不同封装结构形式与尺寸,不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式,可生产出多种系列,品种、规格的产品。

在系统集成方面,台湾新强光电公司采用系统封装技术(SiP),
并通过翅片+热管的方式搭配高效能散热模块,研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源,如图5。由于封装热阻较低,当环境温度为25℃时,LED结温控制在60℃以下,从而确保了LED的使用寿命和良好的发光性能。而华中科技大学则采用COB封装和微喷主动散热技术,封装出了220W和1500W的超大功率LED白光光源。

如表2所示,也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源,多个管芯组装一般可构成面光源和线光源,作信息、状态指示及显示用,发光显示器也是用多个管芯,通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的,构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED,应用设计更灵活,已在LED显示市场中占有一定的份额,有加速发展趋势。固体照明光源有部分产品上市,成为今后LED的中、长期发展方向。

封装大生产技术

引脚式封装

晶片键合技术是指芯片结构和电路的制作、封装都在晶片上进行,封装完成后再进行切割,形成单个的芯片;与之相对应的芯片键合是指芯片结构和电路在晶片上完成后,即进行切割形成芯片,然后对单个芯片进行封装,如图6所示。很明显,晶片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件制造成本中占了很大比例,因此,改变现有的LED封装形式,将大大降低封装制造成本。此外,晶片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度,防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏,提高封装成品率和可靠性,因而是一种降低封装成本的有效手段。

LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高,封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案,典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封内,其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板,再散发到空气中,如何降低工作时pn结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂,其光性能优良,工艺适应性好,产品可*性高,可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装,不同的透镜形状构成多种外形及尺寸,例如,圆形按直径分为Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等数种,环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。花色点光源有多种不同的封装结构:陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能,引脚可弯曲成所需形状,体积小;金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯,适作电源指示用;闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED管芯组合封装,可自行产生较强视觉冲击的闪烁光;双色型由两种不同发光颜色的管芯组成,封装在同一环氧树脂透镜中,除双色外还可获得第三种的混合色,在大屏幕显示系统中的应用极为广泛,并可封装组成双色显示器件;电压型将恒流源芯片与LED管芯组合封装,可直接替代5-24V的各种电压指示灯。面光源是多个LED管芯粘结在微型PCB板的规定位置上,采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成,PCB板的不同设计确定外引线排列和连接方式,有双列直插与单列直插等结构形式。点、面光源现已开发出数百种封装外形及尺寸,供市场及客户适用。

此外,对于大功率LED封装,必须在芯片设计和封装设计过程中,尽可能采用工艺较少的封装形式,同时简化封装结构,尽可能减少热学和光学界面数,以降低封装热阻,提高出光效率。

LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品,由实际需求设计成各种形状与结构。以数码管为例,有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构,连接方式有共阳极和共阴极两种,一位就是通常说的数码管,两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大,用料省,组装灵活的混合封装特点,一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳,将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上,每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区,用压焊方法键合引线,在反射罩内滴人环氧树脂,与粘好管芯的PCB板对位粘合,然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种,前者采用散射剂与染料的环氧树脂,多用于单位、双位器件;后者上盖滤色片与匀光膜,并在管芯与底板上涂透明绝缘胶,提高出光效率,一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料晶片上制作大量七段数码显示器图形管芯,然后划片分割成单片图形管芯,粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。单条七段式将已制作好的大面积LED芯片,划割成内含一只或多只管芯的发光条,如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上,经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化,可采用双列直插式封装,大多是专用产品。LED光柱显示器在106mm长度的线路板上,安置101只管芯(最多可达201只管芯),属于高密度封装,利用光学的折射原理,使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像,完成每只管芯由点到线的显示,封装技术较为复杂。

封装可靠性测试与评估

半导体pn结的电致发光机理决定LED不可能产生具有连续光谱的白光,同时单只LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光,只能在封装时借助荧光物质,蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉,间接产生宽带光谱,合成白光;或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内,通过色光的混合构成白光LED。这两种方法都取得实用化,日本2000年生产白光LED达1亿只,发展成一类稳定地发白光的产品,并将多只白光LED设计组装成对光通量要求不高,以局部装饰作用为主,追求新潮的电光源。

LED器件的失效模式主要包括电失效、光失效和机械失效,而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿命以平均失效时间来定义,对于照明用途,一般指LED的输出光通量衰减为初始的70%的使用时间。由于LED寿命长,通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存、低温储存、高温高湿、高低温循环、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而,加速环境试验只是问题的一个方面,对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。

表面贴装封装

三、固态照明对大功率LED封装的要求

在2002年,表面贴装封装的LED(SMD
LED)逐渐被市场所接受,并获得一定的市场份额,从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势,很多生产厂商推出此类产品。

与传统照明灯具相比,LED灯具不需要使用滤光镜或滤光片来产生有色光,不仅效率高、光色纯,而且可以实现动态或渐变的色彩变化。在改变色温的同时保持具有高的显色指数,满足不同的应用需要。但对其封装也提出了新的要求,具体体现在:

早期的SMD
LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型,卷盘式容器编带包装。在SOT-23基础上,前者为单色发光,后者为双色或三色发光。近些年,SMD
LED成为一个发展热点,很好地解决了亮度、视角、平整度、可*性、一致性等问题,采用更轻的PCB板和反射层材料,在显示反射层需要填充的环氧树脂更少,并去除较重的碳钢材料引脚,通过缩小尺寸,降低重量,可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更趋完美,尤其适合户内,半户外全彩显示屏应用。

模块化

表3示出常见的SMD
LED的几种尺寸,以及根据尺寸(加上必要的间隙)计算出来的最佳观视距离。焊盘是其散热的重要渠道,厂商提供的SMD
LED的数据都是以4.0×4.0mm的焊盘为基础的,采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度LED产品可采用PLCC(塑封带引线片式载体)-2封装,通过独特方法装配高亮度管芯,产品热阻为400K/W,可按CECC方式焊接,其发光强度在50mA驱动电流下达1250mcd。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD
LED显示器件的字符高度为12.7mm,显示尺寸选择范围宽。PLCC封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序,符合自动拾取-贴装设备的生产要求,应用设计空间灵活,显示鲜艳清晰。多色PLCC封装带有一个外部反射器,可简便地与发光管或光导相结合,用反射型替代透射型光学设计,为大范围区域提供统一的照明,研发在3.5V、1A驱动条件下工作的功率型SMD
LED封装。

通过多个LED灯的相互连接可实现良好的流明输出叠加,满足高亮度照明的要求。通过模块化技术,可以将多个点光源或LED模块按照随意形状进行组合,满足不同领域的照明要求。

功率型封装

系统效率最大化

LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装也是其关键技术,能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货,白光LED光输出达1871lm,光效44.31lm/W绿光衰问题,开发出可承受10W功率的LED,大面积管;匕尺寸为2.5×2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达2001lm,作为固体照明光源有很大发展空间。

为提高LED灯具的出光效率,除了需要合适的LED电源外,还必须采用高效的散热结构和工艺,以及优化内/外光学设计,以提高整个系统效率。

Luxeon系列功率LED是将A1GalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中,键合引线进行封装。这种封装对于取光效率,散热性能,加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点:热阻低,一般仅为14℃/W,只有常规LED的1/10;可*性高,封装内部填充稳定的柔性胶凝体,在-40-120℃范围,不会因温度骤变产生的内应力,使金丝与引线框架断开,并防止环氧树脂透镜变黄,引线框架也不会因氧化而玷污;反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外,其输出光功率,外量子效率等性能优异,将LED固体光源发展到一个新水平。

低成本

Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合,底座直径31.75mm,发光区位于其中心部位,直径约(0.375×25.4)mm,可容纳40只LED管芯,铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接,根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目,可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯,其发射光分别为单色,彩色或合成的白色,最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装,取光效率高,热阻低,较好地保护管芯与键合引线,在大电流下有较高的光输出功率,也是一种有发展前景的LED固体光源。

LED灯具要走向市场,必须在成本上具备竞争优势,而封装在整个LED灯具生产成本中占了很大部分,因此,采用新型封装结构和技术,提高光效/成本比,是实现LED灯具商品化的关键。

在应用中,可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上,形成功率密度LED,PCB板作为器件电极连接的布线之用,铝芯夹层则可作热沉使用,获得较高的发光通量和光电转换效率。此外,封装好的SMD
LED体积很小,可灵活地组合起来,构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

易于替换和维护

功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等,因此,对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。

由于LED光源寿命长,维护成本低,因此对LED灯具的封装可靠性提出了较高的要求。要求LED灯具设计易于改进以适应未来效率更高的LED芯片封装要求,并且要求LED芯片的互换性要好,以便于灯具厂商自己选择采用何种芯片。

COB型封装

LED灯具光源可由多个分布式点光源组成,由于芯片尺寸小,从而使封装出的灯具重量轻,结构精巧,并可满足各种形状和不同集成度的需求。唯一的不足在于没有现成的设计标准,但同时给设计提供了充分的想象空间。此外,LED照明控制的首要目标是供电。由于一般市电电源是高压交流电,而LED需要恒流或限流电源,因此必须使用转换电路或嵌入式控制电路,以实现先进的校准和闭环反馈控制系统。此外,通过数字照明控制技术,对固态光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理软件来实现,从而在用户、信息与光源间建立了新的关联,并且可以充分发挥设计者和消费者的想象力。

COB封装

四、结束语

COB封装可将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB,通过基板直接散热,不仅能减少支架的制造工艺及其成本,还具有减少热阻的散热优势。

LED封装是一个涉及到多学科的研究课题。从某种角度而言,LED封装不仅是一门制造技术,而且也是一门基础科学,良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应与芯片设计同时进行,并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中,虽然材料选择很重要,但封装结构对LED光效和可靠性影响也很大,大功率白光LED封装必须采用新材料,新工艺,新思路。对于LED灯具而言,更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。

从成本和应用角度来看,COB成为未来灯具化设计的主流方向。COB封装的LED模块在底板上安装了多枚LED芯片,使用多枚芯片不仅能够提高亮度,还有助于实现LED芯片的合理配置,降低单个LED芯片的输入电流量以确保高效率。而且这种面光源能在很大程度上扩大封装的散热面积,使热量更容易传导至外壳。

半导体照明灯具要进入通用照明领域,生产成本是第一大制约因素。要降低半导体照明灯具的成本,必须首先考虑如何降低LED的封装成本。传统的LED灯具做法是:LED光源分立器件→MCPCB光源模组→LED灯具,主要是基于没有适用的核心光源组件而采取的做法,不但耗工费时,而且成本较高。实际上,如果走”COB光源模块→LED灯具”的路线,不但可以省工省时,而且可以节省器件封装的成本。

在成本上,与传统COB光源模块在照明应用中可以节省器件封装成本、光引擎模组制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明灯具系统中,总体可以降低30%左右的成本,这对于半导体照明的应用推广有着十分重大的意义。在性能上,通过合理地设计和模造微透镜,COB光源模块可以有效地避免分立光源器件组合存在的点光、眩光等弊端,还可以通过加入适当的红色芯片组合,在不降低光源效率和寿命的前提下,有效地提高光源的显色性(已经可以做到90以上)。

在应用上,COB光源模块可以使照明灯具厂的安装生产更简单和方便。在生产上,现有的工艺技术和设备完全可以支持高良品率的COB光源模块的大规模制造。随着LED照明市场的拓展,灯具需求量在快速增长,我们完全可以根据不同灯具应用的需求,逐步形成系列COB光源模块主流产品,以便大规模生产。

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