LED灯二极管封装结构
本文介绍了发光二极管的多种形式封装结构及技术，并指出了其应用前景。
1 引言
LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性。
在LED产业链接中，上游是LED衬底晶片及衬底生产，中游的产业化为LED芯片设计及制造生产，下游归LED封装与测试，研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路，从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带，只有封装好的才能成为终端产品，才能投入实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。
2 LED封装的特殊性
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。
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关太大，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。
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，目前，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。
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芯片和封装不再沿龚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。
3 产品封装结构类型
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。
LED产品封装结构的类型如表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。
4 引脚式封装
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，产品可靠性高，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。
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。
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。
