LED的多種形式封裝結構及技術
上傳人:admin 上傳時間: 2007-11-14 瀏覽次數: 379 |
LED是一類可直接將電能轉化為可見光和輻射能的發光器件,具有工作電壓低,耗電量小,發光效率高,發光響應時間極短,光色純,結構牢固,抗沖擊,耐振動,性能穩定可靠,重量輕,體積小,成本低等一系列特性,發展突飛猛進,現已能批量生產整個可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產品。
國產紅、綠、橙、黃的LED產量約占世界總量的12%,“十五”期間的產業目標是達到年產300億只的能力,實現超高亮度AiGslnP的LED外延片和芯片的大生產,年產10億只以上紅、橙、黃超高亮度LED管芯,突破GaN材料的關鍵技術,實現藍、綠、白的LED的中批量生產。據預測,到2005年國際上LED的市場需求量約為2000億只,銷售額達800億美元。
在LED產業鏈接中,上游是LED襯底晶片及襯底生產,中游的產業化為LED芯片設計及制造生產,下游歸LED封裝與測試,研發低熱阻、優異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、走向市場的產業化必經之路,從某種意義上講是鏈接產業與市場的紐帶,只有封裝好的才能成為終端產品,才能投入實際應用,才能為顧客提供服務,使產業鏈環環相扣,無縫暢通。 LED封裝的特殊性 LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發展與演變而來的,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,封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號,保護管芯正常工作,輸出:可見光的功能,既有電參數,又有光參數的設計及技術要求,無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。
LED的核心發光部分是由p型和n型半導體構成的pn結管芯,當注入pn結的少數載流子與多數載流子復合時,就會發出可見光,紫外光或近紅外光。但pn結區發出的光子是非定向的,即向各個方向發射有相同的幾率,因此,并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來,這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料,應用要求提高LED的內、外部量子效率。常規Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上,管芯的正極通過球形接觸點與金絲,鍵合為內引線與一條管腳相連,負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連,然后其頂部用環氧樹脂包封。
反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光,向期望的方向角內發射。頂部包封的環氧樹脂做成一定形狀,有這樣幾種作用:保護管芯等不受外界侵蝕;采用不同的形狀和材料性質(摻或不摻散色劑),起透鏡或漫射透鏡功能,控制光的發散角;管芯折射率與空氣折射率相關太大,致使管芯內部的全反射臨界角很小,其有源層產生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收,易發生全反射導致過多光損失,選用相應折射率的環氧樹脂作過渡,提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性,絕緣性,機械強度,對管芯發出光的折射率和透射率高。
選擇不同折射率的封裝材料,封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的,發光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡,可使光集中到LED的軸線方向,相應的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型,其相應視角將增大。 一般情況下,LED的發光波長隨溫度變化為0.2-0.3nm/℃,光譜寬度隨之增加,影響顏色鮮艷度。
另外,當正向電流流經pn結,發熱性損耗使結區產生溫升,在室溫附近,溫度每升高1℃,LED的發光強度會相應地減少1%左右,封裝散熱;時保持色純度與發光強度非常重要,以往多采用減少其驅動電流的辦法,降低結溫,多數LED的驅動電流限制在20mA左右。
但是,LED的光輸出會隨電流的增大而增加,目前,很多功率型LED的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級,需要改進封裝結構,全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術,改善熱特性。例如,采用大面積芯片倒裝結構,選用導熱性能好的銀膠,增大金屬支架的表面積,焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外,在應用設計中,PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。 進入21世紀后,LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新,紅、橙LED光效已達到100Im/W,綠LED為501m/W,單只LED的光通量也達到數十Im。
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