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1、第2章 LED封装,2.1 引脚式封装 2.2 平面发光器件的封装 2.3 SMD的封装 2.4 食人鱼LED的封装 2.5 大功率LED的封装 2.6 本章小结,简介:LED封装技术大都是在半导体分立器件封装技术基础上发展与演变而来的.将普通二极管的管芯密封在封装体内,其作用是保护管芯和完成电气互连;对LED的封装则是实现输入电信号、保护芯片正常工作、输出可见光的功能，其中既有电参数又有光参数的设计及技术要求。 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结芯片，当注入pn结的电子与空穴产生复合时，就会发出可见光、紫外光和近红外光。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
2、的几率，因此并不是芯片产生的所有光都可以发射出来。能发射出多少光，取决于半导体材料的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料与包封材料。因此，对于LED的封装，要根据LED芯片的大小、功率大小来选择合适的封装方式。,2.1 引脚式封装,LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚,常见的直径为5mm的圆柱型(简称5mm)的封装.这种技术就是将LED芯片粘结在引线架(一般称为支架)上.芯片的正极用金丝键合连到另一引线架上.负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金线和反射杯引脚相连.然后顶部用环氧树脂包封,做成直径为5mm的圆形外形(如图),这种封装技术的作用是保护芯片、焊线金丝不受外界侵蚀；固化后的
3、环氧树脂可以形成不同形状而起到透镜的功能，从而控制光的发射角。芯片的折射率与空气折射率相差很大，致使芯片内部的全反射临界角很小，因此芯片发光层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收。选用相应折射率的环氧树脂作为过渡，可以提高芯片的出光效率。环氧树脂构成的管壳具有很好的耐湿性、绝缘性和高机械强度，对芯片发出的光的折射率和透光率都很高，并且可以选择不同折射率的封装材料。芯片外形的几何形状对出光效率的影响是不同的，出光光强的分布与芯片结构、光输出方式、封装透镜所用的材质和形状有关。,2.1.1 工艺流程及选用设备,引脚式封装最常用的是3mm、5mm、8mm和10mm单芯片的封装
4、方式，封装的工艺流程（如图）,按照上述步骤，并配合良好的管理机制和生产环境，就有可能制造出品质优异的LED产品。对于采用引脚式封装的LED，总的要求是： 、光效高：出光效率要高。要选择好的芯片和封装材料进行一次光学设计，采用合适的工艺，精心操作，达到理想的出光效率。 、均匀性好，合格率高，黑灯率控制在万分之三。 、光斑均匀，色温一致，引脚干净无污点,2.1.2 管理机制和生产环境 人的因素 管理和环境是做好LED产品的关键.人、物、设备、生产环境是做好LED的四大重要因素，但最关键的是人 的因素。做好产品一定要按ISO-9000质量体系的要求认真落实，产品质量的好坏是靠人做出来的，每个工作人员
5、的职责要十分明确： 现场物料管理一定要标识清楚，存放位置要固定，不能随意乱拿乱放。防止产生物料混杂；严禁物料拿错、配错、过期、受潮，一旦不注意就会使整批产品报废。 设备要定期检修、核对，一定要检验每道工序做出的首件产品 工艺管理要严格，制定工艺要合理，每道工序都要记录，千万不能随意改变工艺。,有效的防静电,封装LED的车间环境要求最好是净化厂房，湿度与温度也要能自行控制。 静电是看不见、摸不着的东西，它对LED芯片的损害很大，因此封装车间应当具备防静电地板、防静电桌椅；工作人员应当穿戴防静电服。 车间内的潮湿度与静电紧密相关，若相对湿度是80%90%，人与桌面磨擦产生的静电约为400500V；
6、而当相对湿度为30%40%时，人与桌面磨擦所产生静电可能达到15002000V，这么高的静电足以击穿LED或造成LED损伤，从而使LED的寿命缩短和产品的可靠性降低。人体动作所引起的静电电压数值（如图),LED点亮时的热量导出,当LED点亮时所产生的热量导出是封装LED和使用LED时都 必须解决的问题，这也是延长LED使用寿命的关键所在。 引脚式封装芯片中产生的90%以上的热量，是由负极的引脚散发至印制电路板，然后散发到空气中。如何降低工作时pn结温升是封装与应用时必须考虑的。从封装的角度来看，尽量采用导热性能好的金属作为引脚，目前有铁支架和铜支架两种，铜支架导热性能比铁支架要好。根据实验证明
7、，使用铜支架的LED芯片要比使用铁支架的光衰慢一半。 从使用的角度来看，热量从引脚导出来，为了把热量散发出去，也应该采取一些办法。例如把印制电路板上的薄铜板面积留大，以便于散热。在必要的时候，可以在薄铜板上再灌入导热胶，让热量从导热胶传导出来并与外面的金属机壳相连，其散热效果会更好。还有一种在大屏幕显示系统中应用很广泛的双色型LED，它由两种不同发光颜色的芯片组成，封装在同一环氧树脂透镜中，除发射本身的双色光外还可能获得第三种混合色光。对于这种LED要特别注意散热效果。,2.1.3 一次光学设计,一次光学设计与二次光学设计 将LED芯片封装成LED光电器件,必须进行光学设计.这种设计在业内称为
8、一次光学设计.一次光学设计主要是决定发光器件的出光角度、光通量大小、光强大小、光强分布、色温范围和色温分布等。在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计。这称为二次光学设计。 二次光学设计必须在LED发光器件一次光学设计的基础上进行。一次光学设计是保证每个LED发光器件的出光质量，二次光学设计是保证整个发光系统（或灯具）的出光质量。从某种意义上来说，只有封装设计（即一次光学设计）合理，才能保证系统的二次光学设计顺利实现，从而提高照明和显示的效果。 一次光学设计的三大要素芯片、支架、模粒 引脚式封装出光效率的高低、效果的好坏，关键是三大要素的组合： LED芯片
9、是发光的主体，发光多少直接与芯片的质量有关。 支架承载着芯片，起着固定芯片的作用。支架碗的形状大小及与芯片的匹配，对出光效率起着重要作用。 模粒灌满环氧树脂之后就成为透镜，出光的角度和光斑的质量都与模粒形成的透镜有关。 LED发光器件的一次光学设计主要是由芯片、支架、模粒三要素决定的。根据这三者之间的相互作用，一次光学设计可分为折射式、反射式和折反射式三种。, 折射式,折射式LED设计的主要对象是设计折射面的面形，即模粒的形状。聚光曲面可分为球面和非球面（球面出光结构如图）。聚光面包容的立体角有限，约70%80%的光从封装的侧面泄漏，因此效率较低。 在管芯处增加反光杯，可以将管芯侧面发出的光线
10、收集，这在一定程度上可以提高集光效率，但相应地会增大发光面的尺寸，从而增大发散角。如果要求光束很窄、近似为平行光时，必须增大LED的封装尺寸，相当于加长焦距，因而限制了应用范围。因此，增加反光杯还不能从根本上解决集光效率低的问题。 集光效率与聚光面所包容的立体角成正比，立体角越大，则集光效率就越高。折射式LED利用单个折射面聚光，包容立体角较小，聚光能力有限。只有采用反射式才能大幅度提高包容的立体角。, 反射式背向与正向,背向反射式的原理（如图1），反射面为一镀有反射膜的抛物面，管芯位于抛物面的焦点上，发光的光线经抛物面反射，光线的出射方向与管芯的发光方向相反。 这种方式的集光效率非常高，可达
11、80%以上，但实际应用时要考虑两个问题，一是LED横向尺寸比纵向尺寸大4倍，只能适用于纵向尺寸较小或很薄的情况中。二是光束中心处发散角稍大，管芯到顶点的距离为焦距f，而管芯正面对着顶点，此时发散角W=L/f（L为管芯最大尺寸）。在边处反射面到管芯的距离为2 f，因此发散角比中心处要小很多，此外，电极和管芯对光线有遮挡，在设计时要注意，否则出现光斑会影响点亮效果。 正向反射式（如图2），反射面仍是扫物面，但与背向反射使用的区域不同。背向反射用的是底部，即抛物面顶点到焦面之间的区域，由于光线在这一区域的入射角不满足全反射，因此必须镀上反射膜。正向反射使用的是抛物面的侧面部分，光线入射角大于45，满
12、足全反射条件。对于这种方式，尽管没有利用管芯正面发出的光，但仍可实现80%以上的集光效率。正向反射式LED不用镀膜，工艺简单，其横向尺寸与纵向尺寸基本相当，光束发散角小，并且光线没有遮挡。, 折反射式,如果LED管芯正面发光较强或为了减少向尺寸，可采用（如图）所示的结构，在正向反射式的基础上增加一折射面而起到聚光作用。与现有LED不同的是，这种方式将侧面泄漏的光线向前反射，从而增大了集光效率。 正向反射式和折反射式的样品LED的立体角可以分别到达4.7和5，比目前的折射式LED集光效率提高两倍以上。这种新型光学设计的LED具有集光效率高和光束质量好等优点。 根据以上几种基本的光学设计，将支架、
13、模粒和芯片放置的位置相互配合，可以得到理想的光源。要使封装的LED出光效果更好，必须认真选择封装材料（环氧树脂）的折射率和透光率。LED芯片和蓝宝石衬底的折射率约在2.53之间,起着透镜作用的环氧树脂的折射率在1.451.5之间.根据光折射率的规则,环氧树脂的折射率最好应在1.71.8之间,所以应选择的折射率接近1.7的环氧树脂,这样出光率会更高. 引脚式封装是目前LED封装中最普通、最常用的一种封装形式。但目前引脚式封装普遍存在着散热问题、发光效率问题、使用寿命问题及器件的一致性问题。因此在封装方面，有待于研究并提高的是：封装使用的材料问题、工艺问题等。,2.2 平面发光器件的封装,平面发光
14、器件是由多个发光二极管芯片组合而成的结构型器件.通过发光二极管芯片的适当连接(包括串联和并联)和合适的光学结构,可构成发光显示器的发光段和发光点.然后由这些发光段和发光点组成各种发光显示器,例如面发光显示器、数码管、符号管、“米”字管、矩阵管、光柱等。 使用发光二极管做成的平面显示器与其他显示器件（例如一般的荧光显示器、电子发光显示器、等离子显示器、真空灯丝显示器等）相比，具有工作电压低、省电、多色、色彩鲜明、寿命长、耐震等特点。如图给出了平面发光器件的各种类型。,2.2.1 数码管制作,LED发光显示器可由数码管、“米”字管、符号管和矩阵管来组成各种显示器件。数码管有反射罩式、单片集成式，它
15、们大都是由多个芯片以共阳极和共阴极两种电路组成的。 反射罩式数码管 反射罩式数码管一般使用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将LED芯片粘在与反射罩的七个反射腔互相对应的印制电路板(printed cirxuit board,PCB）上。每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片，以形成发光区域。（如图）,在安装反射罩前，在芯片和印制电路板上通过压焊方法，使用3.0m的硅丝或金丝把芯片与印制电路板上的电路连接好.在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印制电路板与反射罩的对应位粘合,使之固化.为了满足用户的需要,发光区的背景颜色通常是黑、灰、有色散射等。 反射罩式数码管具有字型大、用料省、组装灵活等
16、优点。反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。图1为实封方式的示意图。这种方式采用环氧树脂把LED芯片粘合在印制电路板上，并用铝丝或金丝把芯片与线路连接，然后在反射罩正面贴上高温胶带，把环氧树脂灌满。最后将焊好的LED芯片的印制电路板对准空位压好，让其固化。 图2为空封方式的示意图，这种方式在出光面上盖有滤色片和匀光膜。首先将LED芯片粘合在印制电路板上，用铝丝或金丝把芯片与电路板连接好，然后在反射罩正面贴上滤色膜和匀光膜。 对于数码管，其品质要求为：发光颜色均匀，封装表面平整，不可有杂物或气泡，视角要宽，整体器件要平整，不可有变形和弯曲。,2.2.2 常见的数码管,4位0.4英寸的数码管 4位0.4英寸(1英寸=2.54厘米)的数码管,是将一片电路板做成28个划线和4个小数点,两边都插上拼脚.在每个组成的“日”字(“8”字)中,每一划都是单独固定一个LED芯片,然后烘干后焊好.所以一个“日”字中有7个芯片，旁边的一个小数点也是一个LED芯片。4位“日”字就是32个LED的芯片。
