目前全球LED产能突破的情况相当明显,其中中国大陆、中国台湾、日本、南韩均有一定程度的量产能力与技术提升。以中国大陆为例,规划的产业目标是年产300亿颗LED,同时希望能够拥有超高亮度AiGslnP的LED外延片、LED芯片,除了较低阶的红光LED,也计划GaN材料为主的蓝光、白光LED产品量产。而日本在高亮度白光、RGB三色LED、背光源用LED则有较佳的着墨,市占率也高。
我们如果观察LED产业供应链,上游是LED基底芯片及基底生产,中游则是LED芯片设计及制造生产,下游为LED封装与测试,但随着产业日益蓬勃发展,上中下游整合的方式很明显,如日本日亚化,上中下游就全包了,而台湾地区厂商则颗分成上游和下游,中游的部分为上游吸收进去。
一般情况下,分立器件的芯片被密封在封装体内,封装的作用主要是保护芯片和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号,保护芯片正常工作,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结芯片,当注入pn结的少数载流子与多数载流子復合时,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,并不是芯片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、芯片结构及几何形状、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的正方形芯片粘结或烧结在引线架上,芯片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芯片侧面、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:保护芯片等不受外界侵蚀;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;芯片折射率与空气折射率相关太大,致使芯片内部的全反射临界角很小,其有源层产生的光颗有小部分被取出,大部分易在芯片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,提高芯片的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性,绝缘性,机械强度,对芯片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,发光强度的角分佈也与芯片结构、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,影响顏色鲜艳度。
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,单颗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,如何改善芯片及封装内部结构,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,加速表面黏着化SMD进程更是产业界研发的主流方向。
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,透明基底梯形结构、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,,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,不同发光顏色的芯片及其双色、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,也有根据发光顏色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特徵来分类的。单个芯片一般构成点光源,多个芯片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芯片,通过芯片的适当连接(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。表面黏着LED可逐渐替代引脚式LED,应用设计更灵活,已在LED显示市场中佔有一定的份额,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。 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振盪电路芯片与LED芯片组合封装,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顏色的芯片组成,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;电压型将恆流源芯片与LED芯片组合封装,可直接替代5—24V的各种电压指示灯。面光源是多个LED芯片粘结在微型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芯片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芯片形成的发光区,用压焊方法键合引线,在反射罩内滴人环氧树脂,与粘好芯片的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,并在芯片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芯片上制作大量七段数码显示器图形芯片,然后划片分割成单片图形芯片,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,划割成内含一隻或多颗芯片的发光条,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颗芯片(最多可达201颗芯片),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,完成每隻芯片由点到线的显示,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,同时单颗LED也不可能产生两种以上的高亮度单色光,颗能在封装时借助萤光物质,蓝或紫外LED芯片上涂敷萤光粉,间接产生宽带光谱,合成白光;或采用几种(两种或三种、多种)发不同色光的芯片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1亿颗,发展成一类稳定地发白光的产品,并将多颗白光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。
表面黏着封装在2002年,表面黏着封装的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。 早期的SMD LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型,外形尺寸3.04×1.11mm,卷盘式容器编带包装。在SOT-23基础上,研发出带透镜的高亮度 SMD的SLM-125系列,SLM-245系列LED,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、可靠性、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。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的资料都是以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,外形尺寸为3.0×2.8mm,通过独特方法装配高亮度芯片,产品热阻为400K/W,可按CECC方式銲接,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5.08-12.7mm,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—黏着设备的生产要求,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,用反射型替代目前的透射型光学设计,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。 功率型封装 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 1871m,光效44.31m/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 2001m,作为固体照明光源有很大发展空间。
Luxeon系列功率LED是将A1GalnN功率型倒装芯片倒装銲接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完成倒装銲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,颗有常规LED的1/10;可靠性高,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。
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颗LED芯片,铝板同时作为热沉。芯片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芯片的数目,可组合封装的超高亮度的 AlGaInN和AlGaInP芯片,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。这种封装采用常规芯片高密度组合封装,取光效率高,热阻低,较好地保护芯片与键合引线,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。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。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。