7 8LED的封装技术2

1、概述 一、封装的必要性 LED芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看见，加入电流之后他才会发光。 在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而引出正极、负极之外，同时还需要对LED芯片和两个电极进行保护。 概述 二、封装的作用 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. LED技术大都是在半导体分离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，起作用是保护芯片和完成电气互连。 概述 二、封装的作用 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

2、参数又有光参数的设计及技术要求。 概述 三、LED封装的方式的选择 LED 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发射出来。 能发射多少光，取决于半导体材料的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料与包装材料。 因此，对LED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。 2.4 LED的封装技术的封装技术 提纲提纲 1 LED的封装形式与结构 2.功率型LED封装技术 1 LED的封装形式与结构的封装形式与结构 1） Lamp-LED封装封装 Lamp-LED早期出现的是直插早期出现的是直插LED，它的封装采用灌封的形式。，它

3、的封装采用灌封的形式。 2） SMD封装封装 表面贴装技术表面贴装技术(SMT)应用于应用于LED生产生产始于始于20世纪世纪80年代，表面贴装是年代，表面贴装是LED一种重要的封装形式。一种重要的封装形式。 表面贴装表面贴装LED与其他表面贴装器件与其他表面贴装器件(SMD)一样，适合于自动化大规模生一样，适合于自动化大规模生产，并且适应电子整机产品轻薄短小产，并且适应电子整机产品轻薄短小的发展要求。的发展要求。 封装形式封装形式 外形尺寸外形尺寸 最小间距最小间距 最佳观察距最佳观察距离（离（m） PLCC- 3.2 X 3.0 2 PLCC- 3.2 X 2.8 4 0603 1.7 X

4、 0.9 lO 5 17 8.5 说明说明 5 8.5 单芯片有单芯片有利于散热利于散热 双色和三双色和三色组合封色组合封装装 向向0402发发展展 0805 2.1 x 1.35 1206 3.1 X 1.7 6 8 11.2 13.6 侧光型、侧光型、高亮度型高亮度型 表面贴装表面贴装LED的有关尺寸的有关尺寸 3) 多芯片集成封装多芯片集成封装 目前大尺寸芯片还存在散热和发光均匀目前大尺寸芯片还存在散热和发光均匀 性及发光效率下降等问题。由于小芯片性及发光效率下降等问题。由于小芯片 工艺相对成熟，将多个小尺寸芯片高工艺相对成熟，将多个小尺寸芯片高 密度地集成在一起封装而成的功率型密度地集

5、成在一起封装而成的功率型 LED，可以获得较高的光通量。，可以获得较高的光通量。 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 数码管单位（一位） 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 数码管多位 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 数码管双色 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 点阵各色点阵 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 点阵单元 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 点阵单元组合 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 光柱多彩 举例：举例

6、： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 平面封装器件平面封装器件 ? 种类繁多种类繁多 ? 颜色：单色、双色、多色、白色颜色：单色、双色、多色、白色 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 二、数码管封装二、数码管封装 ? 反射罩式数码管示意图反射罩式数码管示意图 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 数码管实封结构：步骤数码管实封结构：步骤 ? 1、压焊方法把芯片粘合到印刷电路板上；、压焊方法把芯片粘合到印刷电路板上； ? 2、用硅丝、铝丝、硅铝丝或金丝将芯片电、用硅丝、铝丝、硅铝丝或金丝将芯片电极与外电极相连；极与外电极相连； 电极引线丝电极引线丝 3.0 m。

7、 ? 3、反射罩正面贴上高温胶带；、反射罩正面贴上高温胶带； ? 4、翻过反射罩，把环氧树脂灌满，、翻过反射罩，把环氧树脂灌满， ? 5、把焊好芯片的电路板对准空位压好。、把焊好芯片的电路板对准空位压好。 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 空封结构：步骤空封结构：步骤 ? 1、压焊方法把芯片粘合到印刷电路板上；、压焊方法把芯片粘合到印刷电路板上； ? 2、用铝丝或金丝将芯片电极与外电极相连、用铝丝或金丝将芯片电极与外电极相连； ? 3、反射罩的正面（出光面）贴上滤色片和、反射罩的正面（出光面）贴上滤色片和匀光膜。匀光膜。 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 数

8、码管封装后的品质要求数码管封装后的品质要求 ? 光学：发光颜色均匀、视角要宽光学：发光颜色均匀、视角要宽 ? 机械结构：环氧树脂没有杂质和气泡、封机械结构：环氧树脂没有杂质和气泡、封装表面平整、整体器件平整，不变形不弯装表面平整、整体器件平整，不变形不弯曲。曲。 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 封装后数码管产品参数举例封装后数码管产品参数举例 ?4位数码管参数位数码管参数 芯片的数量：芯片的数量：32+2 检验：检验： 通直流电源，按照通直流电源，按照“共阴共阴”、“共阳共阳”注注意正负接电。意正负接电。 ? 单个笔划是否均匀、多个笔划是否一致、单个笔划是否均匀、多个笔划是

9、否一致、多个笔划是否有串光。多个笔划是否有串光。 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 双色数码管产品双色数码管产品 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 双色数码管产品双色数码管产品 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 双色数码管产品双色数码管产品 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 双色数码管双色数码管 ? 一个字段一个字段6个数码管构成，分个数码管构成，分2组，一组组，一组3个个串联，供电电压要高。串联，供电电压要高。 ? 两组光电电源。两组光电电源。 ? 芯片数量：芯片数量：42+2。 ? 颜色：红、绿、黄三色，及不同的黄色。

10、颜色：红、绿、黄三色，及不同的黄色。 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 双色数码管 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 点阵封装点阵封装 ? 封装方法与数码管类似封装方法与数码管类似 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 双色点阵实例双色点阵实例 举例：举例： 平面发光器件的封装平面发光器件的封装 双色点阵实例双色点阵实例 2.功率型功率型LED封装技术封装技术 功率型功率型LED 功率型功率型LED封装技术封装技术 封装基板封装基板 目前常见的大功率目前常见的大功率LED封装基板有封装基板有PCB、MCPCM金属覆铜金属覆铜板、板、Al2O3陶

11、瓷和陶瓷和AlN陶瓷。陶瓷。 类型类型 热导率热导率 W/mk 膨胀系数膨胀系数 ppm/K 耐热性能耐热性能 300/120s 288/30s 500 500 PCB 金属覆铜板金属覆铜板 03 15 15 22 陶瓷陶瓷 基板基板 氧化铝氧化铝 氮化铝氮化铝 20 180 各类封装基板比较各类封装基板比较 7 5 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 一、照明领域对半导体LED光源的要求 传统LED的光通量与白炽灯和荧光灯等通用光源相比，距离甚远。 LED要进入照明领域，首要任务是将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。 由于LED芯片输入功率的不断提高，对功率型LED的封装技

12、术提出了更高的要求。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 一、照明领域对半导体LED光源的要求 针对照明领域对光源的要求，照明用功率型LED的封装面临着以下挑战： 更高的发光效率； 更高的单灯光通量； 更好的光学特性（光指向性、色温、显色性等）； 更大的输入功率； 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 一、照明领域对半导体LED光源的要求 更高的可靠性（更低的失效率、更长的寿命等）； 更低的光通量成本。 这些挑战的要求在美国半导体照明发展蓝图中已充分体现（见下表）。 我们可以通过改善LED封装的关键技术，来逐步使之实现。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 一、照明领域对

13、半导体LED光源的要求 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 1. 提高发光效率的途径 LED的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定的。 提高LED发光效率的主要途径有： 提高芯片的发光效率； 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 1. 提高发光效率的途径 将芯片发出的光有效地萃取出来； 将萃取出来的光高效地导出LED管体外； 提高荧光粉的激发效率（对白光而言）； 降低LED的热阻。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 2. 芯片的选择 LED的发光效率主要决定于芯片的发光效率。随着芯片制造技术的不断进

14、步，芯片的发光效率在迅速提高。目前发光效率高的芯片主要有： HP公司的TS类芯片、 CREE公司的XB类芯片、 WB（wafer bonding）类芯片、 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 2. 芯片的选择 ITO类芯片、 表面粗化芯片 倒装焊类芯片等等。 可以根据不同的应用需求和LED封装结构特点，选择合适的高发光效率的芯片进行封装。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 3. 出光通道的设计与材料选择 芯片选定之后，要提高LED的发光效率，能否将芯片发出的光高效地萃取和导出，就显得非常关键了。 （1）光的萃取 功率型功率型LED封装关键技

15、术封装关键技术 3. 出光通道的设计与材料选择 （1）光的萃取 由于芯片发光层的折射率较高（GaN n=2.4，GaP n=3.3），如果出光通道与芯片表面接合的物质的折射率与之相差较大（如环氧树脂为n=1.5）。 则会导致芯片表面的全反射临界角较小，芯片发出的光只有一部分能通过界面逸出被有效利用，相当一部分的光因全反射而被困在芯片内部，造成萃光效率偏低，直接影响LED的发光效率。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 3. 出光通道的设计与材料选择 （1）光的萃取 为了提高萃光效率，在选择与芯片表面接合的物质时，必须考虑其折射率要与芯片表面材料的折射率尽可能相匹配。 采用高折射率的柔性

16、硅胶作与芯片表面接合的材料，既可以提高萃光效率，又可以使芯片和键合引线得到良好的应力保护。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 （1）光的萃取 GaN类倒装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）蓝宝石（n=1.8）环氧树脂（n=1.5）空气（n=1）； GaN类正装芯片封装的LED的出光通道折射率变化为：有源层（n=2.4）环氧树脂（n=1.5）空气（n=1） 采用倒装芯片封装的LED的出光通道折射率匹配比正装芯片要好，出光效率更高。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 3. 出光通道的设计与材料选择 （2）光的导出 1）设计良好的出光通

17、道，使光能够高效地导出到LED管体外 反射腔体的设计； 透镜的设计； 出光通道中各种不同材料的接合界面设计和折射率的匹配 尽可能减少出光通道中不必要的光吸收和泄漏现象。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 3. 出光通道的设计与材料选择 （2）光的导出 2）出光通道材料的选择： 高的透光率； 匹配良好的折射率； 抗UV、防黄变特性； 高的温度耐受能力和良好的应力特性。 功率型功率型LED封装关键技术封装关键技术 二、提高发光效率 4. 荧光粉的使用 就白光LED而言，荧光粉的使用是否合理，对其发光效率影响较大。 首先要选用与芯片波长相匹配的高受激转换效率的荧光粉； 其

18、次是选用合适的载体胶调配荧光粉，并使其以良好的涂布方式均匀而有效地覆盖在芯片的表面及四周，以达到最佳的激发效果。 功率型LED封装关键技术 二、提高发光效率 4. 荧光粉的使用 传统上将荧光胶全部注满反射杯的做法： （1）不但涂布均匀性得不到保障， （2）而且会在反射腔体中形成荧光粉的漫射分布，造成不必要的光泄漏损失，既影响光色的品质，又会使LED光效降低。 功率型LED封装关键技术 二、提高发光效率 4. 荧光粉的使用 采用荧光粉薄膜式涂布可以解决上述问题： 功率型LED封装关键技术 二、提高发光效率 5. 热阻的降低 LED自身的发热使芯片的结温升高，导致芯片发光效率的下降。 功率型 LE

19、D必须要有良好的散热结构，使LED内部的热量能尽快尽量地被导出和消散，以降低芯片的结温，提高其发光效率。 功率型LED封装关键技术 二、提高发光效率 5. 热阻的降低 芯片结温（TJ）与环境温度（TA）、热阻（Rth）和输入功率（PD）的关系是： TJ=TA+RthPD 功率型LED封装关键技术 二、提高发光效率 5. 热阻的降低 在输入功率PD一定的情况下，热阻Rth的大小对结温的高低有很大的影响，也就是说，热阻的高低是LED散热结构好坏的标志。 采用优良的散热技术降低封装结构的热阻，将使LED发光效率的提高得到有效的保障。 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 1. 调控光强

20、的空间分布 与传统光源相比，LED发出的光有较强的指向性，如果控制得当，可以提高整体的照明效率，使照明效果更佳。 如何根据照明应用的需要，调控LED的光强空间分布呢？ 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 1.调控光强的空间分布 可以通过以下步骤来实现。 清楚了解芯片发光的分布特点； 根据芯片发光的分布特点和LED最终光强分布的要求设计出光通道： ?反射腔体的设计； 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 1. 调控光强的空间分布 ? 透镜的设计； ? 光线在出光通道中折射和漫射的考虑； ? 出光通道各部分的几何尺寸的设计和配合。 选择合适的出光通道材料和加工工艺。

21、功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 2. 改善光色均匀性 目前最常用的LED白光生成的技术路线是 ：蓝色芯片+黄色荧光粉（YAG/TAG）。 该工艺方法，是将荧光粉与载体胶混合后涂布到芯片上。 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 2. 改善光色均匀性 在操作过程中，由于： 载体胶的粘度是动态参数； 荧光粉比重大于载体胶而容易产生沉淀； 以及涂布设备精度等因素的影响。 荧光粉的涂布量和均匀性的控制有难度，导致白光颜色的不均匀。 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 2. 改善光色均匀性 改善光色均匀性的方法有： 出光通道的设计； 荧光粉粒度大小的合理

22、选择； 载体胶粘度特性的把握； 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 2. 改善光色均匀性 改进荧光胶调配的工艺方法，防止操作过程中荧光粉在载体胶内产生沉降； 采用高精度的荧光粉涂布设备，并改良荧光胶涂布的方法和形式 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 3. 改善色温与显色性 白光LED色温的调控主要是通过： ? 蓝色芯片波长的选定， ? 荧光粉受激波长的匹配， ? 和荧光粉涂布量、均匀性的控制来实现的。 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 3. 改善色温与显色性 基于蓝色芯片+黄色荧光粉（YAG/TAG）LED白光生成技术路线的机理和荧光粉的特性

23、，早期传统的白光LED在高色温区域（5500K）里，色温的调控比较容易实现，显色性也较好（Ra80）。 功率型LED封装关键技术 3. 改善色温与显色性 在照明应用通常要求的低色温区域（2700K5500K），传统白光LED的色温调控较难，显色性也不佳（Ra80），与照明光源的要求有一定的差距。 即使可以生成低色温的白光，其色坐标也偏离黑体辐射轨迹较远（通常是在轨迹上方），使其光色不正，显色性差。 功率型LED封装关键技术 三、改善LED的光学特性 3. 改善色温与显色性 要解决这一问题，关键是荧光粉的改良，可以通过添加红色荧光粉，使LED发出的白光的色坐标尽量靠近黑体辐射轨迹，从而改善其光色和显色性。 目前改善白光LED在低色温区的显色性