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LED封装

LED封装

分类: 半导体照明
属性: 产品
最后修改时间: 2024年12月03日
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LED封装是指发光芯片的封装,相比集成电路封装有较大不同。LED的封装不仅要求能够保护灯芯,而且还要能够透光。所以LED的封装对封装材料有特殊的要求。

       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。

概述

       一般来说,封装的功能在于提供芯片足够的保护,防止芯片在空气中长期暴露或机械损伤而失效,以提高芯片的稳定性;对于LED封装,还需要具有良好光取出效率和良好的散热性,好的封装可以让LED具备更好的发光效率和散热环境,进而提升LED的寿命。

       封装是白光 LED制备的关键环节:半导体材料的发光机理决定了单一的LED芯片无法发出连续光谱的白光,因此工艺上必须混合两种以上互补色的光而形成白光,目前实现白光LED的方法主要有三种:蓝光LED+YAG黄色荧光粉,RGB三色LED,紫外LED+多色荧光粉,而白光LED的实现都是在封装环节。良好的工艺精度控制以及好的材料、设备是白光LED器件一致性的保证。

       国内LED封装行业当前发展已较为成熟,形成了完整的LED封装产业链。在区域分布上,珠三角地区是中国大陆LED封装企业最集中,封装产业规模最大的地区,企业数量超过了全国的2/3,占全国企业总量的68%,除上游LED外延芯片领域稍微欠缺外,汇聚了众多的封装物料与封装设备生产商与代理商,配套最为完善。其次是长三角地区,企业数量占全国的17%左右,其他区域共占15%的比例。

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*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。

表面贴装封装

       在2002年,表面贴装封装的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*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。  

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功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完成倒装焊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,只有常规LED的1/10;可*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只LED管芯,铝板同时作为热沉。管芯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管芯的数目,可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯,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。这种封装采用常规管芯高密度组合封装,取光效率高,热阻低,较好地保护管芯与键合引线,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。 

技术介绍

       1、扩晶,把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶

       2、固晶,在支架底部点上导电/不导电的胶水(导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型PN结而定)然后把晶片放入支架里面。

       3、短烤,让胶水固化焊线时晶片不移动。

       4、焊线,用金线把晶片和支架导通。

       5、前测,初步测试能不能亮。

       6、灌胶,用胶水把芯片和支架包裹起来。

       7、长烤,让胶水固化。

       8、后测,测试能亮与否以及电性参数是否达标。

       9、分光分色,把颜色和电压大致上一致的产品分出来。

       10、包装。

结构类型

       LED封装结构类型多样,主要可以分为以下几种类型:

一、按引脚形式分类

       1、引脚式封装(Lamp LED)

       特点:采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功并投放市场的封装结构,技术成熟度较高。

       应用:一般用于电流较小(20~30mA),功率较低(小于0.1W)的LED封装,主要用于仪表显示或指示。

       缺点:封装热阻较大(一般高于100K/W),寿命较短。

       2、表贴式封装(SMD LED)

       特点:利用注塑工艺将金属引线框架包裹在塑料之中,形成特定形状的反射杯,是目前LED市场占有率最高的封装结构。

       优点:体积小、散射角大、发光均匀性好、可靠性高。

       应用:非常适合做手机的键盘显示照明、电视机的背光照明等,近年来有向大尺寸和高功率方向发展的趋势。

二、按芯片封装形式分类

       1、正装LED芯片

       结构:从上至下依次为电极、P型半导体层、发光层、N型半导体层和衬底

       优缺点:结构简单、制作工艺相对成熟,但导热性能较差,限制了芯片的发光效率和可靠性。

       2、倒装LED芯片

       结构:从上到下依次为蓝宝石衬底、N型半导体发光层、P型半导体层和电极。

       优缺点:散热效果好,出光效率高,但制作工艺相对复杂。

       3、垂直LED芯片

       特点:红光、绿光、蓝光及紫外光LED都可以制成通孔垂直结构,无需打金线与外界电源相联结,封装厚度降低。

       优缺点:散热效率高,但工艺复杂,生产合格率较低。

三、其他封装形式

       1、板上芯片直装式(COB

       特点:将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板(MCPCB)上,通过基板直接散热,具有减少热阻的散热优势。

       应用:主要用于大功率多芯片阵列的LED封装,是未来灯具化设计的主流方向。

       2、Chip-LED封装

       特点:采用极薄的表面封装(SMT)发光二极管,具有高亮度和小尺寸的优点。

       应用:非常适合在艰苦环境中依赖各种小型产品在工作上使用。

       3、UVC金属、陶瓷封装

       特点:使用金属或陶瓷材料作为封装基材,具有优良的散热性能和耐高温性能。

       应用:适用于对散热和耐高温有特殊要求的LED产品。

       4、光集成封装和模块化封装

       特点:将多个LED芯片或模块集成在一起,实现更高的光效和更低的热阻。

       应用:是未来LED封装技术的发展方向之一。

四、特殊封装形式

       1、食人鱼封装

       特点:正方形的封装形式,采用透明树脂封装,发光角度大于120度,发光强度高。

       应用:适用于需要高发光强度和散光效果的场合。

       2、EMC封装

       特点:嵌入式集成封装形式,不会直接看到LED光源,具有高耐热、高集成度、抗UV、体积小等优点。

       应用:适用于对封装体积和集成度有特殊要求的场合。

       综上所述,LED封装结构类型丰富多样,每种类型都有其独特的特点和应用场景。随着LED技术的不断发展,新的封装形式不断涌现,以满足不同领域的需求。

行业前景

       LED封装行业的前景呈现出积极向好的趋势,这主要得益于科技进步、市场需求增长以及政策环境的支持。以下是对LED封装行业前景的详细分析:

一、市场需求持续增长

       1、传统市场稳定增长:LED照明作为LED封装的主要应用领域之一,市场需求稳定增长。随着LED技术的不断成熟和灯珠成本的降低,LED产品在通用照明、专业照明等领域的渗透率持续提升。

       2、新兴应用领域的拓展:除了传统的照明市场,LED封装产品还在显示屏、景观照明、背光应用、汽车照明、信号及指示等领域得到广泛应用。特别是小间距LED技术、Mini LED技术和Micro LED技术等新兴应用领域的快速发展,为LED封装行业带来了新的增长点。

二、技术进步与创新

       1、封装技术的不断升级:LED封装技术正在向高功率、多芯片集成化、高光效、高可靠性和小型化的方向发展。无引线覆晶封装技术等新兴封装技术的出现,为LED封装行业带来了更多的创新可能性。

       2、产业链协同加速发展:LED封装市场的发展离不开产业链各环节的协同合作。封装企业、芯片制造商、配件供应商等各个环节的协同发展将加速LED封装市场的发展。

三、政策支持与推动

       1、国家政策的支持:国家对于LED行业的发展给予了高度重视,通过“八五”计划到“十四五”计划等规划,推动LED行业的技术研发和产品创新。在技术发展方面,国家鼓励企业加强研发投入,提高自主创新能力,推动LED封装技术的不断进步。

       2、应用推广政策:为了促进LED产品的广泛应用,国家出台了一系列政策措施,如绿色照明工程、高效照明产品推广计划等,鼓励企业开发高效、环保的LED产品,并推动其在各个领域的应用。

四、环保与可持续发展

       随着环保意识的提高和可持续发展理念的普及,LED封装行业将更加注重环保和可持续发展。环保材料研发、绿色制造等将成为LED封装行业的重要发展方向。这不仅符合全球可持续发展的战略要求,也为LED封装行业带来了新的增长点。

五、市场竞争与机遇

       尽管LED封装市场规模在不断扩大,但市场竞争也日趋激烈。这要求封装企业不断提高自身的技术水平和创新能力,以应对市场的挑战。同时,随着技术的不断进步和市场的不断扩大,LED封装行业也将迎来更多的市场机遇和发展空间。

       综上所述,LED封装行业前景广阔,市场需求持续增长、技术进步与创新不断、政策支持与推动加强以及环保与可持续发展理念的普及都为该行业的发展提供了有力的支撑。然而,企业也需要密切关注市场动态和技术发展趋势,不断提升自身竞争力以应对激烈的市场竞争。

工艺流程

       LED封装工艺流程是指将LED芯片封装在特定的材料中,以保护芯片、提高光效和延长使用寿命的一系列工艺步骤。这一流程对LED灯的最终性能至关重要。以下是LED封装工艺流程的详细步骤:

一、前期准备

       芯片准备:对LED芯片进行严格的筛选和测试,确保其符合性能标准。

二、封装流程

       1、清洗:采用超声波清洗PCB或LED支架,并烘干。

       2、装架:在LED管芯(大圆片)底部电极备上银胶后进行扩张,将扩张后的管芯(大圆片)安置在刺晶台上,在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在PCB或LED支架相应的焊盘上,随后进行烧结使银胶固化。

       3、压焊:用铝丝或金丝焊机将电极连接到LED管芯上,以作电流注入的引线。LED直接安装在PCB上的,一般采用铝丝焊机(制作白光TOP-LED需要金线焊机)。

       4、封装:通过点胶,用环氧将LED管芯和焊线保护起来。在PCB板上点胶,对固化后胶体形状有严格要求,这直接关系到背光源成品的出光亮度。这道工序还将承担点荧光粉(白光LED)的任务。

三、后续处理

       1、焊接:如果背光源是采用SMD-LED或其它已封装的LED,则在装配工艺之前,需要将LED焊接到PCB板上。

       2、切膜:用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。

       3、装配:根据图纸要求,将背光源的各种材料手工安装正确的位置。

       4、测试:检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。

四、封装完成

       包装:将成品按要求包装、入库。

五、封装工艺说明

       1、芯片检验:包括材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑,芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求,电极图案是否完整等。

       2、扩片:由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm),不利于后工序的操作。因此,采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,将LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张,但容易造成芯片掉落浪费等不良问题。

       3、点胶:在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。对于GaAs、SiC导电衬底,具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片,采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片,采用绝缘胶来固定芯片。工艺难点在于点胶量的控制,在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求,银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。

       4、备胶:和点胶相反,备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上,然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶,但不是所有产品均适用备胶工艺。

       5、手工刺片:将扩张后LED芯片(备胶或未备胶)安置在刺片台的夹具上,LED支架放在夹具底下,在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处,便于随时更换不同的芯片,适用于需要安装多种芯片的产品。

       6、自动装架:自动装架其实是结合了沾胶(点胶)和安装芯片两大步骤,先在LED支架上点上银胶(绝缘胶),然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置,再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程,同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴,防止对LED芯片表面的损伤,特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。

       7、烧结:烧结的目的是使银胶固化。烧结要求对温度进行监控,防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150℃,烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170℃,1小时。绝缘胶一般150℃,1小时。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时(或1小时)打开更换烧结的产品,中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其他用途,防止污染。

       8、压焊:压焊的目的将电极引到LED芯片上,完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。铝丝压焊的过程是,先在LED芯片电极上压上第一点,再将铝丝拉到相应的支架上方,压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球,其余过程类似。压焊是LED封装技术中的关键环节,工艺上主要需要监控的是压焊金丝(铝丝)拱丝形状,焊点形状,拉力。对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题,如金(铝)丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀(钢嘴)选用、劈刀(钢嘴)运动轨迹等等。

       9、点胶封装:LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型,选用结合良好的环氧和支架。TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高(特别是白光LED),主要难点是对点胶量的控制,因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。

       10、灌胶封装:Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱让环氧固化后,将LED从模腔中脱出即成型。

       11、模压封装:将压焊好的LED支架放入模具中,将上下两副模具用液压机合模并抽真空,将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中,环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。

       12、固化与后固化:固化是指封装环氧的固化,一般环氧固化条件在135℃,1小时。模压封装一般在150℃,4分钟。后固化是为了让环氧充分固化,同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架(PCB)的粘接强度非常重要。一般条件为120℃,4小时。

       13、切筋和划片:由于LED在生产中是连在一起的(不是单个),Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上,需要划片机来完成分离工作。

六、封装形式

       LED封装形式可以说是五花八门,主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸、散热对策和出光效果。LED按封装形式分类有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。

七、封装材料选择

       导热性能:封装材料的导热性能直接影响LED的散热效果和使用寿命。

       光学性能:封装材料的透光率和折射率决定了LED的光效和光分布。

       综上所述,LED封装工艺流程是一个复杂而精细的过程,涉及多个步骤和环节。每个步骤都需要严格控制工艺参数和质量要求,以确保最终产品的性能和可靠性。

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