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LED封装
来源:深圳市赛亿科技开发有限公司作者:日期:2017-11-22 15:30:39点击:208次
LED(发光二极管)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。
 
中文名 外文名 led封装作用 封装作用
发光二极管封装 LED Packaging 完成输出电信号,保护管芯正常 保护管芯和完成电气互连
 
 
目录
 
1、概述
2、封装说明
3、结构说明
4、技术介绍
5、技术原理
6、LED封装分类
7、现状
8、封装企业
 
 
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。
 
封装说明
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。
 
结构说明
LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结管芯,当注入pn结的少数载流子与多数载流子复合时,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,并不是管芯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、管芯结构及几何形状、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的正方形管芯粘结或烧结在引线架上,管芯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管芯侧面、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:保护管芯等不受外界侵蚀;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;管芯折射率与空气折射率相差太大,致使管芯内部的全反射临界角很小,其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分易在管芯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,提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性,绝缘性,机械强度,对管芯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,发光强度的角分布也与管芯结构、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,影响颜色鲜艳度。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,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,单只LED的光通量也达到数十Im。LED芯片和封装不再沿袭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,如何改善管芯及封装内部结构,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,加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。
 
技术介绍
4.1、扩晶,把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶。
5.2、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。
4.3、短烤,让胶水固化焊线时晶片不移动。
4.4、焊线,用金线把晶片和支架导通。
4.5、前测,初步测试能不能亮。
4.6、灌胶,用胶水把芯片和支架包裹起来。
4.7、长烤,让胶水固化。
4.8、后测,测试能亮与否以及电性参数是否达标。
4.9、分光分色,把颜色和电压大致上一致的产品分出来。
4.10、包装。
 
技术原理
大功率LED封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到LED的使用性能和寿命,特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括:1.机械保护,以提高可靠性;2.加强散热,以降低芯片结温,提高LED性能;3.光学控制,提高出光效率,优化光束分布;4.供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等。[2] 
LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等发展阶段。随着芯片功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻,提高出光效率,必须采用全新的技术思路来进行封装设计。
 

LED封装分类

根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果。LED封装形式多种多样。目前,LED按封装形式分类主要有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED、Flip Chip-LED等。 
6.1、Lamp-LED(垂直LED) 
Lamp-LED早期出现的是直插LED,它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树脂,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱中让环氧树脂固化后,将LED从模腔中脱离出即成型。由于制造工艺相对简单、成本低,有着较高的市场占有率。
6.2、SMD-LED(表面贴装LED) 
贴片LED是贴于线路板表面的,适合SMT加工,可回流焊,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,采用了更轻的PCB板和反射层材料,改进后去掉了直插LED较重的碳钢材料引脚,使显示反射层需要填充的环氧树脂更少,目的是缩小尺寸,降低重量。这样,表面贴装LED可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更加完美。
6.3、Side-LED(侧发光LED) 
目前,LED封装的另一个重点便侧面发光封装。如果想使用LED当LCD(液晶显示器)的背光光源,那么LED的侧面发光需与表面发光相同,才能使LCD背光发光均匀。虽然使用导线架的设计,也可以达到侧面发光的目的,但是散热效果不好。不过,Lumileds公司发明反射镜的设计,将表面发光的LED,利用反射镜原理来发成侧光,成功的将高功率LED应用在大尺寸LCD背光模组上。
6.4、TOP-LED(顶部发光LED) 
顶部发光LED是比较常见的贴片式发光二极管。主要应用于多功能超薄手机和PDA中的背光和状态指示灯。
6.5、High-Power-LED(高功率LED)  
为了获得高功率、高亮度的LED光源,厂商们在LED芯片及封装设计方面向大功率方向发展。目前,能承受数W功率的LED封装已出现。比如Norlux系列大功率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。这种封装采用常规管芯高密度组合封装,发光效率高,热阻低,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。  可见,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、制造技术显得更加重要。 
6.6、Flip Chip-LED(覆晶LED) 
LED覆晶封装结构是在PCB基本上制有复数个穿孔,该基板的一侧的每个穿孔处都设有两个不同区域且互为开路的导电材质,并且该导电材质是平铺于基板的表面上,有复数个未经封装的LED芯片放置于具有导电材质的一侧的每个穿孔处,单一LED芯片的正极与负极接点是利用锡球分别与基板表面上的导电材质连结,且于复数个LED芯片面向穿孔的一侧的表面皆点着有透明材质的封胶,该封胶是呈一半球体的形状位于各个穿孔处。属于倒装焊结构发光二极管。  
按固体发光物理学原理,LED的发光效能近似100%,因此,LED被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。展望未来,厂商必将把大功率、高亮度LED放在突出发展位置。LED产业链中的衬底、外延、芯片、封装、应用需共同发展,多方互动培植,而封装是产业链中承上启下部分,需要大家极大地关注与重视。
 
现状
从近两年LED上市企业营收数据可以发现,当前LED封装企业业绩分化现象愈演愈烈,甚至变得极端。部分企业虽然营收上升,但LED业务贡献比例却出现下滑,有些甚至不再作为主营业务。另一部分企业则营收净利双下滑的现象,可见,企业利润的下滑与价格拼杀造成的收入下跌有关。
  随着毛利不断的下降,欧司朗、飞利浦、GE等国际照明巨头纷纷处理通用照明业务,转向高利润的智能照明领域发展,飞乐音响、木林森等国内照明企业则不断攻城拔寨谋求合纵连横,以抢占行业制高点主导行业发展格局。中小型企业则开始转向LED细分市场,以寻求新的发展空间。随着LED封装产业的不断发展,市场格局正在逐渐演变。
屋漏偏逢连夜雨。内部环境演变的同时,外部环境也发生着巨大的变化。中国制造2025和互联网+的大势来袭,让外部环境的发生了新的改变,传统的人工模式已经很难适应产业的后时代发展,这样对制造业也提出了新的要求,要求未来的制造业是要解放人工,实现智能化。
 
封装企业
作为制造业中的LED行业,其封装领域已基本形成了集群化,大部分工艺实现机械智能化,可仍存在着一些非智能化的环节,导致整个LED封装工艺无法实现智能化的闭环。
而这中情况形成的主要原因是目前配胶环节还在采用人工操作,加大了配胶差错率。也因如此才导致整个环节的无法智能化,也正是因为存在着这样一个缺口,无法形成闭环导致很多封装企业在这个缺口填补了很多资金,也吃了很多亏。
单就AB胶加反来说,因为这在整个生产出货过程中无法发现,只有到了被客户用到成品并使用一段时间以后才会发现,而这带来的后果是不仅仅会造成企业自身生产投入的损失,而且还会影响公司品牌、信誉度甚至牵连到客户的品牌信誉度问题,是所有企业都不愿看到的问题。
这只是其一,还有因为目前配胶这块的人员配置还是比较多,加大了人力成本,同时也因为是人员操作的不可控,不仅带来了上述的操作过程中的失误损失,还有在实际配胶过程中在原材料上的浪费。
当然,配胶环节对封装成品的影响远不止这些,还有像因为落bin率的问题,导致滞带库存问题,使企业的成本再次上升,当然还有因为人员研发配方所花的时间太长,带来的不能及时反馈给客户带来的订单丢失与交期延误问题等等。
因此在当前LED封装这种价格战环绕的大环境下,产业也越来越集中,封装企业最终拼的是企业竞争力。而企业拼竞争力,在这样的环境下就必须要改革提升,将这些投入较大,不可控因素造成风险最多的环节进行优化,同时把成本管控做到极致化,以更好适应当前LED封装的大环境。