发光二极管封装是半导体照明技术的核心组成部分,其主要功能是保护发光二极管芯片,提供光、电、机械接口和支撑,也可以提供相关的荧光转换等功能。其技术目标是在有限的成本范围内实现高效率、低热阻、高可靠性等参数要求。随着发光二极管器件的光效、功率、可靠性和成本的不断改善,对器件封装的要求也越来越高,在发光角度、光色均匀性、取光效率、光通量、散热能力等方面,对芯片、荧光粉、基板、热界面材料和封装材料,以及相应的封装方式提出了新的要求。
发光二极管封装
为一个或多个发光二极管芯片的单电子元件提供光学、热学、机械、电气接口和界面的封装技术和产品。又称LED封装。
- 英文名称
- light emitting diode package
- 又称
- LED封装
- 所属学科
- 电子科学与技术
发光二极管芯片结构包括正装结构、倒装结构和垂直结构等。发光二极管封装形式也多种多样,从单芯片封装发展到多芯片封装,从引脚式封装到贴片式封装、基板表面组装封装、系统封装和远程荧光封装等。随着大功率发光二极管芯片性能的改善,又出现了电磁兼容封装、芯片尺度封装、3D阵列式封装等新型封装。
发光二极管封装的关键技术主要包括发光二极管封装散热技术和发光二极管封装光学技术等。
发光二极管封装散热技术。①通过透镜直接向空气中辐射散热,此方式散热有限,在超大功率发光二极管封装中需要解决此问题。②大多数发光二极管元件的主要散热路径是发光二极管芯片—封装基板—系统电路板—大气环境。③采用共晶覆晶芯片,由芯片直接向系统基板散热。由系统向环境的散热能力取决于整个发光灯具或系统的设计。大功率发光二极管的高电流密度、高光通量,以及电子元器件的日趋小型化,热流密度猛增,使得发光二极管散热问题日益严重。发光二极管封装基板材料将朝着低成本、高导热、优良机械力学性能的方向发展。金属基印刷电路板、覆铜陶瓷基板、直接敷铝基板、直接镀铜基板等传统基板材料各具优势,而低温共烧陶瓷、高温共烧陶瓷、金属陶瓷复合材料等新型基板材料,由于具有高强度、高导热、高热匹配以及良好介电性能等优势,是未来大功率发光二极管封装材料开发的主要发展方向。
发光二极管封装光学技术。发光二极管封装光源的光学设计分为一次光学设计和二次光学设计。一次光学设计是指对发光二极管芯片封装过程进行光学设计。利用折射、反射、折射和反射混合等方式对发光二极管封装光源进行光学设计及优化,提高发光二极管芯片的出光效率。二次光学设计是指对发光二极管封装光源的具体应用进行光学设计,主要是在一次光学设计的基础上,对光学反光杯、光学扩散板及光学透镜的设计,提高发光二极管照明系统的质量。
根据发光二极管封装体的功能、结构和应用范围,可以将发光二极管封装分为多种类型。根据功率大小,分为小功率发光二极管封装、中功率发光二极管封装和大功率发光二极管封装等;根据封装结构和尺度,分为引脚式封装(又称草帽型封装、子弹型封装)、贴片式封装、集成式封装、芯片尺度封装和晶圆级封装等;根据发射光的波长,分为白光发光二极管封装、单色发光二极管封装和多色发光二极管封装等。
发光二极管封装分为表贴式和直插式封装,其尺寸规格很多。单颗发光二极管封装后,通常以其尺寸命名,如:3528、0805、5050、0603、3020、335、3535、020、3014等。发光二极管封装尺寸规格有英制和公制之分,并不完全统一。常见的发光二极管封装尺寸有:英制0603、公制1608,即长1.6毫米、宽0.8毫米,行业简称0603;英制0805、公制2012,即长2.0毫米、宽1.2毫米,行业简称0805;英制1204、公制3010,即长3.0毫米、宽1.0毫米,行业简称1204;英制1206、公制3216,即长3.2毫米、宽1.6毫米,行业简称1206;英制1210、公制3528,即长3.5毫米、宽2.8毫米,行业简称3528;英制2220、公制5050,即长5.0毫米、宽5.0毫米,行业简称5050等。
发光二极管器件的失效模式包括电失效、热失效和封装失效等。发光二极管的使用寿命是指发光二极管的输出光通量衰减为70%(也有定义为50%)的使用时间。由于发光二极管的寿命长,可以采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括室温(25℃)、高温(55℃或85℃)、低温(-40℃)、湿热(85℃,60%RH)、热循环(-40℃,85℃)、机械冲击(1500g)、抗蚀性(35℃盐环境中)等。
21世纪10年代,国内外很多科研机构和企业对发光二极管封装持续开展研究,优良的封装材料和高效的封装工艺陆续被提出,高可靠性的发光二极管照明新产品相继出现。新型材料的出现为发光二极管封装的发展提供了坚实的基础。芯片方面的垂直芯片、高压芯片和交流芯片等,结构方面的阵列化和三维化等,都是发光二极管封装未来的发展方向。发光二极管封装的目标是解决器件应用中的物理矛盾,实现智能发光二极管封装。
扩展阅读
- 汤坤,卓宁泽,施丰华,等.LED封装的研究现状及发展趋势.照明工程学报,2014(1):26-30.
- 王文君,王双喜,张丹,等.大功率LED封装基板研究进展.材料导报,2016,30(17):44-50.
- 彭辉仁,王忆,李远兴,等.LED封装光源光学设计的研究现状.照明工程学报,2014(4):95-99.