半导体照明课件 15 第12章 LED封装技术

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拉伸到约0.6mm。 也可以采用手工扩张,但很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。
构型器件。 通过LED的适当连接(包括串联和并联)和合适的光
学结构,可构成发光显示器的发光段和发光点,然后由这 些发光段和发光点组成各种发光显示器,如数码管、“米 ”字管、矩阵管等。
2、平面式封装
(二)平面式封装结构
3、表贴式封装
(一)表贴式封装原理 表面贴片LED(SMD)是一种新型的表面贴装式半导
三、热学设计 热学设计的原则是使器件结构具有低的热阻。
它不仅与器件的可靠性有关,还直接影响到 发光效率,因为一般半导体发光效率均随结温升 高而降低。
三、热学设计 1、热阻(thermal resistance)
结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。
表示单位耗散功率所引起的结温升高(˚C/W,或 K/W。)
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、封装内部材料等。
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。
四、LED封装的发展过程
四、光学设计
光学设计主要是为了获得较高的光出射效率。
模型:把管芯看作一个吸收系数为α ,体积为V 的光
学腔,它被面积为Ai的几个面包围。
u
AiTi
(1 Ri ) Ai 4V
式中,α为吸收系数,V为管芯体积,Ai为面积,Ti为透过率, Ri为反射率。
由该式可见,要提高出光效率,就要减少管芯材料的体吸 收和减少欧姆接触对光的吸收,并增大其他界面的透过率。
RT
L
S
其中L为平板的厚度,S为平板垂直于热流方 向的截面积, λ为平板材料的热导率。
三、热学设计
3、扩展热阻
当一热流通过一小面积进入无限固体中时,所产生的 热阻称为扩展热阻。
它的大小除与其无限固体的热导率有关外,还与接触 面积和形状有关。面积一定时,细长形接触的扩展热阻低 于方形,环形的小于椭圆形的,更小于圆形的。
RT
T PD
式中RT为两点间的热阻, T 为两点间的温度 差,PD为两点间的热功率流。
结温:
是指管芯 PN 结的平 均温度,用 TJ 表示。
LED结温高低直接影 响到LED出光效率、器件 寿命、可靠性、发射波长 等。
是LED器件封装和器 件应用设计必须着重解决 的核心问题.
热阻:是指反映阻止热量传递能力的综合参量。单位:℃/W 导热系数是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的 温差为1°C,在1小时内,通过1平方米面积传递的热量,用λ表 示(W/m·℃)。
称为支架); b、芯片的正极用金属丝键合连到另一引线架上; c、负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相
连; d、然后顶部用环氧树脂包封,做成直径5mm的圆形外形
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。
2、平面式封装
(一)平面式封装原理 平面式封装LED器件是由多个LED芯片组合而成的结
2000年-至今 生产了功率型LED, 用于照明 驱动电流 ≥350mA。
五、小功率LED封装 常规小功率LED的封装形式主要有:
1. 引脚式封装; 2. 平面式封装; 3. 表面贴装式SMD LED; 4. 食人鱼Piranha LED。
1、引脚式封装
(一)引脚式封装结构
LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚, 常见的是直径为5mm的圆柱型(简称Φ5mm)封装。
1. 沿袭引脚式 LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装
三、功率型封装 2. 仿食人鱼式环氧树脂封装
三、功率型封装
3. 铝基板(MCPCB)式封装
三、功率型封装
4. 借鉴大功率三极管思路的TO封装
三、功率型封装 5. 功率型SMD封装
第三节 LED的封装工艺
1、主要材料及流程
五大物料
五大制程
晶片 支架 銀胶
四、光学设计 1、减少体吸收
(1)使材料吸收光谱的能量大于发射光谱的能量。
(2)高杂质补偿的III-V族材料中,电发光辐射的能量远 低于带隙宽度,吸收系数较非补偿的低n个数量级。
如高补偿的掺硅砷化镓(GaAs)
(3)在出光一侧做成透光性好的“窗口”,可大大减少 自吸收。
如,为提高AlGaAs器件的出光效率,在出光面生 长一个带隙较宽的层。
4、食人鱼式封装
(二)结构
三、功率型封装
功率型LED是未来半导体照明的核心,大功率LED有
• 大的耗散功率,大的发热量, • 以及较高的出光效率,长寿命。
不能简单地套用传统的小功率LED, 必须在: 封装结构设计;选用材料;选用设备等方面重新考虑, 研究新的封装方法。
三、功率型封装
目前功率型LED主要有以下6种封装形式:
1、引脚式封装
(二)引脚式封装原理 顶部包封的环氧树脂做成一定形状,有这样几种作用:
① 保护管芯等不受外界侵蚀; ② 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。
(三)引脚式封装过程(Φ5mm引脚式封装) a、将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上(一般
(4) 背胶 和点胶相反,备胶是用背胶机先把银胶涂在LED背面电极
上,然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。 背胶的效率远高于点胶,但不是所有产品均适用背胶工艺。
(5)手工刺片 将扩张后LED芯片(背胶或未背胶)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。
支架是铜制的,面积较大,因此传热和散热快。 LED点亮后, pn结产生的热量很快就可以由支架的四
个支脚导出到PCB的铜带上。
(一)优点 食人鱼LED比φ3mm、φ5mm引脚式的管子传热
快,从而可以延长器件的使用寿命。 一般情况下,食人鱼LED的热阻会比φ3mm、
φ5mm管子的热阻小一半,所以很受用户的欢迎。
体发光器件,具有体积小、散射角大、发光均匀性好、可 靠性高等优点。
其发光颜色可以是白光在内的各种颜色,可以满足表 面贴装结构的各种电子产品的需要,特别是手机、笔记本 电脑。
(二)表贴式封装结构
4、食人鱼式封装
(一)优点 为什么把着这种LED称为食人鱼,因为它的形状很像
亚马孙河中的食人鱼Piranha 。 食人鱼LED产品有很多优点,由于食人鱼LED所用的
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。
第十二章 LED封装技术
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 1)引出正极、负极并对LED芯片和两个电极进行 保护之外,还需要考虑 2)将光取出并达到规定的光强分布。
此外, 还要将管芯产生的热导出来, 象InGaN器件还必 须采取防静电措施。
这就是半导体发光器件设计的最佳化。
一、设计原则 PN结发光器件的外量子效率为:
ex jiu
j 为电子注入效率, i 为转化为光子的内量子 效率,u 为取光效率,提高这三个效率就可以 提高器件的外量子效率。
二、电学设计 电学设计问题主要在外延和芯片制作时考虑。
1、提高PN结注入效率
方法:外延层的载流子浓度不能太少。
四、光学设计
2、增大表面透过率
由于LED晶体的折射率比较高,当光线射向晶体内表 面时,在晶体和空气的交界面上就要产生折射,容易发生 全反射。
采用拱形管芯可以增加临界角,调高出光效率。同理, 在管芯表面涂覆具有中等折射率的介质层或淀积增透膜, 可增大临界角减少全反射,提高出光效率。
四、光学设计
3、反射器
三、热学设计 4、实际器件的热阻
总热阻=各结构层热阻+扩展热阻
实际器件的热阻包括结的扩展热阻、焊料层的热阻、 引线架的扩展热阻、管壳的热阻和键合热阻。
器件的总温升为各热阻部分引起的温升之和。
三、热学设计
5、降低热阻的措施
a、减少各结构层的厚度,采用高热导焊料,降低各 结构层的热阻。
b、采用适当形状的PN结或管芯,降低扩展热阻。 c、封装时选用高热导的引线架、降低管壳的热阻。 d、加大键合面积,降低键合热阻。
总热阻为各层热阻之和
Βιβλιοθήκη Baidu
SFT-LED热阻对比表
从上表中我们可以看出,我公司LED的热阻远远低于同行 的热阻,这为我公司LED的高亮度低光衰提供了保障。
三、热学设计
2、结构层热阻 RT
当热量在物体内部以热传导的方式传递时,遇 到的热阻称为结构层热阻 (导热热阻)。对于热流经 过的截面积不变的平板,结构层热阻为
LED封装技术的发展分三个阶段,也是LED器件的功 率、光通量、器件结构发展的三个阶段。
1962-1989 年 主要是Ф3和 Ф 5的LED, 用作数码管 和矩阵管的显示器 驱动电流≤20mA。
1990-1999 年 发展了大光通量LED食人鱼和snap, 用 作汽车信号灯、景观照明 驱动电流50-150mA。
固晶
金丝
焊线
环氧树脂
封胶
切脚
测试
2. 主要工艺
3. 主要工艺说明
(1)芯片检验 用显微镜检查材料表面
是否有机械损伤及麻点; 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。
(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。 采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,使LED芯片的间距
五、视觉因素
作为指示、显示器件乃至照明光源来说,还必须考虑 到人眼视觉这一主观性很强的因素,它除了不同的视感灵 敏度外,还受视觉分辨能力、光源大小和观察距离(视距)、 颜色、反差等因素影响。
第二节 LED封装技术
一、封装的作用 将普通二极管的管芯密封在封装体内,其
作用是保护芯片和完成电气互连。 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
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
采用合适的金属或塑料反射腔结构,可以使下部和侧 面的光经过反射到达器件前方,从而提高出光效率。
反射器件结构有抛物面结构、多面体结构等。
四、光学设计 4、采用透镜控制光强分布
对LED光强分布的控制有两种方法:
a、采用聚碳酸酯透明塑料制成的不同曲率的透镜,作为 功率LED器件的出光端;
b、直接将封装硅树脂采用模具封装成一定曲率的硅树脂 透镜,以达到各种光强分布的目的。
对LED的封装既有电参数又有光参数的设 计及技术要求。
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.
第一节 LED器件的设计
LED器件的设计包括电学、热学、光学和结构 设计,这四方面是互相关联的,有时还有矛盾,考 虑的原则是以光学参数(特别是光通量和光强)为主 的最佳折中。
1)注入的少数载流子与多子复合的概率与多子浓度成正比。 2)浓度太低会增加器件串联电阻,增加压降,导致器件过 热,增加温升,降低发光效率。
但浓度太高又会导致俄歇过程这种非辐射复合中心的增 加,并且会增加晶体不完整性,甚至出现杂质沉淀物或各种络 合物,从而降低发光效率。
二、电学设计
2、衬底完整性要好。因为较多的缺陷会使外延 层完整性降低,造成非辐射复合中心,严重影 响器件的发光效率。
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