​LED灯珠封装结构技术的类型介绍

　　LED灯珠是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，发光响应时间极短，光色纯，结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性，发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见光谱段各种颜色的高亮度、高性能产品。

　　在LED灯珠产业链接中，上游是LED灯珠衬底晶片及衬底生产，中游的产业化为LED灯珠芯片设计及制造生产，下游归LED灯珠封装与测试，研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED灯珠走向实用、走向市场的产业化必经之路，从某种意义上讲是链接产业与市场的纽带，只有封装好的才能成为终端产品，才能投入实际应用，才能为顾客提供服务，使产业链环环相扣，无缝畅通。 LED灯珠封装的特殊性 LED灯珠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灯珠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灯珠。

　　发光二极管

　　LED灯珠的发光部分是由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灯珠的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED灯珠封装是将边长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关太大，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灯珠的轴线方向，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灯珠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灯珠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灯珠的驱动电流限制在20mA左右。

　　但是，LED灯珠的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED灯珠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灯珠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灯珠的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙LED灯珠光效已达到100Im／W，绿LED灯珠为501m／W，单只LED灯珠的光通量也达到数十Im。

　　LED灯珠芯片和封装不再沿龚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灯珠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。

　　产品封装结构类型 自上世纪九十年代以来，LED灯珠芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构，商品化的超高亮度（1cd以上）红、橙、黄、绿、蓝的LED灯珠产品相继问市，如表1所示，2000年开始在低、中光通量的特殊照明中获得应用。LED灯珠的上、中游产业受到前所未有的重视，进一步推动下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。

　　也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接（包括串联和并联）与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。表面贴装LED灯珠可逐渐替代引脚式LED灯珠，应用设计更灵活，已在LED灯珠显示市场中占有一定的份额，有加速发展趋势。

　　固体照明光源有部分产品上市，成为今后LED灯珠的中、长期发展方向。 引脚式封装 LED灯珠脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是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灯珠被大多数客户认为是目前显示行业中方便、经济的解决方案，典型的传统LED灯珠安置在能承受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，产品可靠性高，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灯珠管芯组合封装，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灯珠管芯组合封装，可直接替代5—24V的各种电压指示灯。

　　面光源是多个LED灯珠管芯粘结在微型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。

　　F5灯珠

　　LED灯珠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灯珠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灯珠芯片，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灯珠光柱显示器在106mm长度的线路板上，安置101只管芯（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灯珠不可能产生具有连续光谱的白光，同时单只LED灯珠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灯珠管芯上涂敷荧光粉，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灯珠。这两种方法都取得实用化，日本2000年生产白光LED灯珠达1亿只，发展成一类稳定地发白光的产品，并将多只白光LED灯珠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灯珠（SMD）逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从直插式（LAMP)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灯珠大多采用透明环氧树脂胶的3528灯珠改进型，外形尺寸3.5×2.8×1.8mm，卷盘式容器编带包装。在3528灯珠基础上，研发高亮度3528rgb全彩灯珠系列，3528rgb灯珠系列，前者为单色发光，后者为双色或三色发光。

　　近些年，SMD LED灯珠成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、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，终使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全彩显示屏应用。 焊盘是其散热的重要渠道，厂商提供的SMD LED灯珠的数据都是以3.5×2.8mm的焊盘为基础的，采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。

　　2835灯珠

　　超高亮度LED灯珠产品可采用PCT，外形尺寸为2.8×3.5mm，通过独特方法装配高亮度管芯，产品热阻为400K／W，可按CECC方式焊接，其发光强度在150mA驱动电流下达80Lm。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD LED灯珠显示器件的字符高度为5．08-12．7mm，显示尺寸选择范围宽。PLCC封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序，符合自动拾取—贴装设备的生产要求，应用设计空间灵活，显示鲜艳清晰。2835rgb全彩灯珠封装带有一个外部反射器，可简便地与发光管或光导相结合，用反射型替代目前的透射型光学设计，为大范围区域提供统一的照明，研发在3.5V、1A驱动条件下工作的功率型SMD LED灯珠封装

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　　功率型封装 LED灯珠芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ5mmLED灯珠大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灯珠封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED灯珠从2003年初开始供货，白光LED灯珠光输出达187Lm，光效44．31m／W绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED灯珠，大面积管；匕尺寸为2．5×2．5mm，可在5A电流下工作，光输出达200Lm，作为固体照明光源有很大发展空间。

　　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灯珠，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灯珠体积很小，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灯珠的热特性直接影响到LED灯珠的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型LED灯珠芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。

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