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UV光源设备应用:led产品常识

时间:2013-06-03 09:45来源:未知点击:

UV光源设备应用:led产品常识

    半导体发光器件包括半导体发光二极管(简称LED)、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏(简称矩阵管)等。事实上,数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。

一、 半导体发光二极管工作原理、特性及应用

  (一)LED发光原理

     发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示。

    假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

  理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。

(二)LED的特性

1.极限参数的意义

(1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值,LED发热、损坏。
(2)最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 ??  
(3)最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。? ?
(4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围,发光二极管将不能正常工作,效率大大降低。

2.电参数的意义

(1)光谱分布和峰值波长:某一个发光二极管所发之光并非单一波长,其波长大体按图2所示。 由图可见,该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大,该波长为峰值波长。
(2)发光强度IV:发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时,则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二强度小,所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。
(3)光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.
(4)半值角θ1/2和视角:θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。
    半值角的2倍为视角(或称半功率角)。 图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然,法线方向上的相对发光强度为1,离开法线方向的角度越大,相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。
(5)正向工作电流If:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。
(6)正向工作电压VF:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4~3V。在外界温度升高时,VF将下降。
(7)V-I特性:发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。 在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR。

(三)LED的分类

1. 按发光管发光颜色分

  按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
  根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。

2. 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1;把φ5mm的记作T-1(3/4);把φ4.4mm的记作T-1(1/4)。
  由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类:
(1)高指向性。一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。
(2)标准型。通常作指示灯用,其半值角为20°~45°。
(3)散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为45°~90°或更大,散射剂的量较大。
3.按发光二极管的结构分 ??按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
4.按发光强度和工作电流分
    按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd);把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。
    一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。
  除上述分类方法外,还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 ??
(四)LED的应用 ??
由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同,所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。
  由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制,使用时,应保证不超过此值。为安全起见,实际电流IF应在0.6IFm以下;应让可能出现的反向电压VRRm。 ??LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中,可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。

(1)利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图5所示。图中电阻R限流电阻,其值应保证电源电压最高时应使LED的电流小于最大允许电流IFm。

(2)图6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路。 ??图(a)中的电阻≈(E-VF)/IF; ??图(b)中的R≈(1.4Vi-VF)/IF; ??图(c)中的R≈Vi/IF ??式中,Vi——交流电压有效值。

(3)单LED电平指示电路。在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端,可用LED表示输出信号是否正常,如图7所示。R为限流电阻。只有当输出电压大于LED的阈值电压时,LED才可能发光。

(4)单LED可充作低压稳压管用。由于LED正向导通后,电流随电压变化非常快,具有普通稳压管稳压特性。发光二极管的稳定电压在1.4~3V间,应根据需要进行选择VF,如图8所示。
(5)电平表。目前,在音响设备中大量使用LED电平表。它是利用多只发光管指示输出信号电平的,即发光的LED数目不同,则表示输出电平的变化。图9是由5只发光二极管构成的电平表。当输入信号电平很低时,全不发光。输入信号电平增大时,首先LED1亮,再增大LED2亮……。

(五)发光二极管的检测


1.普通发光二极管的检测
(1)用万用表检测。利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时,二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞,反向电阻值很小或为0,则易损坏。这种检测方法,不能实地看到发光管的发光情况,因为×10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流。
  如果有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极(P区),余下的“+”笔接被测发光管的负极(N区)。两块万用表均置×10Ω挡。正常情况下,接通后就能正常发光。若亮度很低,甚至不发光,可将两块万用表均拨至×1Ω若,若仍很暗,甚至不发光,则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意,不能一开始测量就将两块万用表置于×1Ω,以免电流过大,损坏发光二极管。

(2)外接电源测量。用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表(指针式或数字式皆可)可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图10所示连接电路即可。如果测得VF在1.4~3V之间,且发光亮度正常,可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF≈3V,且不发光,说明发光管已坏。 2.红外发光二极管的检测
  由于红外发光二极管,它发射1~3μm的红外光,人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW,不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.3~2.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见,所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常,而无法判定其发光情况正常否。为此,最好准备一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光电池)作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。其测量电路如图11所示。

二、LED显示器结构及分类
    通过发光二极管芯片的适当连接(包括串联和并联)和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器,而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。
(一)LED显示器结构
  基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。可实现0~9的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。
(1)反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳,将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上,每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在装反射罩前,用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线,在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合,然后固化。

    反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂,较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜,为提高器件的可靠性,必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶,这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示(或符号显示)。
(2)条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片,划成内含一只或数只LED发光条,然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上,用压焊工艺连好内引线,再用环氧树脂包封起来。
(3)单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上(大圆片),利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形,通过划片把合格芯片选出,对位贴在印刷电路板上,用压焊工艺引出引线,再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。
(4)符号管、米字管的制作方式与数码管类似。
(5)矩阵管(发光二极管点阵)也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。
(二)LED显示器分类
(1)按字高分:笔画显示器字高最小有1mm(单片集成式多位数码管字高一般在2~3mm)。其他类型笔画
  显示器最高可达12.7mm(0.5英寸)甚至达数百mm。
(2)按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。
(3)按结构分,有反射罩式、单条七段式及单片集成式。
(4)从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。
  所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极(即P区)是公共的,而阴极互相隔离。 ??所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极(即N区)是公共的,而阳极是互相隔离的。如图13所示。
(三)LED显示器的参数
  由于LED显示器是以LED为基础的,所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于LED显示器内含多个发光二极管,所以需有如下特殊参数:
1.发光强度比 ??由于数码管各段在同样的驱动电压时,各段正向电流不相同,所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.5~2.3间,最大不能超过2.5。
2.脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF,则在脉冲下,正向电流可以远大于IF。脉冲占空比越小,脉冲正向电流可以越大。

(四)LED显示器的应用指南
1.七段数码显示器
(1)如果数码宇航局为共阳极形式,那么它的驱动级应为集电极开路(OC)结构,如图14(a)所示。 如果数码管为共阴极形式,它的驱动级应为射极输出或源极输出电路,如图14(b)所示。 ?例如国产TTL集成电路CT1049、CT4049为集电极开路形式七段字形译码驱动电路;而CMOS集成电路CC4511为源极输出七段锁存、译码驱动电路。

(2)控制数码管驱动级的控制电路(也称驱动电路)有静态式和动态式两类。
① 静态驱动:静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器(如BCD码二-十进制译码器)译码驱动。图15是一位数码管的静态驱动之例。图集成电路TC5002BP内含有射极输出驱动级,所以采用共阴极数码管。A、B、C、D端为BCD码(二-十进制的8421码)输入端,BL为数码管熄灭及显示状态控制端,R为外接电阻。 图16为N位数字静态驱动显示电路。
② 动态驱动:动态驱动是将所有数码管使用一个专门的译码驱动器,使各位数码管逐个轮流受控显示,这就是动态驱动。由于扫描速度极快。显示效果与静态驱动相同。图17是一种四位数字动态驱动(脉搏冲驱动)方法的线路。图中只用了一个译码驱动电路TC5002BP。 TC4508BP内含两个锁存器,每个锁存器可锁存四位二进BCD码,对应于四位十进制数的四组BCD码分别输入到四个锁存器,四个锁存器,四组BCD码由四个锁存器分时轮流输出进入译码器,译码后进入数码管驱动级集成电路TD62505P(输入端I1~I7与输出端Q1~Q7一一对应)。Q1~Q7分别加到四个数码管的a~g七个阳极上。数字驱动电路TD62003P是由达林顿构成的阵列电路,Q1~Q4中哪一端接地,由输入端I1~I4的四师长“使能”信号DS1~DS4控制。由于四个锁存器的轮换输出也是受“使能”信号DS1~DS4控制。所以四个数码管轮流通电显示。由于轮流显示频率较高,故显示的数字不呈闪烁现象。
2.米字管、符号管显示器
  米字管和符号管的结构原理相机,所以其驱动方式也基本相同,只是译码电路的译码过程与七段译码器不同。
  米字管可以显示包括英文字母在内的多种符号。符号管主要是用来显示+、-或±号等。
3.LED点阵式显示器
    LED点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比,具有焊点少、连线少,所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。
  点阵管根据其内部LED尺寸的大小、数量的多少及发光强度、颜色等可分为多种规格。图18所示是具有代表性的P2057A和P2157A两种φ5高亮度橙红色5×7点阵组件。采用双列直插14脚封装,两种显示器的差别是LED极性不同,如图18所示。 该显示器用扫描驱动方式,选择较大峰值电流和窄脉冲作驱动源,每个LED的平均电流不应超过20mA。
    LED点阵管可以代替数码管、符号管和米字管。不仅可以显示数字,也可显示所有西文字母和符号。如果将多块组合,可以构成大屏幕显示屏,用于汉字、图形、图表等等的显示。被广泛用于机场、车站、码头、银行及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。
  图19是一个LED点阵显示器驱动电路之例。

    LED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。国产红、绿、橙、黄的LED产量约占世界总量的12%,“十五”期间的产业目标是达到年产300亿只的能力,实现超高亮度AiGslnP的LED外延片和芯片的大生产,年产10亿只以上红、橙、黄超高亮度LED管芯,突破GaN材料的关键技术,实现蓝、绿、白的LED的中批量生产。据预测,到2005年国际上LED的市场需求量约为2000亿只,销售额达800亿美元。

    在LED产业链接中,上游是LED衬底晶片及衬底生产,中游的产业化为LED芯片设计及制造生产,下游归LED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。

2 LED封装的特殊性

     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。

     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,目前,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。

3 产品封装结构类型

     自上世纪九十年代以来,LED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。

     LED产品封装结构的类型如表2所示,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可逐渐替代引脚式LED,应用设计更灵活,已在LED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的中、长期发展方向。

4 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。

5 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,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。

     表3示出常见的SMD LED的几种尺寸,以及根据尺寸(加上必要的间隙)计算出来的最佳观视距离。焊盘是其散热的重要渠道,厂商提供的SMD LED的数据都是以4.0×4.0mm的焊盘为基础的,采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。超高亮度LED产品可采用PLCC(塑封带引线片式载体)-2封装,外形尺寸为3.0×2.8mm,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50mA驱动电流下达1250mcd。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD LED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。多色PLCC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封装。

6 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;可靠性高,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。

7 LED发展及应用前景

     近几年,LED的发光效率增长100倍,成本下降10倍,广泛用于大面积图文显示全彩屏,状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源,汽车组合尾灯及车内照明等等方面,其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光LED,用作固体照明器件的经济性显著,且有利环保,正逐步取代传统的白炽灯,世界年增长率在20%以上,美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。目前,普通白光LED发光效率251m/W,专家预计2005年可能超过3001m/W。功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域,被学术界和产业界认为是LED进入照明市场的必由之路。为替代荧光灯、白光LED必须具有150—2001m/W的光效,且每Im的价格应明显低于0.015/Im(现价约0.25$/Im,红LED为0.065/Im),要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究,但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。按固体发光物理学原理,LED的发光效率能近似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。

8 结束语

     国内LED产业中有20余家上、中游研制及生产单位和150余家后道封装企业,高端封装产品还未见推向市场。目前,完成GaN基蓝绿光LED中游工艺技术产业化研究,力争在短期内使产品的性能指标达到国外同时期同类产品的水平,力争在较短时间内达到月产10kk的生产能力,开发白光照明光源用的功率型LED芯片等新产品。科技部将投入8000万元资金,启动国家半导体照明工程,注意终端产品,先从特种产品做起,以汽车、城市景观照明作为市场突破口,把大功率、高亮度LED放在突出位置,它的成果将要服务于北京奥运会和上海世博会。无庸质疑,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,封装是产业链中承上启下部分,需要关注与重视。

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