UV光源設備應用：led產品常識

UV光源設備應用：led產品常識

    半導體發(fā)光器件包括半導體發(fā)光二極管（簡稱LED）、數碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏（簡稱矩陣管）等。事實上，數碼管、符號管、米字管及矩陣管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。

一、 半導體發(fā)光二極管工作原理、特性及應用

  （一）LED發(fā)光原理

     發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發(fā)光，如圖1所示。

    假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。

  理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度Ｅg有關，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.26～1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。

（二）LED的特性

1．極限參數的意義

（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。
（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 ??  
（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。? ?
（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。

2．電參數的意義

（1）光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。 由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。
（2）發(fā)光強度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發(fā)光1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用坎德拉(mcd)作單位。
（3）光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔.
（4）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強度值為軸向強度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向）的夾角。
    半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。 圖3給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標為相對發(fā)光強度（即發(fā)光強度與最大發(fā)光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。
（5）正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。
（6）正向工作電壓VF：參數表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。
（7）V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關系可用圖4表示。 在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發(fā)光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數。正向的發(fā)光管反向漏電流IR。

（三）LED的分類

1． 按發(fā)光管發(fā)光顏色分

  按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。
  根據發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達于做指示燈用。

2． 按發(fā)光管出光面特征分 按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。
  由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。從發(fā)光強度角分布圖來分有三類：
（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統(tǒng)。
（2）標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。
（3）散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。
3．按發(fā)光二極管的結構分 ??按發(fā)光二極管的結構分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。
4．按發(fā)光強度和工作電流分
    按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度100mcd）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。
    一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。
  除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。 ??
（四）LED的應用 ??
由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時應根據實際需要進行恰當選擇。
  由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時，應保證不超過此值。為安全起見，實際電流IF應在0.6IFm以下；應讓可能出現的反向電壓VRRm。 ??LED被廣泛用于種電子儀器和電子設備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機、錄像機等的遙控器中。

（1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖5所示。圖中電阻R限流電阻，其值應保證電源電壓最高時應使LED的電流小于最大允許電流IFm。

（2）圖6(a)、(b)、(c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。 ??圖(a)中的電阻≈（E-VF）/IF； ??圖(b)中的R≈（1.4Vi-VF）/IF; ??圖(c)中的R≈Vi/IF ??式中，Vi——交流電壓有效值。

（3）單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號是否正常，如圖7所示。R為限流電阻。只有當輸出電壓大于LED的閾值電壓時，LED才可能發(fā)光。

（4）單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向導通后，電流隨電壓變化非常快，具有普通穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4～3V間，應根據需要進行選擇VF，如圖8所示。
（5）電平表。目前，在音響設備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號電平的，即發(fā)光的LED數目不同，則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發(fā)光二極管構成的電平表。當輸入信號電平很低時，全不發(fā)光。輸入信號電平增大時，首先LED1亮，再增大LED2亮……。

（五）發(fā)光二極管的檢測

1．普通發(fā)光二極管的檢測
（1）用萬用表檢測。利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時，二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ,反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或為∞，反向電阻值很小或為0，則易損壞。這種檢測方法，不能實地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因為×10kΩ擋不能向LED提供較大正向電流。
  如果有兩塊指針萬用表（最好同型號）可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測發(fā)光管的正極（P區(qū)），余下的“+”筆接被測發(fā)光管的負極（N區(qū)）。兩塊萬用表均置×10Ω擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應注意，不能一開始測量就將兩塊萬用表置于×1Ω，以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。

（2）外接電源測量。用3V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯的干電池及萬用表（指針式或數字式皆可）可以較準確測量發(fā)光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測得VF在1.4～3V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說明發(fā)光正常。如果測得VF=0或VF≈3V，且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞。 2．紅外發(fā)光二極管的檢測
  由于紅外發(fā)光二極管，它發(fā)射1～3μm的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數mW，不同型號的紅外LED發(fā)光強度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.3～2.5V。正是由于其發(fā)射的紅外光人眼看不見，所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結正、反向電學特性是否正常，而無法判定其發(fā)光情況正常否。為此，最好準備一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光電池）作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當正向電流后是否發(fā)射紅外光。其測量電路如圖11所示。

二、LED顯示器結構及分類
    通過發(fā)光二極管芯片的適當連接（包括串聯和并聯）和適當的光學結構。可構成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組成數碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。
（一）LED顯示器結構
  基本的半導體數碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片按圖12排列而成的。可實現0～9的顯示。其具體結構有“反射罩式”、“條形七段式”及“單片集成式多位數字式”等。
（1）反射罩式數碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個LED貼在與反射罩的七個反射腔互相對位的印刷電路板上，每個反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應金屬條之間連好φ30μm的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內滴入環(huán)氧樹脂，再把帶有芯片的印刷電路板與反射罩對位粘合，然后固化。

    反射罩式數碼管的封裝方式有空封和實封兩種。實封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件。空封方式是在上方蓋上濾波片和勻光膜，為提高器件的可靠性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠，這還可以提高光效率。這種方式一般用于四位以上的數字顯示（或符號顯示）。
（2）條形七段式數碼管屬于混合封裝形式。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片，劃成內含一只或數只LED發(fā)光條，然后把同樣的七條粘在日字形“可伐”框上，用壓焊工藝連好內引線，再用環(huán)氧樹脂包封起來。
（3）單片集成式多位數字顯示器是在發(fā)光材料基片上（大圓片），利用集成電路工藝制作出大量七段數字顯示圖形，通過劃片把合格芯片選出，對位貼在印刷電路板上，用壓焊工藝引出引線，再在上面蓋上“魚眼透鏡”外殼。它們適用于小型數字儀表中。
（4）符號管、米字管的制作方式與數碼管類似。
（5）矩陣管（發(fā)光二極管點陣）也可采用類似于單片集成式多位數字顯示器工藝方法制作。
（二）LED顯示器分類
（1）按字高分：筆畫顯示器字高最小有1mm（單片集成式多位數碼管字高一般在2～3mm）。其他類型筆畫
  顯示器最高可達12.7mm（0.5英寸）甚至達數百mm。
（2）按顏色分有紅、橙、黃、綠等數種。
（3）按結構分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。
（4）從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。
  所謂共陽方式是指筆畫顯示器各段發(fā)光管的陽極（即P區(qū)）是公共的，而陰極互相隔離。 ??所謂共陰方式是筆畫顯示器各段發(fā)光管的陰極（即N區(qū)）是公共的，而陽極是互相隔離的。如圖13所示。
（三）LED顯示器的參數
  由于LED顯示器是以LED為基礎的，所以它的光、電特性及極限參數意義大部分與發(fā)光二極管的相同。但由于LED顯示器內含多個發(fā)光二極管，所以需有如下特殊參數：
1．發(fā)光強度比 ??由于數碼管各段在同樣的驅動電壓時，各段正向電流不相同，所以各段發(fā)光強度不同。所有段的發(fā)光強度值中最大值與最小值之比為發(fā)光強度比。比值可以在1.5～2.3間，最大不能超過2.5。
2．脈沖正向電流 若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為IF，則在脈沖下，正向電流可以遠大于IF。脈沖占空比越小，脈沖正向電流可以越大。

（四）LED顯示器的應用指南
1．七段數碼顯示器
（1）如果數碼宇航局為共陽極形式，那么它的驅動級應為集電極開路（OC）結構，如圖14（a）所示。 如果數碼管為共陰極形式，它的驅動級應為射極輸出或源極輸出電路，如圖14(b)所示。 ?例如國產TTL集成電路CT1049、CT4049為集電極開路形式七段字形譯碼驅動電路；而CMOS集成電路CC4511為源極輸出七段鎖存、譯碼驅動電路。

（2）控制數碼管驅動級的控制電路（也稱驅動電路）有靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。
① 靜態(tài)驅動：靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數碼管各用一個筆畫譯碼器（如BCD碼二-十進制譯碼器）譯碼驅動。圖15是一位數碼管的靜態(tài)驅動之例。圖集成電路TC5002BP內含有射極輸出驅動級，所以采用共陰極數碼管。A、B、C、D端為BCD碼（二-十進制的8421碼）輸入端，BL為數碼管熄滅及顯示狀態(tài)控制端，R為外接電阻。 圖16為N位數字靜態(tài)驅動顯示電路。
② 動態(tài)驅動：動態(tài)驅動是將所有數碼管使用一個專門的譯碼驅動器，使各位數碼管逐個輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。由于掃描速度極快。顯示效果與靜態(tài)驅動相同。圖17是一種四位數字動態(tài)驅動（脈搏沖驅動）方法的線路。圖中只用了一個譯碼驅動電路TC5002BP。 TC4508BP內含兩個鎖存器，每個鎖存器可鎖存四位二進BCD碼，對應于四位十進制數的四組BCD碼分別輸入到四個鎖存器，四個鎖存器，四組BCD碼由四個鎖存器分時輪流輸出進入譯碼器，譯碼后進入數碼管驅動級集成電路TD62505P（輸入端I1～I7與輸出端Q1～Q7一一對應）。Q1～Q7分別加到四個數碼管的a～g七個陽極上。數字驅動電路TD62003P是由達林頓構成的陣列電路，Q1～Q4中哪一端接地，由輸入端I1～I4的四師長“使能”信號DS1～DS4控制。由于四個鎖存器的輪換輸出也是受“使能”信號DS1～DS4控制。所以四個數碼管輪流通電顯示。由于輪流顯示頻率較高，故顯示的數字不呈閃爍現象。
2．米字管、符號管顯示器
  米字管和符號管的結構原理相機，所以其驅動方式也基本相同，只是譯碼電路的譯碼過程與七段譯碼器不同。
  米字管可以顯示包括英文字母在內的多種符號。符號管主要是用來顯示+、-或±號等。
3．LED點陣式顯示器
    LED點陣式顯示器與由單個發(fā)光二極管連成的顯示器相比，具有焊點少、連線少，所有亮點在同平面、亮度均勻、外形美觀等優(yōu)點。
  點陣管根據其內部LED尺寸的大小、數量的多少及發(fā)光強度、顏色等可分為多種規(guī)格。圖18所示是具有代表性的P2057A和P2157A兩種φ5高亮度橙紅色5×7點陣組件。采用雙列直插14腳封裝，兩種顯示器的差別是LED極性不同，如圖18所示。 該顯示器用掃描驅動方式，選擇較大峰值電流和窄脈沖作驅動源，每個LED的平均電流不應超過20mA。
    LED點陣管可以代替數碼管、符號管和米字管。不僅可以顯示數字，也可顯示所有西文字母和符號。如果將多塊組合，可以構成大屏幕顯示屏，用于漢字、圖形、圖表等等的顯示。被廣泛用于機場、車站、碼頭、銀行及許多公共場所的指示、說明、廣告等場合。
  圖19是一個LED點陣顯示器驅動電路之例。

    LED是一類可直接將電能轉化為可見光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應時間極短，光色純，結構牢固，抗沖擊，耐振動，性能穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性，發(fā)展突飛猛進，現已能批量生產整個可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產品。國產紅、綠、橙、黃的LED產量約占世界總量的12％，“十五”期間的產業(yè)目標是達到年產300億只的能力，實現超高亮度AiGslnP的LED外延片和芯片的大生產，年產10億只以上紅、橙、黃超高亮度LED管芯，突破GaN材料的關鍵技術，實現藍、綠、白的LED的中批量生產。據預測，到2005年國際上LED的市場需求量約為2000億只，銷售額達800億美元。

    在LED產業(yè)鏈接中，上游是LED襯底晶片及襯底生產，中游的產業(yè)化為LED芯片設計及制造生產，下游歸LED封裝與測試，研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、走向市場的產業(yè)化必經之路，從某種意義上講是鏈接產業(yè)與市場的紐帶，只有封裝好的才能成為終端產品，才能投入實際應用，才能為顧客提供服務，使產業(yè)鏈環(huán)環(huán)相扣，無縫暢通。

2 LED封裝的特殊性

     LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(fā)展與演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數，又有光參數的設計及技術要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。

     LED的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導體構成的pn結管芯，當注入pn結的少數載流子與多數載流子復合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但pn結區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，應用要求提高LED的內、外部量子效率。常規(guī)Φ5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內引線與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內發(fā)射。頂部包封的環(huán)氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；采用不同的形狀和材料性質(摻或不摻散色劑)，起透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發(fā)散角；管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內部的全反射臨界角很小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內部經多次反射而被吸收，易發(fā)生全反射導致過多光損失，選用相應折射率的環(huán)氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機械強度，對管芯發(fā)出光的折射率和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發(fā)光強度的角分布也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若采用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應的視角較小；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。

    一般情況下，LED的發(fā)光波長隨溫度變化為0．2-0．3nm／℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度。
  另外，當正向電流流經pn結，發(fā)熱性損耗使結區(qū)產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強度會相應地減少1％左右，封裝散熱；時保持色純度與發(fā)光強度非常重要，以往多采用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數LED的驅動電流限制在20mA左右。但是，LED的光輸出會隨電流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驅動電流可以達到70mA、100mA甚至1A級，需要改進封裝結構，全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術，改善熱特性。例如，采用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。

    進入21世紀后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙LED光效已達到100Im／W，綠LED為501m／W，單只LED的光通量也達到數十Im。LED芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設計理念與制造生產模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內雜質數量，晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強LED內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業(yè)界研發(fā)的主流方向。

3 產品封裝結構類型

     自上世紀九十年代以來，LED芯片及材料制作技術的研發(fā)取得多項突破，透明襯底梯形結構、紋理表面結構、芯片倒裝結構，商品化的超高亮度(1cd以上)紅、橙、黃、綠、藍的LED產品相繼問市，如表1所示，2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應用。LED的上、中游產業(yè)受到前所未有的重視，進一步推動下游的封裝技術及產業(yè)發(fā)展，采用不同封裝結構形式與尺寸，不同發(fā)光顏色的管芯及其雙色、或三色組合方式，可生產出多種系列，品種、規(guī)格的產品。

     LED產品封裝結構的類型如表2所示，也有根據發(fā)光顏色、芯片材料、發(fā)光亮度、尺寸大小等情況特征來分類的。單個管芯一般構成點光源，多個管芯組裝一般可構成面光源和線光源，作信息、狀態(tài)指示及顯示用，發(fā)光顯示器也是用多個管芯，通過管芯的適當連接(包括串聯和并聯)與合適的光學結構組合而成的，構成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點。表面貼裝LED可逐漸替代引腳式LED，應用設計更靈活，已在LED顯示市場中占有一定的份額，有加速發(fā)展趨勢。固體照明光源有部分產品上市，成為今后LED的中、長期發(fā)展方向。

4 引腳式封裝

      LED腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場的封裝結構，品種數量繁多，技術成熟度較高，封裝內結構與反射層仍在不斷改進。標準LED被大多數客戶認為是目前顯示行業(yè)中最方便、最經濟的解決方案，典型的傳統(tǒng)LED安置在能承受0．1W輸入功率的包封內，其90％的熱量是由負極的引腳架散發(fā)至PCB板，再散發(fā)到空氣中，如何降低工作時pn結的溫升是封裝與應用必須考慮的。包封材料多采用高溫固化環(huán)氧樹脂，其光性能優(yōu)良，工藝適應性好，產品可靠性高，可做成有色透明或無色透明和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡形狀構成多種外形及尺寸，例如，圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4．4mm、Φ5mm、Φ7mm等數種，環(huán)氧樹脂的不同組份可產生不同的發(fā)光效果。
花色點光源有多種不同的封裝結構：陶瓷底座環(huán)氧樹脂封裝具有較好的工作溫度性能，引腳可彎曲成所需形狀，體積小；金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節(jié)能指示燈，適作電源指示用；閃爍式將CMOS振蕩電路芯片與LED管芯組合封裝，可自行產生較強視覺沖擊的閃爍光；雙色型由兩種不同發(fā)光顏色的管芯組成，封裝在同一環(huán)氧樹脂透鏡中，除雙色外還可獲得第三種的混合色，在大屏幕顯示系統(tǒng)中的應用極為廣泛，并可封裝組成雙色顯示器件；電壓型將恒流源芯片與LED管芯組合封裝，可直接替代5—24V的各種電壓指示燈。面光源是多個LED管芯粘結在微型PCB板的規(guī)定位置上，采用塑料反射框罩并灌封環(huán)氧樹脂而形成，PCB板的不同設計確定外引線排列和連接方式，有雙列直插與單列直插等結構形式。點、面光源現已開發(fā)出數百種封裝外形及尺寸，供市場及客戶適用。

      LED發(fā)光顯示器可由數碼管或米字管、符號管、矩陳管組成各種多位產品，由實際需求設計成各種形狀與結構。以數碼管為例，有反射罩式、單片集成式、單條七段式等三種封裝結構，連接方式有共陽極和共陰極兩種，一位就是通常說的數碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。反射罩式具有字型大，用料省，組裝靈活的混合封裝特點，一般用白色塑料制作成帶反射腔的七段形外殼，將單個LED管芯粘結在與反射罩的七個反射腔互相對位的PCB板上，每個反射腔底部的中心位置是管芯形成的發(fā)光區(qū)，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內滴人環(huán)氧樹脂，與粘好管芯的PCB板對位粘合，然后固化即成。反射罩式又分為空封和實封兩種，前者采用散射劑與染料的環(huán)氧樹脂，多用于單位、雙位器件；后者上蓋濾色片與勻光膜，并在管芯與底板上涂透明絕緣膠，提高出光效率，一般用于四位以上的數字顯示。單片集成式是在發(fā)光材料晶片上制作大量七段數碼顯示器圖形管芯，然后劃片分割成單片圖形管芯，粘結、壓焊、封裝帶透鏡(俗稱魚眼透鏡)的外殼。單條七段式將已制作好的大面積LED芯片，劃割成內含一只或多只管芯的發(fā)光條，如此同樣的七條粘結在數碼字形的可伐架上，經壓焊、環(huán)氧樹脂封裝構成。單片式、單條式的特點是微小型化，可采用雙列直插式封裝，大多是專用產品。LED光柱顯示器在106mm長度的線路板上，安置101只管芯(最多可達201只管芯)，屬于高密度封裝，利用光學的折射原理，使點光源通過透明罩殼的13-15條光柵成像，完成每只管芯由點到線的顯示，封裝技術較為復雜。

       半導體pn結的電致發(fā)光機理決定LED不可能產生具有連續(xù)光譜的白光，同時單只LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光，只能在封裝時借助熒光物質，藍或紫外LED管芯上涂敷熒光粉，間接產生寬帶光譜，合成白光；或采用幾種(兩種或三種、多種)發(fā)不同色光的管芯封裝在一個組件外殼內，通過色光的混合構成白光LED。這兩種方法都取得實用化，日本2000年生產白光LED達1億只，發(fā)展成一類穩(wěn)定地發(fā)白光的產品，并將多只白光LED設計組裝成對光通量要求不高，以局部裝飾作用為主，追求新潮的電光源。

5 表面貼裝封裝

      在2002年，表面貼裝封裝的LED(SMD LED)逐漸被市場所接受，并獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢，很多生產廠商推出此類產品。

      早期的SMD LED大多采用帶透明塑料體的SOT-23改進型，外形尺寸3．04×1．11mm，卷盤式容器編帶包裝。
在SOT-23基礎上，研發(fā)出帶透鏡的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED，前者為單色發(fā)光，后者為雙色或三色發(fā)光。近些年，SMD LED成為一個發(fā)展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，采用更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產品重量減輕一半，最終使應用更趨完美，尤其適合戶內，半戶外全彩顯示屏應用。

     表3示出常見的SMD LED的幾種尺寸，以及根據尺寸(加上必要的間隙)計算出來的最佳觀視距離。焊盤是其散熱的重要渠道，廠商提供的SMD LED的數據都是以4．0×4．0mm的焊盤為基礎的，采用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。超高亮度LED產品可采用PLCC(塑封帶引線片式載體)-2封裝，外形尺寸為3．0×2．8mm，通過獨特方法裝配高亮度管芯，產品熱阻為400K／W，可按CECC方式焊接，其發(fā)光強度在50mA驅動電流下達1250mcd。七段式的一位、兩位、三位和四位數碼SMD LED顯示器件的字符高度為5．08-12．7mm，顯示尺寸選擇范圍寬。PLCC封裝避免了引腳七段數碼顯示器所需的手工插入與引腳對齊工序，符合自動拾取—貼裝設備的生產要求，應用設計空間靈活，顯示鮮艷清晰。多色PLCC封裝帶有一個外部反射器，可簡便地與發(fā)光管或光導相結合，用反射型替代目前的透射型光學設計，為大范圍區(qū)域提供統(tǒng)一的照明，研發(fā)在3．5V、1A驅動條件下工作的功率型SMD LED封裝。

6 功率型封裝

     LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關鍵技術，能承受數W功率的LED封裝已出現。5W系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2003年初開始供貨，白光LED光輸出達1871m，光效44．31m／W綠光衰問題，開發(fā)出可承受10W功率的LED，大面積管；匕尺寸為2．5×2．5mm，可在5A電流下工作，光輸出達2001m，作為固體照明光源有很大發(fā)展空間。

     Luxeon系列功率LED是將A1GalnN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進行封裝。這種封裝對于取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點：熱阻低，一般僅為14℃／W，只有常規(guī)LED的1／10；可靠性高，封裝內部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在-40-120℃范圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與引線框架斷開，并防止環(huán)氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會因氧化而玷污；反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控和光學效率最高。另外，其輸出光功率，外量子效率等性能優(yōu)異，將LED固體光源發(fā)展到一個新水平。

      Norlux系列功率LED的封裝結構為六角形鋁板作底座(使其不導電)的多芯片組合，底座直徑31．75mm，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，直徑約(0.375×25．4)mm，可容納40只LED管芯，鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上制作的兩個接觸點與正、負極連接，根據所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數目，可組合封裝的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其發(fā)射光分別為單色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光學設計形狀進行包封。這種封裝采用常規(guī)管芯高密度組合封裝，取光效率高，熱阻低，較好地保護管芯與鍵合引線，在大電流下有較高的光輸出功率，也是一種有發(fā)展前景的LED固體光源。
在應用中，可將已封裝產品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作為器件電極連接的布線之用，鋁芯夾層則可作熱沉使用，獲得較高的發(fā)光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的SMD LED體積很小，可靈活地組合起來，構成模塊型、導光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

    功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等，因此，對功率型LED芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要。

7 LED發(fā)展及應用前景

     近幾年，LED的發(fā)光效率增長100倍，成本下降10倍，廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏，狀態(tài)指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源，汽車組合尾燈及車內照明等等方面，其發(fā)展前景吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發(fā)中。極具發(fā)展與應用前景的是白光LED，用作固體照明器件的經濟性顯著，且有利環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界年增長率在20％以上，美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導體照明計劃。目前，普通白光LED發(fā)光效率251m／W，專家預計2005年可能超過3001m／W。功率型LED優(yōu)異的散熱特性與光學特性更能適應普通照明領域，被學術界和產業(yè)界認為是LED進入照明市場的必由之路。為替代熒光燈、白光LED必須具有150—2001m／W的光效，且每Im的價格應明顯低于0．015／Im(現價約0．25$／Im，紅LED為0．065／Im)，要實現這一目標仍有很多技術問題需要研究，但克服解決這些問題并不是十分遙遠的事。按固體發(fā)光物理學原理，LED的發(fā)光效率能近似100％，因此，LED被譽為21世紀新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。

8 結束語

     國內LED產業(yè)中有20余家上、中游研制及生產單位和150余家后道封裝企業(yè)，高端封裝產品還未見推向市場。目前，完成GaN基藍綠光LED中游工藝技術產業(yè)化研究，力爭在短期內使產品的性能指標達到國外同時期同類產品的水平，力爭在較短時間內達到月產10kk的生產能力，開發(fā)白光照明光源用的功率型LED芯片等新產品。科技部將投入8000萬元資金，啟動國家半導體照明工程，注意終端產品，先從特種產品做起，以汽車、城市景觀照明作為市場突破口，把大功率、高亮度LED放在突出位置，它的成果將要服務于北京奧運會和上海世博會。無庸質疑，產業(yè)鏈中的襯底、外延、芯片、封裝、應用需共同發(fā)展，多方互動培植，封裝是產業(yè)鏈中承上啟下部分，需要關注與重視。

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