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    UV光源設備應用:led產品常識

    時間:2013-06-03 09:45來源:未知點擊:

    UV光源設備應用:led產品常識

        半導體發光器件包括半導體發光二極管(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光單元都是一個發光二極管。

    一、 半導體發光二極管工作原理、特性及應用

      (一)LED發光原理

         發光二極管是由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,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光,如圖1所示。

        假設發光是在P區中發生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光,或者先被發光中心捕獲后,再與空穴復合發光。除了這種發光復合外,還有些電子被非發光中心(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。發光的復合量相對于非發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內發光的,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與發光區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,F在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管,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,發光二極管可能被擊穿損壞。? ?
    (4)工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍,發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:某一個發光二極管所發之光并非單一波長,其波長大體按圖2所示。 由圖可見,該發光管所發之光中某一波長λ0的光強最大,該波長為峰值波長。
    (2)發光強度IV:發光二極管的發光強度通常是指法線(對圓柱形發光管是指其軸線)方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為(1/683)W/sr時,則發光1坎德拉(符號為cd)。由于一般LED的發光二強度小,所以發光強度常用坎德拉(mcd)作單位。
    (3)光譜半寬度Δλ:它表示發光管的光譜純度.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是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向(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光二極管發光強度角分布的情況。中垂線(法線)AO的坐標為相對發光強度(即發光強度與最大發光強度的之比)。顯然,法線方向上的相對發光強度為1,離開法線方向的角度越大,相對發光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。
    (5)正向工作電流If:它是指發光二極管正常發光時的正向電流值。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,不發光。當電壓超過某一值后,正向電流隨電壓迅速增加,發光。由V-I曲線可以得出發光管的正向電壓,反向電流及反向電壓等參數。正向的發光管反向漏電流IR。

    (三)LED的分類

    1. 按發光管發光顏色分

      按發光管發光顏色分,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,有的發光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。
      根據發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。散射型發光二極管和達于做指示燈用。

    2. 按發光管出光面特征分 按發光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發光管、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光強度角分布情況。從發光強度角分布圖來分有三類:
    (1)高指向性。一般為尖頭環氧封裝,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。
    (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.按發光二極管的結構分 ??按發光二極管的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。
    4.按發光強度和工作電流分
        按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED(發光強度100mcd);把發光強度在10~100mcd間的叫高亮度發光二極管。
        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 ??
    由于發光二極管的顏色、尺寸、形狀、發光強度及透明情況等不同,所以使用發光二極管時應根據實際需要進行恰當選擇。
      由于發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才可能發光。

    (4)單LED可充作低壓穩壓管用。由于LED正向導通后,電流隨電壓變化非?,具有普通穩壓管穩壓特性。發光二極管的穩定電壓在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。它是利用多只發光管指示輸出信號電平的,即發光的LED數目不同,則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發光二極管構成的電平表。當輸入信號電平很低時,全不發光。輸入信號電平增大時,首先LED1亮,再增大LED2亮……。

    (五)發光二極管的檢測


    1.普通發光二極管的檢測
    (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,不能實地看到發光管的發光情況,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)可以較好地檢查發光二極管的發光情況。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“-”筆接被測發光管的正極(P區),余下的“+”筆接被測發光管的負極(N區)。兩塊萬用表均置×10Ω擋。正常情況下,接通后就能正常發光。若亮度很低,甚至不發光,可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若,若仍很暗,甚至不發光,則說明該發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,損壞發光二極管。

    (2)外接電源測量。用3V穩壓源或兩節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,且發光亮度正常,可以說明發光正常。如果測得VF=0或VF≈3V,且不發光,說明發光管已壞。 2.紅外發光二極管的檢測
      由于紅外發光二極管,它發射1~3μm的紅外光,人眼看不到。通常單只紅外發光二極管發射功率只有數mW,不同型號的紅外LED發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?蓸嫵砂l光顯示器的發光段或發光點。由這些發光段或發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光二極管芯片按圖12排列而成的?蓪崿F0~9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氧樹脂,較多地用于一位或雙位器件?辗夥绞绞窃谏戏缴w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,再用環氧樹脂包封起來。
    (3)單片集成式多位數字顯示器是在發光材料基片上(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光管的陽極(即P區)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光管的陰極(即N區)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光二極管的相同。但由于LED顯示器內含多個發光二極管,所以需有如下特殊參數:
    1.發光強度比 ??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,所以各段發光強度不同。所有段的發光強度值中最大值與最小值之比為發光強度比。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)有靜態式和動態式兩類。
    ① 靜態驅動:靜態驅動也稱直流驅動。靜態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控制端,R為外接電阻。 圖16為N位數字靜態驅動顯示電路。
    ② 動態驅動:動態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,這就是動態驅動。由于掃描速度極快。顯示效果與靜態驅動相同。圖17是一種四位數字動態驅動(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、外形美觀等優點。
      點陣管根據其內部LED尺寸的大小、數量的多少及發光強度、顏色等可分為多種規格。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光器件,具有工作電壓低,耗電量小,發光效率高,發光響應時間極短,光色純,結構牢固,抗沖擊,耐振動,性能穩定可靠,重量輕,體積小,成本低等一系列特性,發展突飛猛進,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產業鏈接中,上游是LED襯底晶片及襯底生產,中游的產業化為LED芯片設計及制造生產,下游歸LED封裝與測試,研發低熱阻、優異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、走向市場的產業化必經之路,從某種意義上講是鏈接產業與市場的紐帶,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,使產業鏈環環相扣,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,就會發出可見光,紫外光或近紅外光。但pn結區發出的光子是非定向的,即向各個方向發射有相同的幾率,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,然后其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光,向期望的方向角內發射。頂部包封的環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,易發生全反射導致過多光損失,選用相應折射率的環氧樹脂作過渡,提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性,絕緣性,機械強度,對管芯發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;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,發熱性損耗使結區產生溫升,在室溫附近,溫度每升高1℃,LED的發光強度會相應地減少1%左右,封裝散熱;時保持色純度與發光強度非常重要,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、全色化不斷發展創新,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,取光和熱沉優化設計,改進光學性能,加速表面貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。

    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、中游產業受到前所未有的重視,進一步推動下游的封裝技術及產業發展,采用不同封裝結構形式與尺寸,不同發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、規格的產品。

         LED產品封裝結構的類型如表2所示,也有根據發光顏色、芯片材料、發光亮度、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、狀態指示及顯示用,發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,構成發光顯示器的發光段和發光點。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中最方便、最經濟的解決方案,典型的傳統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至PCB板,再散發到空氣中,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氧樹脂,其光性能優良,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,環氧樹脂的不同組份可產生不同的發光效果。
    花色點光源有多種不同的封裝結構:陶瓷底座環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;金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節能指示燈,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光顏色的管芯組成,封裝在同一環氧樹脂透鏡中,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板的規定位置上,采用塑料反射框罩并灌封環氧樹脂而形成,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、面光源現已開發出數百種封裝外形及尺寸,供市場及客戶適用。

          LED發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光區,用壓焊方法鍵合引線,在反射罩內滴人環氧樹脂,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結的電致發光機理決定LED不可能產生具有連續光譜的白光,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,發展成一類穩定地發白光的產品,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符合整個電子行業發展大趨勢,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,前者為單色發光,后者為雙色或三色發光。近些年,SMD LED成為一個發展熱點,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,為大范圍區域提供統一的照明,研發在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LED的1/10;可靠性高,封裝內部填充穩定的柔性膠凝體,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異,將LED固體光源發展到一個新水平。

          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,發光區位于其中心部位,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、發光效率、發光波長、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發展及應用前景

         近幾年,LED的發光效率增長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光源及市場開發中。極具發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,且有利環保,正逐步取代傳統的白熾燈,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發光效率251m/W,專家預計2005年可能超過3001m/W。功率型LED優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。按固體發光物理學原理,LED的發光效率能近似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,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,開發白光照明光源用的功率型LED芯片等新產品?萍疾繉⑼度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,產業鏈中的襯底、外延、芯片、封裝、應用需共同發展,多方互動培植,封裝是產業鏈中承上啟下部分,需要關注與重視。

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