普通圆柱型LED的封装直径有那几种

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，加入电流后它才会发光。在制作工艺上，除了 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，加入电流后它才会发光。在制作工艺上，除了要对LED芯片的两个电极进行焊接，从而引出正、负电极之外，同时还要对LED芯片和两个电极进行保护。因此，这就需要对LED芯片进行封装。 LED封装技术大都是在半导体分立器件封装技术基础上发展与演变而来的。将普通二极管的管芯密封在封装体内，其作用是保护管芯和完成电气互连；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，其中既有电参数又有光参数的设计及技术要求。 LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的pn结芯片，当注入pn结的电子与空穴产生复合时，就会发出可见光、紫外光和近红外光。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，因此并不是芯片产生的所有光都可以发射出来。能发射出多少光，取决于半导体材料的质量、芯片结构、几何形状、封装内部材料与包封材料。因此，对于LED的封装，要根据LED芯片大小、功率大小来选择合适的封装方式。 我们将介绍常用的封装方式，包括引脚式封装、平面式封装，还将引入表面贴片二极管(sMD)和食人鱼封装技术。最后，还将重点讲解大功率LED封装的各个方面。

LED引脚式封装采用引线架作为各种封装外型的引脚，常见是直径为5mm的圆柱型(简称咖5mm)的封装。这种技术就是将I正D芯片粘结在引线架(一般称为支架)上。芯片的正极用金丝键合连到另一引线架上。负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金属丝和反射杯引脚相连。然后顶部用环氧树脂包封，做成直径为5 mm的圆形外形。 这种封装技术的作用是保护芯片、焊线金丝不受外界侵蚀；固化后的环氧树脂可以形成不同形状而起到透镜的功能，从而控制光的发射角。芯片的折射率与空气折射率相差很大，致使芯片内部的全反射临界角很小，因此芯片发光层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收。选用相应折射率的环氧树脂作为过渡，可以提高芯片的出光效率。环氧树脂构成的管壳具有很好的耐湿性、绝缘性和高机械强度，对芯片发出的光的折射率和透光率都很高，并且可以选择不同折射率的封装材料。芯片外形的几何形状对出光效率的影响是不同的，出光光强的分布与芯片结构、光输出方式、封装透镜所用的材质和形状有关。工艺流程及选用设备 引脚式封装最常用的是妒3 mm、妒5 mm、妒8 mm和庐10 mm单芯片的封装方式，封装的工艺流程如图2．2所示。 按照上述详细步骤，并配合良好的管理机制和生产环境，就有可能制造出品质优异的LED产品。对于采用引脚式封装的LED，总的要求是 ●光效高：出光效率要高。要选择好的芯片和封装材料进行一次光学设计，采用合适的工艺，精心操作，达到理想的出光效率。 ·均匀性好，合格率高，黑灯率控制在万分之三。 ●光斑均匀，色温一致，引脚干净无污点。管理机制和生产环境 ◆人的因素 管理和环境是做好LED产品的关键。人、物、设备、生产环境是做好LED的四大重要的因素，但最关键的是人的因素。做好产品一定要按。IS()一9000质量体系的要求认真落实，产品质量的好坏是靠人做出来的，每个工作人员的职责要十分明确： ·现场物料管理一定要标识清楚，存放位置要固定，不能随意乱拿乱放。防止产生物料混杂；严禁物料拿错、配错、过期、受潮，一旦不注意就会使整批产品报废。 ·设备要定期检修、核对，一定要检验每道工序做出的首产品。 ·工艺管理要严格，制定工艺要合理，每道工序都要有记录，千万不能随意改变工艺。LED芯片pn结的工作温度不要超过120℃；但是对于银浆烘干，要求以150℃烘烤60～90分钟，芯片固晶后进一次烘箱以150~C’烘烤90分钟。制造白光LED要涂覆荧光粉，涂完后还要以150℃烘烤60分钟。涂有散射剂的LED还要再进一次烘箱，以150℃烘烤几十分钟。这对管子的寿命也有影响，烘干温度最好根据胶固化温度与时间来定，尽量选择时间长一点，强度低一点。有效的防静电 封装LED的车间环境要求最好是净化厂房(净化厂房一般是10万级，部分达到1万级就可以)，它的要求不像集成电路制造那么高，只要求温度和湿度可调控。但很多封装LED的厂房都不一定配有净化设备，湿度与温度也不能自行控制。静电是看不见、摸不着的东西，它对LED芯片的损害很大，因此LED封装工艺对防静电要求很高。封装车间应当具备防静电地板、防静电桌椅；工作人员应当穿戴防静电服。有人曾经做过实验，对采用特殊的防静电加工封装的蓝光LED和没有注意防静电加工封装的LED，同时做老化寿命实验，具有防静电处理的蓝光LED的半光衰时间为9000小时，而一般封装的蓝光LED的半光衰时间只有3000多小时，这说明防静电是十分重要的。车间内的潮湿度与静电紧密相关，若相对湿度是80％～90％，人与桌面摩擦产生的静电约为400～500 v；而当相对湿度为30％～40％时，人与桌面摩擦所产生静电可能达到1500～2000v，这么高的静电足以击穿LED或造成LED损伤，从而使LED的寿命缩短和产品的可靠性降低。表2．1列出了人体动作所引起的静电电压数值，供读者参考。◆LED点亮时的热量导出当LED点亮时所产生的热量导出是封装LED和使用LED时都必须解决的问题，这也是延长LED使用寿命的关键所在。引脚式封装芯片中产生的90％以上的热量，是由负极的引脚散发至印制电路板，然后散发到空气中。如何降低工作时pn结温升是封装与应用时必须考虑的。从封装的角度来看，尽量采用导热好的金属作为引脚，目前有铁支架和铜支架两种，铜支架导热性能比铁支架要好。根据我们的实验，使用铜支架的LEl)芯片要比使用铁支架的光衰慢一半。 从使用的角度来看，热量从引脚导出来，为了把热量散出去，也应该采取一些办法。例如把印制电路板上的薄铜板面积留大，以便于散热。在必要的时候，可以在薄铜板上再灌入导热胶，让热量从导热胶传导出来并与外面的金属机壳相连，其散热效果会更好。还有一种在大屏幕显示系统中应用很广泛的双色型LED，它由两种不同发光颜色的芯片组成，封装在同一环氧树脂透镜中，除发射本身的双色光外还可能获得第三种混合色光。对于这种LED要特别注意散热效果。一次光学设计 ◆一次光学设计与二次光学设计 将LED芯片封装成LED光电器件，必须进行光学设计。这种设计在业内称为一次光学设计。一次光学设计主要是决定发光器件的出光角度、光通量大小、光强大小、光强分布、色温范围和色温分布等。在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计。这称为二次光学设计。 二次光学设计必须在LED发光器件一次光学设计的基础上进行。一次光学设计是保证每个LED发光器件的出光质量，二次光学设计是保证整个发光系统(或灯具)的出光质量。从某种意义上来说，只有封装设计(即_次光学设计)合理，才能保证系统的二次光学设计顺利实现，从而提高照明和显示的效果。 ◆一次光学设计的三大要素——芯片、支架、模粒 ·引脚式封装出光效率的高低、效果的好坏，关键是三大要素的组合： ·LED芯片是发光的主体，发光多少直接与芯片的质量有关。 ·支架承载着芯片，起着固定芯片的作用。支架碗的形状大小及与芯片的匹配，对出光效率起着重要作用。 ·模粒灌满环氧树脂之后就成为透镜，出光的角度和光斑的质量都与模粒形成的透镜有关。LED发光器件的一次光学设计主要是由芯片、支架、模粒要素决定的。根据这三者之间的相互作用，一次光学设计可分为折射式、反射式和折反射式三种。◆折射式 折射式LED设计的主要对象就是设计折射面的面形，即模粒的形状。聚光曲面可分为球面和非球面(球面出光结构如图23所示)。聚光面包容的立体角有限，约70％，～80％的光从封装的侧面泄漏，因此效率较低。 在管芯处增加反光杯，可以将管芯侧面发出的光线收集，这在一定程度上可以提高集光效率，但相应地会增大发光面的尺寸，从而增大发散角。如果要求光束很窄、近似为平行光时，必须增大LED的封装尺寸，相当于加长焦距，因而限制了应用范围，因此，增加反光杯还不能从根本上解决集光效率低的问题。集光效率与聚光面所包容的立体角成正比，立体角越大，则集光效率就越高。折射式LED利用单个折射面聚光，包容立体角较小，聚光能力有限。只有采用反射式才能大幅度提高包容的立体角。◆反射式——背向与正向 背向反射式的原理如图2．4所示，反射面为～镀有反射膜的抛物面，管芯位于抛物面的焦点上，发出的光线经抛物面反射，光线的出射方向与管芯的发光方向相反。这种方式的集光效率非常高，可达80％以上，但实际应用时要考虑两个问题，一是LED横向尺寸比纵向尺寸大4倍，只能适用于纵向尺寸较小或很薄的情况中。二是光束中心处发散角稍大，管芯到顶点的距离为焦距f而管芯正面对着顶点，此时发散角w=L/f(L为管芯的最大尺寸)。在边处反射面到管芯的距离为2f因此发散角比中心处要小很多。此外，电极和管芯对光线有遮挡，在设计时要注意，否则出现光斑会影响点亮效果。 例2．4 背向反射式出光示意图 正向反射式如图2．5所示，反射面仍是抛物面，但与背向反射使用的区域不同。背向反射用的是底部，即抛物面顶点到焦面之间的区域，由于光线在这一区域的入射角不满足全反射，因此必须镀上反射膜。正向反射使用的是抛物面的侧面部分，光线入射角大于45。，满足全反射条件。对于这种方式，尽管没有利用管，芯正面发出的光，但仍可实现80％以上的集光效率。正向反射式LED不用镀膜，工艺简单，其横向尺寸与纵向尺寸基本相当，光束发散角小，并且光线没有遮挡。◆折反射式 如果LED管芯正面发光较强或为了减小纵向尺寸，可采用如图2．6所示的结构，在正向反射式的基础上增加一折射面而起到聚光作用。与现有LED不同的是，这种方式将侧面泄漏的光线向前反射，从而增大了集光效率。 正向反射式和折反射式的样品LED的立体角可以分别到达4．7和5，比目前的折射式LED集光效率提高两倍以上。这种新型光学设计的LED具有集光效率高和光束质量好等优点。 根据以上几种基本的光学设计，将支架、模粒和芯片放置的位置相互配合，可以得到理想的光源。要使封装的LED出光效果更好，必须认真选择封装材料(环氧树脂)的折射率和透光率。 LED芯片和蓝宝石衬底的折射率约在2．5～3之间，起着透镜作用的环氧树脂的折射率约在1．45～1．5之间。根据光折射率的规则，环氧树脂的折射率最好应在1．7～1．8之问，所以应选择折射率接近1．7的环氧树脂，这样出光效率会更高。但是，目前环氧树脂的折射率最好只能达到1．5。所以对新的封装材料的研究是努力提高其折射率，使之能达到1．6以上，这样出光效率就会提高。引脚式封装是目前LED封装中最普通、最常用的一种封装形式。但目前引脚式封装普遍存在着散热问题、发光效率问题、使用寿命问题及器件的一致性问题。因此在封装方面，有待于研究并提高的是：封装使用的材料问题、工艺问题等。目前有实验表明，采用硅树脂调和荧光粉做成毋5 mm的白光LED，其使用寿命可以提高到万小时以上，这说明引脚式封装的研究还是大有文章可做的。