LED灯珠封装技术来源于传统电子器件封装技术,却跟传统的电子封装技术有很大不同,一个最主要的原因是LED灯珠最后是要实现可见光的高效输出。因此,在选择LED灯珠材料的时候就得充分考虑光输出的问题,尤其是封装用的胶水必须选用折射率高、透光率高而且耐热不黄变的材料。
LED灯珠的目的是:(1)提供一个适合手持的结构。由于LED的发光部分即LED芯片很小,有些芯片用肉眼都很难看见,封装过程通过支架加大其尺寸,封装之后可以方便地进行后面应用过程的操作。(2)保护LED芯片不受湿气、灰尘及静电的破坏。由于LED芯片很脆弱,很容易受到外界环境的影响而失效。通过封装可以利用封装胶水把芯片覆盖起来,从而使它不受潮气、灰尘以及在使用过程中人体静电的破坏而失效。(3)完成光转换从而得到我们想要的光参数。普通LED灯珠不仅要用到封装胶水还需要使用到荧光粉。在封装过程中,利用荧光粉和封装胶混合得到荧光胶再通过点胶的方式覆盖住芯片,从而达到最终封装的效果。(4)实现电气连接。LED芯片想要跟外接电路连接而发光也必须要进行封装。根据不同的封装形式,封装过程通过金线或其他手段将芯片电极与支架相连,支架再与外接电路直接相连,从而使其可以跟外接电路连通而发光。
1、LED灯珠主要封装结构类型
目前,在LED相关行业中应用最广泛的分类方法是按封装的结构形式分类,主要的种类有引脚式LED(LAMP LED)、表贴式LED(SMD LED)、功率型LED(POWER LED)。
(1)引脚式LED(LAMP LED)
引脚式LED,如图1所示。这种封装形式最大的特点是封装好的产品有两根长引脚。引脚式LED是最先出现的商用LED灯珠,工艺技术相对也很成熟。这种封装形式的产品早期主要作为指示灯应用在电器产品上,并且刚开始应用的时候多为红色和绿色。目前,引脚式封装LED还在进行技术和材料上的创新和改进,应用范围也更加广泛。现在其应用已经扩展到显示屏、汽车灯等场合。
图1引脚式LED
(2)表贴式LED(SMD LED)
表贴式LED是一种新型LED灯珠封装形式,如图2所示。这种封装形式的特点是重量轻、无突出的引脚、便于实现贴片自动化操作,是LED灯珠发展的趋势。此外,表贴式封装LED灯珠根据不同的外形尺寸还细分为很多种类型,如现在市场上常见的有2835、3014、5730、4014、3030等。2835规格LED光源表示的具体含义是:LED灯珠用的支架外形尺寸为2.8mm×3.5mm,其他规格的表贴式LED表示的含义类似。表贴式LED灯珠应用广泛,除了普通照明还应用在手机、电视屏幕的背光部分;显示器;电子设备指示器等场合。
图2表贴式LED
3)功率型LED(POWER LED)
功率型LED,指功率大于等于1-5W的LED灯珠,如图3所示就是一种常用的功率型LED灯珠。功率型LED封装光源的一个最大特点就是额定工作电流较大。功率型LED在电流及功率提升的同时电压并没有发生很大变化,但是其在工作过程中产生的热量却大幅度增加。这就导致在功率型LED应用过程中,散热问题是需要重点考虑的问题。在应用过程中没有解决散热的问题将直接导致LED不能正常工作甚至出现死灯的现象。
图3功率型LED
2、LED灯珠主要工艺过程
根据上面的总结,LED光源的封装结构类型有很多种,并且每一类封装结构又包含很多种不同的形式或尺寸。但,所有LED灯珠封装的主要工艺流程是基本一样的。均由固晶、焊线、点胶、测试分光、包装等五个主要环节组成。LED灯珠封装具体工艺过程如下:
(1)固晶:将芯片固定在支架内。由于上游芯片厂商出的成品芯片是密集排列在一起的。因此,在固晶之前必须经过扩晶,即使用扩晶机将原本紧密排列的芯片分开一定距离以便后续能在固晶机上自动操作。固晶的过程为先在LED支架底部点上固晶胶(固晶胶导电与否取决于芯片本身的性质),然后将芯片粘在固晶胶上,最后进行烘烤让胶水固化粘住芯片以防芯片移动。
(2)焊线:LED封装过程中焊线的目的是将LED芯片电极与外引线键合区的相应部分连接起来以实现内外引线的连接。目前,LED封装焊线使用最多的材料是金线,最重要的设备是全自动焊线机。通过全自动焊线机可以高效地完成LED封装的焊线过程。
(3)点胶:LED灯珠封装流程中,点胶是实现光转换以及混光过程的重要步骤。LED芯片发出的光往往是波普范围比较窄的光,不能直接用于普通照明。想要使LED发出能用于普通照明的白光就必须加入荧光粉,通过激发和混光过程之后产生白光。而固态的荧光粉无法直接附在LED芯片支架上,所以要加入胶水进行调配得到荧光胶。再通过精密的点胶设备将未固化的荧光胶点在已固晶焊线的LED支架上,通过加热使荧光胶固化后即得到可用的各类LED灯珠产品。在点胶过程中,最重要的是荧光胶的配制。配制荧光胶的过程中,不仅要确定荧光粉之间以及荧光粉与胶水之间的配比,还需要结合LED芯片的光谱性能参数严格筛选所使用到的荧光粉以及胶水。只有通过芯片、荧光粉和胶水三者之间的严格适配才能把芯片和荧光粉的性能发挥到最好,从而封装产生性能优异的产品。
(4)测试分光:在完成点胶之后,LED灯珠光源已经能基本满足光电方面的要求。但是,由于在实际过程中,没有两个完全一样的芯片,也不可能做到点胶量完全一致,再加上其他因素的影响会导致每一个LED灯珠的参数会有差别。并且为了保证最后封装光源的良率,也必须进行测试分光。所谓测试分光是指通过机器快速测试的方法确定LED灯珠是否可以点亮,再者就是根据客户使用要求把参数接近的光源分在一起,以免出现一致性的问题。由于LED灯珠在应用过程中往往不是单独应用的,而是很多个一起使用,分光的目的也是为了在使用过程中不会出现明显的差别。
(5)包装:除了尺寸较大的集成式COB光源之外,其他形式的光源尺寸都很小。为了便于后续灯具生产,一般光源分光之后都要进行特定的包装。现在应用最多的包装形式是编带包装,这种类型的包装后续可直接采用贴片机进行批量高效的灯具生产。