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基于透明基板的半导体发光器件封装结构
【摘 要】 基于透明基板的半导体发光器件封装是当前LED 封装技术的主要发展方向之一,运用玻璃基板、蓝宝石基板、透明陶瓷基板等材料,通过不同结构对半导体发光器件进行封装,有效提高了芯片出光效率,提高了光效,降低了能耗,延长了芯片使用寿命.
【关键词】 透明基板 半导发光器件 封装结构 LED
现代社会对于超高亮LED 的使用比例越来越高,其效率也在稳步提高,而则逐渐下降.由于LED 在寿命、抗震动、发光效率、抗干扰、耐低温、防止汞污染及性价比上有很大的优势,在半导体行业已经成为传统照明器具替代品的潜力商品之一.超高亮LED 使LED 在信号显示领域、照明光源领域的应用得到了极大的扩展,汽车内外灯、交通信号灯、信息显示屏、背光源等都在广泛应用LED 在照明领域,LED 产品将会有更大的应用空间.为提高LED 器件性能,增强LED 芯片发光效率,对于LED 器件的技术研究也在不断深入,通过蓝光LED 将荧光粉激发后,再合成白光,能够使发光达到每瓦300 流明以上,但其实际效率只能是理论值的50% 左右,造成这种理论与实际差距的重要原因在于激活区发光的部分光源会被封装材料遮挡,造成这部分光无法由器件中透出,损失了LED 光效.行业内通过在器件中添加反射膜等方案,在一定程度上解决发光效率问题,但同时也导致了器件导热性能降低等问题,在反复的研究中,业界内部提出了用透明基板对LED 进行封装的理论,并在实际应用中取得了良好的效果.
一、透明基板及LED 封装的涵义及目的
1.1 透明基板材料选择
半导体发光器件封装结构所用的透明基板所指的主要是玻璃、蓝宝石和透明陶瓷印刷线路板等.玻璃基板主要是用一块薄玻璃片制成,表面光滑,能够达到95% 的透光率,散热性能不足.蓝宝石基板则是对蓝宝石做研磨、抛光、分割与退火等加工后制成,经过抛光的蓝宝石基板能够达到85% 以上的透光率,传热性能上佳.透明陶瓷基板的透光率也在85% 以上,但其导热性能低于蓝宝石基板.实际用于半导体发光器件封装的透明基板可以是玻璃、蓝宝石、透明陶瓷、碳化硅以及有机透明体等透明基板种类的任意一种.
1.2 LED 封装的涵义及目的
LED 芯片体积非常小,只有通过显微镜才能观察到两个电极,对两端增加负载后就可以发光.半导体发光器件的封装是制作的必要环节,封装后会通过焊接引线电极正负极接通LED 芯片的两个电极外,还能够保护芯片.其封装目的主要在于：保护芯片不被外力、热量、湿度和外部环境所影响；保证芯片和电路电气的连接；提供散热性能,增加器件可靠性；提升透光率,保证LED 对于光色的需求,增加可见光输出率.
二、基于透明底板的半导体发光器件锥形封装结构
2.1 结构设计
将一个以上的半导体发光芯片安装到透明基板上,并将由导热材料构成的反光结构安装在透明基板上,反光结构在安装时需要将所有凸起部的一端伸入到透明基板中,并且保证至少有一个凸起部的一端能够接近半导体发光芯片,同时,该凸起部局部表面即是反光结构所在位置,能够将半导体发光芯片射入到透明基板中的光反射出去.第一方案：凸起部的一端通过透明基板第二面后伸入到透明基板内,并与第一面呈相背的状态.当凸起部是锥形结构时,其外壁要优先选为反光结构所在位置；当凸起部是正立或者倒立式的锥台结构时,则凸起部外壁或者上端面则为反光结构所在位置,且正立式推台结构为最优选择.锥形结构或者锥台结构都要保证锥角在45°以上.第二方案,至少一个凸起部一端从透明基板第一面中穿出,和半导体发光芯片电极区的电性连接.发光芯片从正面封装到透明基板上.第三方案,当反光结构的凸起部为复数时,可以将这些凸起部分布为密集状态,形成一个漫反射结构.反光结构由各种导热性能良好的材料组成,金属、陶瓷等都是可行性很高的材料,其中铜、铝、银、镍、铬等金属及其合金是最优选择.这几种金属元素的任意一种或者两种以上组合也是最佳的凸起部材料.反光结构还有导热结构,将凸起部的另一端和导热基板进行固定连接,导热基板材料最优选择是铝、镍或铜等金属元素.导热基板还可以和凸起部设置为一体.
2.2 该结构的优势
封装结构中添加导热材料、金属等导热性能高的材料组成的反光结构后,反光结构局部伸入到透明基板内部,接近半导体发光芯片,有效提升了器件出光效率,从而大幅缩短了导热途径,半导体发光芯片热量能够获得快捷有效的转移,保障了器件工作的稳定性,有效延长了使用寿命.这种结构在透明基板上安装了一个以上的半导体发光芯片,同时封装了一个由高导热材料组成的反光结构,反光结构还有一个以上的凸起部,而凸起部的一端则是伸入到透明基板中,其中还有至少一个凸起部一端会接近芯片,凸起部局部表面加载反光结构,从而对芯片射入到透明基板中的光进行有效的反射.这种设计使射入到透明基板中的光得到了充分的反射,同时透明基板内的光线行程也得到有效缩短,内部光线的损耗得以减少,使出光率与散热性能有效提升,进而使芯片温度降低,有效保护了芯片.
三、基于透明陶瓷基板的半导体发光器件封装结构
3.1 结构设计
透明复合陶瓷也是一种有效的LED 封装基板.该封装结构从上到下呈依次层叠状态,各层分别为荧光胶、焊线、半导体发光芯片、固晶及透明复合陶瓷.芯片层是多个芯片构成,基板层上也有多个基板,这些芯片透过固晶层后,再与多个透明陶瓷基板实现一一固定,这些芯片正负极则由焊线层中的焊线与多个陶瓷基板正负极相连接.透明陶瓷基板是由正面与背面导体、上下透明玻璃釉以及正面加厚导体与基底构成.下透明玻璃釉在基底上直接覆盖,正面与背面导体则按照次序在上下透明玻璃釉之间进行固定压合.正面加厚导体则在正面导体两侧分别压合.基板厚度控制在0.1-1.0mm 之间.
3.2 该结构的优势
在该结构中,多个LED 芯片和多个透明陶瓷基板对应固定,基板光效高、导热强、光衰低、使用寿命长、耐温性高、耐候性强.经过基板作用后,光源能够进行360°全角发光,照明效果更佳,拓宽了其使用范围.该结构生产工艺简单且生产率高,适宜于大指生产.
四、基于透明陶瓷COB 基板的平面光源封装结构
4.1 结构设计
基于透明陶瓷COB 型封装基板构成一个全方位的发光芯片照明结构,透明陶瓷COB 基板是一种层状结构,各层分别为银浆或者铜基线路层、LED 芯片层.基板上设置三个孔,分别为正极接线孔、银极接线孔、导热结构安装孔,前两个孔的孔径是由导线精细决定的,和线路层的电路进行联通,第三个孔则是为配合高导热合金而设置的安装孔.基板使用矩形或者圆形结构.灯泡上端设置一个螺口,顶端设置一个正极触点,在灯泡穿设导线柱,并在两侧分别设置正极导线与阴极导线,正极触点和正极导线相连,并将阴极和螺口连接.导热柱材料使用铝或者铜.
4.2 该结构优势
这种结构是一种基于透明陶瓷基板的半导体发光器件平面或者类平面光源封装结构,可以实现LED 全方位照明,照明角度能够从120° -165°增加到270°左右,空间光线更为柔和、均匀,视觉感受也更为舒适,提高了芯片出光效率,光效能增加为130 流明,相比传统LED,可以节省30%左右的能耗.该结构使LED 芯片背面不会聚焦过多热量,降低了芯片光衰,延长了芯片使用寿命.
五、基于封装载体与透明基板的导体发光器件封装结构该结构是由半导体发光器件、封装载体、透明基板及透明胶材组成.封装载体呈凹形,透明基板则位于封装载体中间位置,封装载体下部和透明基板形成了第一腔体.在透明基板上固定发光器件,并将发光器件电极透过透明基板内部的第一电路连接材料和封装载体中的第二电路连接材料进行连接,再在封装载体中填充透明胶材.第二电路连接材料中还包含有电学接触层,该接触层位于封闭载体和透明基板接触面.封装载体下部内表面上需要覆盖一层反射层.透明基板有不少于一个的第一通孔,以连接第一腔体及透明基板与封闭载体上部构成的第二腔体,填充透明胶材时,透明胶材能够通过第一通孔向第二腔体进行渗透,并填满第二腔体.第一电路连接材料则包含了透明基板上表面中的焊线层,发光器件电极引线通过焊线层完成电学连接.透明基板中的第二通孔位置则在封装载体和透明基板接触面上方,第一电路连接材料通过第二通孔和第二电路连接材料完成电学连接.透明胶材中包含了波长转换材料,能够使发光器件中射出的原色光通过波长转换材料转换后,产生一种和原色光波长有差异的变色光.封装载体下部内表面是长方体或者半球形,封装载体底部有一开口,侧壁则有一个凸台,在这一凸台上搭接透明基板,凸台上表面就是封装载体和透明基板接触面.该结构是在封装载体内部搭接透明基板,再在透明基板中设置发光器件,发光器件发射出的光源能射出透明基板,发光器件出光效率提到提高,封装结构光效和性能都得到了优化.
六、结语
半导体发光器件的封装是半导体行业的关键技术之一,随着我国绿色社会的推进力度,半导体发光器件的封装对于能耗、光效、使用寿命等有了更高的要求,传统技术在这些方面都有各种不足,业界内通过一些小型技术的改变也难以达到更为理想的效果.基于透明基板的半导体发光器件封装技术成为当前LED 封装的主要技术之一,业界内通过的多种封装结构都在能耗、光效、出光效率、使用寿命等方面获得了极大的提升,随着透明基板材料的不断拓宽,这种技术还将面临更为广阔的发展空间.
半导体论文范文结:
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