LED封装：设计和应用的关键技巧

LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求。

LED封装的功能主要包括：①机械保护，以提高可靠性；②加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能；③光学控制，提高出光效率，优化光束分布；④供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。

经过40多年的发展，LED封装先后经历了引脚式、贴片式、功率型LED、板上芯片直装（COB LED）封装等发展阶段。

1.引脚式（Lamp）LED封装

LED脚式封装采用引线架作各种封装外形的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。常用3～5mm封装结构，一般用于电流较小（20～30mA），功率较低（小于0.1W）的LED封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于封装热阻较大（一般高于100K/W），其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中，寿命较短。

包封材料多采用高温固化环氧树脂，其光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸，如图所示。

图1-3　引脚式LED

2.贴片式（SMD）LED封装

早在2002年，表面贴装封装的LED（SMDLED）逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势，很多生产厂商推出此类产品。

SMD LED是目前LED市场占有率最高的封装结构，这种LED封装结构利用注塑工艺将金属引线框架包裹在PPA塑料之中，并形成特定形状的反射杯，金属引线框架从反射杯底部延伸至器件侧面，通过向外平展或向内折弯形成器件管脚。

改进型的SMDLED结构是伴随着白光LED照明技术出现的，为了增大单个LED器件的使用功率以提高器件的亮度，工程师开始寻找降低SMD LED热阻的办法，并引入了热沉的概念。这种改进的结构降低了最初SMD LED结构的高度，金属引线框架直接置于LED器件底部，通过注入塑料围绕金属框架形成反射杯，芯片置于金属框架之上，金属框架通过锡膏，直接焊接于线路板上，形成垂直散热通道。

由于材料技术的发展，SMD封装技术已经克服了散热、使用寿命等早期存在的问题，可以用于封装1～3W的大功率白光LED芯片。

常见SMD LED的封装后通常以其尺寸命名，比如： 3528、5050、0603、0805、3020、335、020、3535、3014等，这些简称也就成为具体的规格型号。例如：0603指的是长度为0.06英寸，宽度为0.03英寸；对应公制是1608，即表示LED元件的长度是1.6mm，宽度是0.8mm；公制叫法1608，英制叫法是0603。

表1-6　常见SMD LED尺寸表(www.xing528.com)

注：1inch=2.539999918cm，通常的取法是：1inch=25.4mm

图1-4　贴片式LED

3.功率型（Power）LED封装

LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ5mmLED大10～20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达187lm，光效为44.31lm/W。之后开发出的可承受10W功率的LED，尺寸为2.5mm×2.5mm的大面积管，可在5A电流下工作，光输出达2000lm，作为固体照明光源有很大发展空间。

图1-5　大功率LED

4.板上芯片直装（COB LED）封装

COB封装可将多颗芯片直接封装在金属基印刷电路板MCPCB，通过基板直接散热，不仅能减少支架的制造工艺及其成本，还具有减少热阻的散热优势。PCB板可以是低成本的FR-4材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。而引线键合可采用高温下的热超声键合（金丝球焊）和常温下的超声波键合（铝劈刀焊接）。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMD相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻。

图1-6　COB LED

从成本和应用角度来看，COB将成为未来灯具化设计的主流方向。COB封装的LED模块在底板上安装了多枚LED芯片，使用多枚芯片不仅能够提高亮度，还有助于实现LED芯片的合理配置，降低单个LED芯片的输入电流量以确保高效率。而且这种面光源能在很大程度上扩大封装的散热面积，使热量更容易传导至外壳。传统的LED灯具做法是：LED光源分立器件→MCPCB光源模组→LED灯具，主要是基于没有适用的核心光源组件而采取的做法，不但耗工费时，而且成本较高。实际上，如果走“COB光源模块→LED灯具”的路线，不但可以省工省时，而且可以节省器件封装的成本。

总之，无论是单器件封装还是模组化COB封装，从小功率到大功率，LED封装结构的设计均围绕着如何降低器件热阻，改善出光效果以及提高可靠性而展开的。