LED護欄燈二極管封裝結構及技術
發布時間:2011-01-06
中心議題:
在LED產業鏈接中,上遊是LED襯底晶片及襯底生產,中遊的產業化為LED芯片設計及製造生產,下遊歸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,實現產業化的必經之路,從某種意義上講是連接產業與市場的紐帶,隻有封裝好的LED才能成為終端產品,才能投入市場實際應用,才能為顧客提供服務,使產業鏈環環相扣,無縫暢通。
LED封裝的特殊性
LED封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)大(da)都(dou)是(shi)從(cong)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)基(ji)礎(chu)上(shang)發(fa)展(zhan)而(er)來(lai)的(de),但(dan)也(ye)有(you)很(hen)大(da)的(de)特(te)殊(shu)性(xing)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia),分(fen)立(li)器(qi)件(jian)的(de)管(guan)芯(xin)被(bei)密(mi)封(feng)在(zai)封(feng)裝(zhuang)體(ti)內(nei),封(feng)裝(zhuang)的(de)作(zuo)用(yong)主(zhu)要(yao)是(shi)保(bao)護(hu)管(guan)芯(xin)和(he)完(wan)成(cheng)電(dian)氣(qi)互(hu)連(lian)。而(er)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於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複合時,就會發出可見光,紫外光或近紅外光。但PNjiequfachudeguangzishifeidingxiangde,jixianggegefangxiangfasheyouxiangtongdejilv,yinci,bingbushiguanxinchanshengdesuoyouguangdoukeyishifangchulai,zhezhuyaoqujueyubandaoticailiaozhiliang、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封裝是將邊長為0.25mm的de正zheng方fang形xing管guan芯xin粘zhan結jie或huo燒shao結jie在zai引yin線xian架jia上shang,管guan芯xin的de正zheng極ji通tong過guo球qiu形xing接jie觸chu點dian與yu金jin絲si鍵jian合he為wei內nei引yin線xian並bing與yu一yi條tiao管guan腳jiao相xiang連lian,負fu極ji通tong過guo反fan射she杯bei和he引yin線xian架jia的de另ling一yi管guan腳jiao相xiang連lian,然ran後hou其qi頂ding部bu用yong環huan氧yang樹shu脂zhi包bao封feng。反fan射she杯bei的de作zuo用yong是shi收shou集ji管guan芯xin側ce麵mian、界麵發出的光,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),有透鏡或漫射透鏡功能,控製光的發散角;管(guan)芯(xin)折(zhe)射(she)率(lv)與(yu)空(kong)氣(qi)折(zhe)射(she)率(lv)相(xiang)關(guan)太(tai)大(da),致(zhi)使(shi)管(guan)芯(xin)內(nei)部(bu)的(de)全(quan)反(fan)射(she)臨(lin)界(jie)角(jiao)較(jiao)小(xiao),其(qi)有(you)源(yuan)層(ceng)產(chan)生(sheng)的(de)光(guang)隻(zhi)有(you)小(xiao)部(bu)分(fen)被(bei)取(qu)出(chu),大(da)部(bu)分(fen)留(liu)在(zai)管(guan)芯(xin)內(nei)部(bu)經(jing)多(duo)次(ci)反(fan)射(she)而(er)被(bei)吸(xi)收(shou),易(yi)發(fa)生(sheng)全(quan)反(fan)射(she)從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)過(guo)多(duo)光(guang)損(sun)失(shi),應(ying)選(xuan)用(yong)相(xiang)應(ying)折(zhe)射(she)率(lv)的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)作(zuo)過(guo)渡(du),提(ti)高(gao)管(guan)芯(xin)的(de)光(guang)出(chu)射(she)效(xiao)率(lv)。用(yong)作(zuo)構(gou)成(cheng)管(guan)殼(ke)的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)須(xu)具(ju)有(you)耐(nai)濕(shi)性(xing)、絕緣性、jixieqiangdu,duiguanxinfachuguangdezheshelvhetoushelvjiaogao。xuanzebutongzheshelvdefengzhuangcailiaohebutongfengzhuangjihexingzhuangduiguangziyichuxiaolvdeyingxiangshibutongde,faguangqiangdudejiaofenbuyeyuguanxinjiegou、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,相應的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平麵型,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,影響顏色鮮豔度。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的驅動電流限製在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,這就需要改進封裝結構,采用全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術、改gai善shan熱re特te性xing。例li如ru,采cai用yong大da麵mian積ji芯xin片pian倒dao裝zhuang結jie構gou,選xuan用yong導dao熱re性xing能neng好hao的de銀yin膠jiao,增zeng大da金jin屬shu支zhi架jia的de表biao麵mian積ji,焊han料liao凸tu點dian的de矽gui載zai體ti直zhi接jie裝zhuang在zai熱re沉chen上shang等deng方fang法fa。此ci外wai,在zai應ying用yong設she計ji中zhong,PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。
進入21世紀後,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100lm/W,綠LED為501m/W,單隻LED的光通量也達到數十lm。LED芯片和封裝不再沿襲傳統的設計理念與製造生產模式,在增加芯片的光輸出方麵,研發不僅僅限於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,加速表麵貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。
產品封裝結構類型
自上世紀90年代以來,LED芯片及材料製作技術的研發取得多項突破,透明襯底梯形結構、紋理表麵結構、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,2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應用。LED的上、中遊產業受到前所未有的重視,進一步推動下遊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,可生產出多種係列、品種、規格的產品。
LED產品封裝結構的類型是根據發光顏色、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麵光源和線光源,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(包括串聯和並聯)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。表麵貼裝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,有加速發展的趨勢。固體照明光源有部分產品上市,成為今後LED中、長期發展的方向。
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引腳式封裝
LED引(yin)腳(jiao)式(shi)封(feng)裝(zhuang)采(cai)用(yong)引(yin)線(xian)架(jia)作(zuo)各(ge)種(zhong)封(feng)裝(zhuang)外(wai)型(xing)的(de)引(yin)腳(jiao),是(shi)最(zui)先(xian)研(yan)發(fa)成(cheng)功(gong)投(tou)放(fang)市(shi)場(chang)的(de)封(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou),品(pin)種(zhong)數(shu)量(liang)繁(fan)多(duo),技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu)度(du)較(jiao)高(gao),封(feng)裝(zhuang)內(nei)結(jie)構(gou)與(yu)反(fan)射(she)層(ceng)仍(reng)在(zai)不(bu)斷(duan)改(gai)進(jin)。標(biao)準(zhun)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bao封feng材cai料liao多duo采cai用yong高gao溫wen固gu化hua環huan氧yang樹shu脂zhi,其qi光guang性xing能neng優you良liang,工gong藝yi適shi應ying性xing好hao,產chan品pin可ke靠kao性xing高gao,可ke做zuo成cheng有you色se透tou明ming或huo無wu色se透tou明ming和he有you色se散san射she或huo無wu色se散san射she的de透tou鏡jing封feng裝zhuang,不bu同tong的de透tou鏡jing形xing狀zhuang構gou成cheng多duo種zhong外wai形xing及ji尺chi寸cun,例li如ru,圓yuan形xing按an直zhi徑jing分fen為weiΦ2mm、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,體積小;金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節能指示燈,適合作電源指示用;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衝擊的閃爍光;
雙shuang色se型xing由you兩liang種zhong不bu同tong發fa光guang顏yan色se的de管guan芯xin組zu成cheng,封feng裝zhuang在zai同tong一yi環huan氧yang樹shu脂zhi透tou鏡jing中zhong,除chu雙shuang色se外wai還hai可ke獲huo得de第di三san種zhong的de混hun合he色se,在zai大da屏ping幕mu顯xian示shi係xi統tong中zhong的de應ying用yong極ji為wei廣guang泛fan,並bing可ke封feng裝zhuang組zu成cheng雙shuang色se顯xian示shi器qi件jian;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。麵光源是多個LED管芯粘結在微型PCB板的規定位置上,采用塑料反射框罩並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、麵光源現已開發出數百種封裝外形及尺寸,供市場及客戶選用。
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(dan)條(tiao)七(qi)段(duan)式(shi)等(deng)三(san)種(zhong)封(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou),連(lian)接(jie)方(fang)式(shi)有(you)共(gong)陽(yang)極(ji)和(he)共(gong)陰(yin)極(ji)兩(liang)種(zhong),一(yi)種(zhong)就(jiu)是(shi)通(tong)常(chang)說(shuo)的(de)數(shu)碼(ma)管(guan),兩(liang)位(wei)以(yi)上(shang)的(de)一(yi)般(ban)稱(cheng)作(zuo)顯(xian)示(shi)器(qi)。反(fan)射(she)罩(zhao)式(shi)具(ju)有(you)字(zi)型(xing)大(da),用(yong)料(liao)省(sheng),組(zu)裝(zhuang)靈(ling)活(huo)的(de)混(hun)合(he)封(feng)裝(zhuang)特(te)點(dian),一(yi)般(ban)用(yong)白(bai)色(se)塑(su)料(liao)製(zhi)作(zuo)成(cheng)帶(dai)反(fan)射(she)腔(qiang)的(de)七(qi)段(duan)形(xing)外(wai)殼(ke),將(jiang)單(dan)個(ge)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,在反射罩內滴入環氧樹脂,與粘好管芯的PCB板對位粘合,然後固化即成。
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,多用於單位、雙位器件;後(hou)者(zhe)上(shang)蓋(gai)濾(lv)色(se)片(pian)與(yu)勻(yun)光(guang)膜(mo),並(bing)在(zai)管(guan)芯(xin)與(yu)底(di)板(ban)上(shang)塗(tu)透(tou)明(ming)絕(jue)緣(yuan)膠(jiao),提(ti)高(gao)出(chu)光(guang)效(xiao)率(lv),一(yi)般(ban)用(yong)於(yu)四(si)位(wei)以(yi)上(shang)的(de)數(shu)字(zi)顯(xian)示(shi)。單(dan)片(pian)集(ji)成(cheng)式(shi)是(shi)在(zai)發(fa)光(guang)材(cai)料(liao)晶(jing)片(pian)上(shang)製(zhi)作(zuo)大(da)量(liang)七(qi)段(duan)數(shu)碼(ma)顯(xian)示(shi)器(qi)圖(tu)形(xing)管(guan)芯(xin),然(ran)後(hou)劃(hua)片(pian)分(fen)割(ge)成(cheng)單(dan)片(pian)圖(tu)形(xing)管(guan)芯(xin),粘(zhan)結(jie)、壓焊、封裝帶透鏡(俗稱“魚眼”透鏡)的外殼。單條七段式將已製作好的大麵積LED芯片,劃割成內含一隻或多隻管芯的發光條,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隻管芯(最多可達201隻管芯),屬於高密度封裝,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,完成每隻管芯由點到線的顯示,封裝技術較為複雜。
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,同時單隻LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光,隻能在封裝時借助熒光物質,藍或紫外LED管芯上塗敷熒光粉,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1億隻,發展成一類穩定的發白光的產品,並將多隻白光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。
表麵貼裝封裝
在2002年,表麵貼裝封裝的LED(SMD LED)逐漸被市場所接受,並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,很多生產廠商相繼推出此類產品。
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係列、SLM-245係列LED,前者為單色發光,後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(ban)和(he)反(fan)射(she)層(ceng)材(cai)料(liao),在(zai)顯(xian)示(shi)反(fan)射(she)層(ceng)需(xu)要(yao)填(tian)充(chong)的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)更(geng)少(shao),並(bing)去(qu)除(chu)較(jiao)重(zhong)的(de)碳(tan)鋼(gang)材(cai)料(liao)引(yin)腳(jiao),通(tong)過(guo)縮(suo)小(xiao)尺(chi)寸(cun),降(jiang)低(di)重(zhong)量(liang),可(ke)輕(qing)易(yi)地(di)將(jiang)產(chan)品(pin)重(zhong)量(liang)減(jian)輕(qing)一(yi)半(ban),最(zui)終(zhong)使(shi)應(ying)用(yong)更(geng)趨(qu)完(wan)美(mei),尤(you)其(qi)適(shi)合(he)戶(hu)內(nei),半(ban)戶(hu)外(wai)全(quan)彩(cai)顯(xian)示(shi)屏(ping)應(ying)用(yong)。
焊盤是SMDLED散熱的重要渠道,廠商提供的SMD LED的數據都是以4.0mm×4.0mm的焊盤為基礎,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3.0mm×2.8mm,通過獨特方法裝配高亮度管芯,產品熱阻為400℃/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,顯示尺寸選擇範圍寬。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,顯示鮮豔清晰。多色PLCCfengzhuangdaiyouyigewaibufansheqi,kejianbiandiyufaguangguanhuoguangdaoxiangjiehe,yongfanshexingtidaimuqiandetoushexingguangxuesheji,weidafanweiquyutigongtongyidezhaoming,yanfazai3.5V、1A驅動條件下工作的功率型SMD LED封裝提供有利條件。
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,能承受數瓦功率的LED封裝已出現。5W係列白、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,就光衰問題,開發出可承受10W功率的LED大麵積管;其尺寸為2.5mm×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係列功率LED是將AlGaInN功gong率lv型xing倒dao裝zhuang管guan芯xin,倒dao裝zhuang焊han接jie在zai具ju有you焊han料liao凸tu點dian的de矽gui載zai體ti上shang,然ran後hou把ba完wan成cheng倒dao裝zhuang焊han接jie的de矽gui載zai體ti裝zhuang入ru熱re沉chen與yu管guan殼ke中zhong,鍵jian合he引yin線xian進jin行xing封feng裝zhuang。這zhe種zhong封feng裝zhuang對dui於yu取qu光guang效xiao率lv,散san熱re性xing能neng,加jia大da工gong作zuo電dian流liu密mi度du的de設she計ji都dou是shi最zui佳jia的de。其qi主zhu要yao特te點dian:熱阻低,一般僅為14℃/W,隻有常規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℃範圍,不會因溫度驟變產生的內應力,使金絲與引線框架斷開,並防止環氧樹脂透鏡變黃,引線框架也不會因氧化而玷汙;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嶄新水平。
Norlux係列功率LED的封裝結構為六角形鋁板做底座(使其不導電)的多芯片組合,底座直徑31.75mm,發光區位於其中心部位,直徑約0.375×25.4mm,可容納40隻LED管芯,鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上製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,最後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,其光效率高、熱阻低,能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、製造技術更顯得尤為重要。
LED發展及應用前景
近幾年,LED的發光效率增長100倍,成本下降到原來的十分之一,廣泛用於大麵積圖文顯示全彩屏、狀態指示、標誌照明、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方麵,其發展前景吸引全球照明大廠家先後加入其光源及市場開發中。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,中、美、日及歐洲部分國家均推出了半導體照明計劃。目前,普通白光LED發光效率25lm/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150~200lm/W的光效,且每lm價格應明顯低於0.015$/lm(現價約0.25$/lm,紅LED為0.065$/lm),要實現這一目標仍有很多技術問題需要解決,但克服這些問題並不是十分遙遠的事。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世紀的新光源”,有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之後的第四代光源。
國內LED產業中有20餘家上、中遊研製及生產單位和150餘家封裝企業,高端封裝產品還未見推向市場。目前,完成GaN基藍綠光LED中遊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。科技部將投入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,它的成果將要服務於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。
- LED封裝的特殊性
- 產品封裝結構類型
- 引腳式封裝
- 表麵貼裝封裝
- 功率型封裝
在LED產業鏈接中,上遊是LED襯底晶片及襯底生產,中遊的產業化為LED芯片設計及製造生產,下遊歸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,實現產業化的必經之路,從某種意義上講是連接產業與市場的紐帶,隻有封裝好的LED才能成為終端產品,才能投入市場實際應用,才能為顧客提供服務,使產業鏈環環相扣,無縫暢通。
LED封裝的特殊性
LED封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)大(da)都(dou)是(shi)從(cong)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)基(ji)礎(chu)上(shang)發(fa)展(zhan)而(er)來(lai)的(de),但(dan)也(ye)有(you)很(hen)大(da)的(de)特(te)殊(shu)性(xing)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia),分(fen)立(li)器(qi)件(jian)的(de)管(guan)芯(xin)被(bei)密(mi)封(feng)在(zai)封(feng)裝(zhuang)體(ti)內(nei),封(feng)裝(zhuang)的(de)作(zuo)用(yong)主(zhu)要(yao)是(shi)保(bao)護(hu)管(guan)芯(xin)和(he)完(wan)成(cheng)電(dian)氣(qi)互(hu)連(lian)。而(er)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於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複合時,就會發出可見光,紫外光或近紅外光。但PNjiequfachudeguangzishifeidingxiangde,jixianggegefangxiangfasheyouxiangtongdejilv,yinci,bingbushiguanxinchanshengdesuoyouguangdoukeyishifangchulai,zhezhuyaoqujueyubandaoticailiaozhiliang、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封裝是將邊長為0.25mm的de正zheng方fang形xing管guan芯xin粘zhan結jie或huo燒shao結jie在zai引yin線xian架jia上shang,管guan芯xin的de正zheng極ji通tong過guo球qiu形xing接jie觸chu點dian與yu金jin絲si鍵jian合he為wei內nei引yin線xian並bing與yu一yi條tiao管guan腳jiao相xiang連lian,負fu極ji通tong過guo反fan射she杯bei和he引yin線xian架jia的de另ling一yi管guan腳jiao相xiang連lian,然ran後hou其qi頂ding部bu用yong環huan氧yang樹shu脂zhi包bao封feng。反fan射she杯bei的de作zuo用yong是shi收shou集ji管guan芯xin側ce麵mian、界麵發出的光,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),有透鏡或漫射透鏡功能,控製光的發散角;管(guan)芯(xin)折(zhe)射(she)率(lv)與(yu)空(kong)氣(qi)折(zhe)射(she)率(lv)相(xiang)關(guan)太(tai)大(da),致(zhi)使(shi)管(guan)芯(xin)內(nei)部(bu)的(de)全(quan)反(fan)射(she)臨(lin)界(jie)角(jiao)較(jiao)小(xiao),其(qi)有(you)源(yuan)層(ceng)產(chan)生(sheng)的(de)光(guang)隻(zhi)有(you)小(xiao)部(bu)分(fen)被(bei)取(qu)出(chu),大(da)部(bu)分(fen)留(liu)在(zai)管(guan)芯(xin)內(nei)部(bu)經(jing)多(duo)次(ci)反(fan)射(she)而(er)被(bei)吸(xi)收(shou),易(yi)發(fa)生(sheng)全(quan)反(fan)射(she)從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)過(guo)多(duo)光(guang)損(sun)失(shi),應(ying)選(xuan)用(yong)相(xiang)應(ying)折(zhe)射(she)率(lv)的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)作(zuo)過(guo)渡(du),提(ti)高(gao)管(guan)芯(xin)的(de)光(guang)出(chu)射(she)效(xiao)率(lv)。用(yong)作(zuo)構(gou)成(cheng)管(guan)殼(ke)的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)須(xu)具(ju)有(you)耐(nai)濕(shi)性(xing)、絕緣性、jixieqiangdu,duiguanxinfachuguangdezheshelvhetoushelvjiaogao。xuanzebutongzheshelvdefengzhuangcailiaohebutongfengzhuangjihexingzhuangduiguangziyichuxiaolvdeyingxiangshibutongde,faguangqiangdudejiaofenbuyeyuguanxinjiegou、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,相應的視角較小;如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平麵型,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,影響顏色鮮豔度。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的驅動電流限製在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,這就需要改進封裝結構,采用全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術、改gai善shan熱re特te性xing。例li如ru,采cai用yong大da麵mian積ji芯xin片pian倒dao裝zhuang結jie構gou,選xuan用yong導dao熱re性xing能neng好hao的de銀yin膠jiao,增zeng大da金jin屬shu支zhi架jia的de表biao麵mian積ji,焊han料liao凸tu點dian的de矽gui載zai體ti直zhi接jie裝zhuang在zai熱re沉chen上shang等deng方fang法fa。此ci外wai,在zai應ying用yong設she計ji中zhong,PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。
進入21世紀後,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100lm/W,綠LED為501m/W,單隻LED的光通量也達到數十lm。LED芯片和封裝不再沿襲傳統的設計理念與製造生產模式,在增加芯片的光輸出方麵,研發不僅僅限於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,加速表麵貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。
產品封裝結構類型
自上世紀90年代以來,LED芯片及材料製作技術的研發取得多項突破,透明襯底梯形結構、紋理表麵結構、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,2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應用。LED的上、中遊產業受到前所未有的重視,進一步推動下遊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,可生產出多種係列、品種、規格的產品。
LED產品封裝結構的類型是根據發光顏色、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麵光源和線光源,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(包括串聯和並聯)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。表麵貼裝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,有加速發展的趨勢。固體照明光源有部分產品上市,成為今後LED中、長期發展的方向。
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引腳式封裝
LED引(yin)腳(jiao)式(shi)封(feng)裝(zhuang)采(cai)用(yong)引(yin)線(xian)架(jia)作(zuo)各(ge)種(zhong)封(feng)裝(zhuang)外(wai)型(xing)的(de)引(yin)腳(jiao),是(shi)最(zui)先(xian)研(yan)發(fa)成(cheng)功(gong)投(tou)放(fang)市(shi)場(chang)的(de)封(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou),品(pin)種(zhong)數(shu)量(liang)繁(fan)多(duo),技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu)度(du)較(jiao)高(gao),封(feng)裝(zhuang)內(nei)結(jie)構(gou)與(yu)反(fan)射(she)層(ceng)仍(reng)在(zai)不(bu)斷(duan)改(gai)進(jin)。標(biao)準(zhun)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bao封feng材cai料liao多duo采cai用yong高gao溫wen固gu化hua環huan氧yang樹shu脂zhi,其qi光guang性xing能neng優you良liang,工gong藝yi適shi應ying性xing好hao,產chan品pin可ke靠kao性xing高gao,可ke做zuo成cheng有you色se透tou明ming或huo無wu色se透tou明ming和he有you色se散san射she或huo無wu色se散san射she的de透tou鏡jing封feng裝zhuang,不bu同tong的de透tou鏡jing形xing狀zhuang構gou成cheng多duo種zhong外wai形xing及ji尺chi寸cun,例li如ru,圓yuan形xing按an直zhi徑jing分fen為weiΦ2mm、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,體積小;金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節能指示燈,適合作電源指示用;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衝擊的閃爍光;
雙shuang色se型xing由you兩liang種zhong不bu同tong發fa光guang顏yan色se的de管guan芯xin組zu成cheng,封feng裝zhuang在zai同tong一yi環huan氧yang樹shu脂zhi透tou鏡jing中zhong,除chu雙shuang色se外wai還hai可ke獲huo得de第di三san種zhong的de混hun合he色se,在zai大da屏ping幕mu顯xian示shi係xi統tong中zhong的de應ying用yong極ji為wei廣guang泛fan,並bing可ke封feng裝zhuang組zu成cheng雙shuang色se顯xian示shi器qi件jian;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。麵光源是多個LED管芯粘結在微型PCB板的規定位置上,采用塑料反射框罩並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、麵光源現已開發出數百種封裝外形及尺寸,供市場及客戶選用。
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(dan)條(tiao)七(qi)段(duan)式(shi)等(deng)三(san)種(zhong)封(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou),連(lian)接(jie)方(fang)式(shi)有(you)共(gong)陽(yang)極(ji)和(he)共(gong)陰(yin)極(ji)兩(liang)種(zhong),一(yi)種(zhong)就(jiu)是(shi)通(tong)常(chang)說(shuo)的(de)數(shu)碼(ma)管(guan),兩(liang)位(wei)以(yi)上(shang)的(de)一(yi)般(ban)稱(cheng)作(zuo)顯(xian)示(shi)器(qi)。反(fan)射(she)罩(zhao)式(shi)具(ju)有(you)字(zi)型(xing)大(da),用(yong)料(liao)省(sheng),組(zu)裝(zhuang)靈(ling)活(huo)的(de)混(hun)合(he)封(feng)裝(zhuang)特(te)點(dian),一(yi)般(ban)用(yong)白(bai)色(se)塑(su)料(liao)製(zhi)作(zuo)成(cheng)帶(dai)反(fan)射(she)腔(qiang)的(de)七(qi)段(duan)形(xing)外(wai)殼(ke),將(jiang)單(dan)個(ge)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,在反射罩內滴入環氧樹脂,與粘好管芯的PCB板對位粘合,然後固化即成。
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,多用於單位、雙位器件;後(hou)者(zhe)上(shang)蓋(gai)濾(lv)色(se)片(pian)與(yu)勻(yun)光(guang)膜(mo),並(bing)在(zai)管(guan)芯(xin)與(yu)底(di)板(ban)上(shang)塗(tu)透(tou)明(ming)絕(jue)緣(yuan)膠(jiao),提(ti)高(gao)出(chu)光(guang)效(xiao)率(lv),一(yi)般(ban)用(yong)於(yu)四(si)位(wei)以(yi)上(shang)的(de)數(shu)字(zi)顯(xian)示(shi)。單(dan)片(pian)集(ji)成(cheng)式(shi)是(shi)在(zai)發(fa)光(guang)材(cai)料(liao)晶(jing)片(pian)上(shang)製(zhi)作(zuo)大(da)量(liang)七(qi)段(duan)數(shu)碼(ma)顯(xian)示(shi)器(qi)圖(tu)形(xing)管(guan)芯(xin),然(ran)後(hou)劃(hua)片(pian)分(fen)割(ge)成(cheng)單(dan)片(pian)圖(tu)形(xing)管(guan)芯(xin),粘(zhan)結(jie)、壓焊、封裝帶透鏡(俗稱“魚眼”透鏡)的外殼。單條七段式將已製作好的大麵積LED芯片,劃割成內含一隻或多隻管芯的發光條,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隻管芯(最多可達201隻管芯),屬於高密度封裝,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,完成每隻管芯由點到線的顯示,封裝技術較為複雜。
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,同時單隻LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光,隻能在封裝時借助熒光物質,藍或紫外LED管芯上塗敷熒光粉,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1億隻,發展成一類穩定的發白光的產品,並將多隻白光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。
表麵貼裝封裝
在2002年,表麵貼裝封裝的LED(SMD LED)逐漸被市場所接受,並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,很多生產廠商相繼推出此類產品。
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係列、SLM-245係列LED,前者為單色發光,後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(ban)和(he)反(fan)射(she)層(ceng)材(cai)料(liao),在(zai)顯(xian)示(shi)反(fan)射(she)層(ceng)需(xu)要(yao)填(tian)充(chong)的(de)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)更(geng)少(shao),並(bing)去(qu)除(chu)較(jiao)重(zhong)的(de)碳(tan)鋼(gang)材(cai)料(liao)引(yin)腳(jiao),通(tong)過(guo)縮(suo)小(xiao)尺(chi)寸(cun),降(jiang)低(di)重(zhong)量(liang),可(ke)輕(qing)易(yi)地(di)將(jiang)產(chan)品(pin)重(zhong)量(liang)減(jian)輕(qing)一(yi)半(ban),最(zui)終(zhong)使(shi)應(ying)用(yong)更(geng)趨(qu)完(wan)美(mei),尤(you)其(qi)適(shi)合(he)戶(hu)內(nei),半(ban)戶(hu)外(wai)全(quan)彩(cai)顯(xian)示(shi)屏(ping)應(ying)用(yong)。
焊盤是SMDLED散熱的重要渠道,廠商提供的SMD LED的數據都是以4.0mm×4.0mm的焊盤為基礎,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3.0mm×2.8mm,通過獨特方法裝配高亮度管芯,產品熱阻為400℃/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,顯示尺寸選擇範圍寬。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,顯示鮮豔清晰。多色PLCCfengzhuangdaiyouyigewaibufansheqi,kejianbiandiyufaguangguanhuoguangdaoxiangjiehe,yongfanshexingtidaimuqiandetoushexingguangxuesheji,weidafanweiquyutigongtongyidezhaoming,yanfazai3.5V、1A驅動條件下工作的功率型SMD LED封裝提供有利條件。
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,能承受數瓦功率的LED封裝已出現。5W係列白、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,就光衰問題,開發出可承受10W功率的LED大麵積管;其尺寸為2.5mm×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係列功率LED是將AlGaInN功gong率lv型xing倒dao裝zhuang管guan芯xin,倒dao裝zhuang焊han接jie在zai具ju有you焊han料liao凸tu點dian的de矽gui載zai體ti上shang,然ran後hou把ba完wan成cheng倒dao裝zhuang焊han接jie的de矽gui載zai體ti裝zhuang入ru熱re沉chen與yu管guan殼ke中zhong,鍵jian合he引yin線xian進jin行xing封feng裝zhuang。這zhe種zhong封feng裝zhuang對dui於yu取qu光guang效xiao率lv,散san熱re性xing能neng,加jia大da工gong作zuo電dian流liu密mi度du的de設she計ji都dou是shi最zui佳jia的de。其qi主zhu要yao特te點dian:熱阻低,一般僅為14℃/W,隻有常規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℃範圍,不會因溫度驟變產生的內應力,使金絲與引線框架斷開,並防止環氧樹脂透鏡變黃,引線框架也不會因氧化而玷汙;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嶄新水平。
Norlux係列功率LED的封裝結構為六角形鋁板做底座(使其不導電)的多芯片組合,底座直徑31.75mm,發光區位於其中心部位,直徑約0.375×25.4mm,可容納40隻LED管芯,鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上製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,最後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,其光效率高、熱阻低,能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、製造技術更顯得尤為重要。
LED發展及應用前景
近幾年,LED的發光效率增長100倍,成本下降到原來的十分之一,廣泛用於大麵積圖文顯示全彩屏、狀態指示、標誌照明、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方麵,其發展前景吸引全球照明大廠家先後加入其光源及市場開發中。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,中、美、日及歐洲部分國家均推出了半導體照明計劃。目前,普通白光LED發光效率25lm/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150~200lm/W的光效,且每lm價格應明顯低於0.015$/lm(現價約0.25$/lm,紅LED為0.065$/lm),要實現這一目標仍有很多技術問題需要解決,但克服這些問題並不是十分遙遠的事。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世紀的新光源”,有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之後的第四代光源。
國內LED產業中有20餘家上、中遊研製及生產單位和150餘家封裝企業,高端封裝產品還未見推向市場。目前,完成GaN基藍綠光LED中遊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。科技部將投入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,它的成果將要服務於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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