Avancerade anläggningar Effektiv produktionLED (ljusdiod) har blivit en hot spot för konkurrens i den framväxande internationella strategiska industrin. I LED-industrin innehåller uppströms substratmaterial, epitax, chipdesign och tillverkning, mitten når täckteknik, utrustning och testteknik. Nedströms är LED-display, belysning och belysningsapplikationer. För närvarande används den blåa LED + gula fosforprocessen huvudsakligen för att uppnå den vita ljuskällan med hög effekt, det vill säga ett gult ljusgivande YAG (yttrium aluminium granat) gult fosfor avges av en del av GaN-baserade blå LED, och en annan del av det blå ljuset emitteras genom fosforen. Det gula ljuset som avges av den gula fosforen blandas med det överförda blå ljuset för att erhålla vitt ljus. Det blå ljuset som emitteras av det blå LED-chipet passerar genom den gula fosforen som är belagd runt den och fosforen är upphetsad av en del av blått ljus för att avge gult ljus och det blå ljusspektret och det gula ljusspektret överlappar varandra för att bilda vit ljus.
Som en viktig del av industrikedjan är högkvalitativ LED-förpackning kärntillverkningstekniken för att främja den praktiska tillämpningen av halvledarljus och display. Endast genom utveckling av lågt värmebeständighet, hög ljusstyrka och hög pålitlighet LED-förpackning och tillverkningsteknik är LED-chipet välmekaniskt och elektriskt skydd, vilket minskar inverkan av mekaniska, elektriska, termiska, våta och andra yttre faktorer på prestandan av chipet för att säkerställa lysdioden Det stabila och tillförlitliga arbetet hos chipet kan ge effektiva och kontinuerliga högpresterande belysnings- och displayeffekter, uppnå LEDs unika energibesparande och livslånga fördelar och främja godartad utveckling av hela halvledarbelysningen och display industrin kedja. Med tanke på att utländska närstående företag beaktar marknadsintressen blockeras relevant kärnteknik och utrustning. Därför är det angeläget att utveckla oberoende hög effekt LED-förpackningsteknik, särskilt vit LED-förpackningsutrustning. Denna artikel kommer att kort introducera forskning och tillämpning status för hög effekt LED-förpackningar, analysera och sammanfatta de viktigaste tekniska problemen i processen med hög effekt LED-förpackning, för att locka uppmärksamhet hos inhemska motsvarigheter, och sträva efter att uppnå autonomi av high-power LED-tangentteknik och -utrustning. .
Förpackningsteknik spelar en avgörande roll för LED-prestanda. Valet av LED-förpackningsmetoder, material, strukturer och processer bestäms primärt av faktorer som chipstruktur, optoelektroniska / mekaniska egenskaper, specifika tillämpningar och kostnad. Med kraftökningen, särskilt utvecklingen av solid state-belysningsteknik, har nya och högre krav ställts fram för de optiska, termiska, elektriska och mekaniska strukturerna av LED-paket. För att effektivt minska pakets värmebeständighet och förbättra ljuseffektiviteten måste en ny teknisk idé antas för paketdesignen. Med utgångspunkt från processkompatibilitet och sänkta produktionskostnader, bör LED-paketdesignen utföras samtidigt med chipdesignen, dvs paketdesignen bör ta hänsyn till paketets struktur och process. För närvarande är de viktigaste utvecklingstendenserna för Power LED-paketstrukturen: miniatyrisering av storlek, minimering av värmebeständighet, planlappning, maximal motståndskrytteringstemperatur, maximering av enkellampflöde; Målet är att öka ljusflödet, ljus effektivitet och minska ljuset. Förfall, förlora effektivitet, förbättra konsistens och tillförlitlighet. Specifikt är nyckeltekniken för högkvalitativa LED-förpackningar: termisk dispersionsteknik, optisk designteknik, konstruktionsdesignteknik, fosforbeläggningsteknik och eutektisk lödningsteknik.
1, kylteknik
Den genomsnittliga LED-nodtemperaturen får inte överstiga 120 ° C. Även de senaste enheterna introduceras av Lumileds, Nichia, CREE, etc., kan den maximala nodtemperaturen inte överstiga 1500 ° C. Därför är termisk strålningseffekt av LED-enheter i grunden försumbar, och värmeledning och konvektion är de huvudsakliga sätten för värmeavledning av lysdioder. I värmeledningsdesignen betraktas värmeledningen först eftersom värme först genomförs från LED-modulen till kylflänsen. Därför är bindningsmaterialet och substratet nyckellänkarna för LED-värmeavledningstekniken.
Bindningsmaterialen innefattar huvudsakligen tre huvudvägar av termiskt ledande lim, ledande silverpasta och legeringslödmedel. Det värmekonduktiva bindemedlet är ett slags fyllmedel med hög värmeledningsförmåga som läggs till substratets insida, såsom SiC, AlN, A12O3, Si02, etc., varigenom dess värmeledning förbättras; Den ledande silverpastaen är ett kompositmaterial som bildas genom tillsats av silverpulver i epoxihartset, och härdning av pastan appliceras. Temperaturen är generellt lägre än 200 ° C, vilken har fördelarna med god värmeledningsförmåga och pålitlig bindningsförmåga, men absorptionen av ljus av silverpastaen är relativt stor, vilket resulterar i en minskning av ljuseffektivitet.
Substratet innefattar huvudsakligen tre huvudlägen av ett keramiskt substrat, ett keramiskt substrat och ett komposit-substrat. Det keramiska substratet är huvudsakligen ett LTCC-substrat och ett AIN-substrat. LTCC-substratet har många fördelar som lätt formning, enkel process, låg kostnad och lätt att göra olika former. Al och Cu är utmärkta material för LED-paketsubstrat. På grund av metallmaterialets konduktivitet är det ofta nödvändigt att passera ytsisoleringen. Anodiserande för att bilda ett tunt isolerande skikt på ytan. Metallmatriskompositer innehåller huvudsakligen Cu-baserade kompositmaterial och Al-baserade kompositmaterial. Occhionero et al. utforskade tillämpningen av AlSiC på flipchips, optoelektroniska enheter, kraftenheter och hög effekt LED-värmekänningar. Tillsatsen av pyrolytisk grafit till AlSiC uppfyller också kraven på högre värmeavledning. I framtiden finns det fem huvudtyper av komposit-substrat: monolitiska kolhaltiga material, metallmatriskompositer, polymerbaserade kompositer, kolkompositer och avancerade metalllegeringar.
Dessutom har paketgränssnittet ett stort inflytande på värmebeständigheten. Nyckeln till att förbättra LED-paketet är att minska gränssnittet och gränssnittskontaktens värmebeständighet och förbättra värmeavledningen. Valet av termiskt gränssnittsmaterial mellan chipet och kylflänsen är därför mycket viktigt. Användningen av låg temperatur eller eutektisk löd, lödpasta eller ledande pasta med nanopartiklar som termiskt gränssnittsmaterial kan kraftigt minska gränssnittets värmebeständighet.
2, optisk designteknik
Den optiska designen av LED-paketet innehåller en inre optisk design och en yttre optisk design.
Nyckeln till intern optisk design är valet och appliceringen av pottlim. Vid valet av pottlim måste man ha hög ljusöverföring, högt brytningsindex, god termisk stabilitet, god fluiditet och lätt sprutning. För att förbättra LED-förpackningens tillförlitlighet krävs också att pottföreningen har låg hygroskopicitet, låg spänning, temperatur och miljöskydd. För närvarande använda pottningsföreningar innefattar epoxiharts och silikagel. Bland dem har silikagel hög ljusöverföring (hög transmittans inom synligt område på mer än 99%), högt brytningsindex (1,4 till 1,5), god termisk stabilitet (tål höga temperaturer på 200 ° C) och låg spänning Youngs modul) Låg), låg hygroskopicitet (mindre än 0,2%) etc., betydligt bättre än epoxiharts, allmänt använd i LED-förpackningar med hög effekt. Effekten av silikagel påverkas emellertid kraftigt av omgivande temperatur, vilket påverkar LED-ljus effektivitet och ljusintensitetsfördelning. Därför måste framställningsförfarandet för silikagel förbättras.
Den externa optiska konstruktionen hänför sig till konvergens och formning av den utgående strålen för att bilda ett ljusfält med jämn intensitetsfördelning. Den innehåller främst reflekterande koncentrator design (primäroptik) och formgivning av linser (sekundär optik). För array-moduler innefattar den även fördelningen av chip-arrays. Vanligtvis använda linser inkluderar konvexa linser, konkava linser, sfäriska speglar, Fresnel-linser, kombinerade linser, etc. Linsens sammansättningslampor och LED-lampor med hög effekt kan vara lufttäta och halvhermetiska. Under de senaste åren har fördjupningen av forskning, med tanke på integrationskraven efter förpackning, linsen som används för strålformning, använd en mikrolinsuppsättning och mikrolinsystemet kan spela en tvådimensionell parallell konvergens, formning, kollimering etc. i den optiska väg. Det har fördelarna med hög precision, bekväm och tillförlitlig tillverkning och enkel koppling med andra plana enheter. Forskning visar att användningen av diffraktiva mikrolensarrayer istället för vanliga linser eller Fresnel-mikrolinser kan förbättra strålkvaliteten och öka intensiteten hos emitterat ljus. LED är den mest lovande nya tekniken för strålformning.
3, LED-paketstruktur
LED-förpackningsteknik och -struktur har varit i ledning, kraftpaket, chip (SMD), chip-on-board (COB) fyra steg.
(1) Ledd LED-paket
LED-fotpaketet använder ledarramar som stiften för olika typer av paket. Det är den första paketstrukturen som framgångsrikt utvecklats på marknaden. Mängden produkter är hög, tekniken är hög, och strukturen och reflekterande skiktet i paketet förbättras fortfarande. Den brukar användas i en 3 ~ 5mm paketstruktur, och används vanligtvis för LED-paket med låg ström (20 ~ 30mA) och låg effekt (mindre än 0,1W). Den används huvudsakligen för instrumentvisning eller indikering, och kan även användas som en bildskärm för storskalig integration. Nackdelen är att förpackningen har en stor värmebeständighet (vanligtvis högre än 100K / W) och har ett kort livslängd.
(2) Power LED-paket
LED-chip och paket är utvecklade i riktning mot hög effekt. Under högströmmen är ljusflödet 10-20 gånger större än det för Φ5mm LED. Effektiv värmeavledning och icke-nedbrytande förpackningsmaterial måste användas för att lösa ljusförlustproblemet. Därför är paketet och paketet också nyckeln. Teknologi, LED-paket som kan klara flera W-effekt har uppstått. 5W-serien Vit, Grön, Blågrön, Blå strömslampor har varit tillgängliga sedan början av 2003. Den vita LED-ljusutgången når 1871m, ljusets effektivitet är 44.31 lm / W grönt ljusförlustproblem och LED-lampan som tål 10W-effekt är utvecklad. Rör; storleken är 2,5 mm X2,5 mm, kan fungera vid 5A ström, ljusstyrka upp till 2001 lm, eftersom en solid belysningskälla har mycket utrymme för utveckling.
(3) LED-förpackning för ytmonterad (SMD) typ (SMD)
Redan 2002 blev marknadslampor med ytmonterad förpackning (SMDLED) godkänd av marknaden och fått en viss marknadsandel. Från blypaket till SMD överensstämde den med utvecklingen inom hela elektronikindustrin, och många tillverkare introducerade sådana produkter.
SMDLED är för närvarande den högsta förpackningsmarknaden på LED-marknaden. Denna LED-förpackningsstruktur använder en formsprutningsprocess för att linda metallledarramen i PPA-plast och bildar en reflektorbägare av en viss form. Metallledarramen sträcker sig från botten av reflektorkoppen till sidan av anordningen. Anordningstavarna formas genom att utplåna utåt eller inåt. Den förbättrade SMDLED-strukturen åtföljs av vit LED-belysningsteknik. För att öka energiförbrukningen hos en enda LED-enhet för att öka enhetens ljusstyrka, började ingenjörerna hitta sätt att minska SMDLEDs värmebeständighet och introducerade konceptet kylfläns. Denna förbättrade struktur minskar höjden på den ursprungliga SMDLED-strukturen. Metallkabeln placeras direkt på undersidan av LED-enheten. Den reflekterande bägaren bildas genom att injicera plast runt metallramen. Chipet placeras på metallramen. Metallramen löds direkt genom lödpastaen. En vertikal värmeavledningskanal bildas på kretskortet. På grund av utvecklingen av materialteknik har SMD-förpackningstekniken övervinnt de tidiga problemen med värmeavledning och livslängd och kan användas för att paketera hög effekt vita LED-chips på 1 ~ 3W.
(4) COB-LED-paket
COB-paketet kan direkt packa flera flisar på den metallbaserade kretskortet MCPCB, och direkt sprida värme genom substratet, vilket inte bara minskar tillverkningsprocessen och kostnaden för konsolen, men har också fördelen att reducera värmeavledning. Kretskortet kan vara ett billigt FR-4-material (glasfiberförstärkt epoxi) eller en metallbaserad eller keramisk baserad komposit (t.ex. ett aluminiumsubstrat eller ett kopparbelagt keramiskt substrat). Trådbindningen kan utföras genom termosonbindning (bindning av guldtrådbollar) vid hög temperatur och ultraljudsbindning vid normal temperatur (aluminiumborrverktygsvetsning). COB-tekniken används främst för LED-förpackning av högkapacitets multi-chip-arrays. Jämfört med SMD ökar det inte bara förpackningens kraftdensitet, utan minskar även termisk resistans för paketet (vanligen 6-12W / m · K).
Med hänsyn till kostnad och tillämpning kommer COB att bli huvudriktningen för framtida belysningsdesign. LED-modulen i COB-paketet har ett flertal LED-chips monterade på substratet. Användningen av flera chips förbättrar inte bara ljusstyrkan, men underlättar också den rationella konfigurationen av LED-chipsen och minskar mängden av ingångsströmmen för ett enda LED-chip för att säkerställa hög effektivitet. Dessutom kan denna ytljuskälla i stor utsträckning expandera värmeavgivningsområdet för förpackningen, så att värme lättare kan ledas till det yttre höljet. Den traditionella LED-armaturpraxisen är: LED-ljuskälla diskret enhet - MCPCB-ljuskällemodul - LED-armatur, huvudsakligen baserad på praktiken att inte använda tillämpliga kärnljuskällkomponenter, inte bara tidskrävande men också dyr. Faktum är att om du tar vägen till "COB-ljuskällemodul - LED-lampa", kan den spara arbete och tid, och kan spara kostnaden för enhetsförpackning.
Kort sagt, om det är ett enstaka enhetspaket eller ett modulärt COB-paket, från låg effekt till hög effekt, är LED-paketstrukturen utformad kring hur man minskar värmebeständigheten hos enheten, förbättrar ljusutmatningen och förbättrar tillförlitligheten.
4, fosforbeläggningsteknik
Ljusomvandlingsstrukturen, dvs fosforbeläggningsstrukturen, riktar sig huvudsakligen till LED-belysningen med vitljus och syftar till att omvandla det kortare våglängdsljuset som emitteras av LED-chipet till en längre våglängdsljus komplementär till komplementärfärgen (vit färg komplementär).
För närvarande finns det tre sätt att producera vitt ljus med fosfor: blå LED med gul fosfor; blå LED med röd och grön fosfor; UV-LED med röda, gröna och blåa fosforer. Bland dem är kommersiella vita lysdioder oftast enstaka typ med blå LED och gul fosfor. Den vita lysgenereringsmetoden för blå LED med röd och grön fosfor redovisas endast i patent av OSRAM, Lumileds, etc., men det har inte kommersialiserats. Produkterna visas, och det sätt på vilket UV-lysdioder kombineras med trefärgsfosfor är fortfarande under utveckling.