Napredna postrojenja Učinkovita proizvodnjaLED (dioda koja emitira svjetlost) postala je vruća točka za natjecanje u međunarodnoj strateškoj industriji u nastajanju. U lancu LED industrije, uzvodno uključuje materijale supstrata, epitaksiju, dizajn i proizvodnju čipova, srednji dio pokriva tehnologiju pakiranja, opremu i tehnologiju ispitivanja, a nizvodno je LED zaslon, rasvjeta i rasvjeta. Trenutno se plava LED + žuta fosforna faza uglavnom koristi za realizaciju bijele svjetlosti visoke snage LED, odnosno žutog svjetlosno emitirajućeg žutog fosfora (itrijum aluminij granat) koji emitira dio GaN-baziranog plavog. LED dioda, a drugi dio plavog svjetla emitira se kroz fosfor. Žuto svjetlo koje emitira žuti fosfor miješa se s prenesenom plavom svjetlošću kako bi se dobilo bijelo svjetlo. Plava svjetlost koju emitira plavi LED čip prolazi kroz žuti fosfor obložen oko njega, a fosfor se pobuđuje dijelom plavog svjetla da emitira žuto svjetlo, a plavi spektar svjetlosti i spektar žutog svjetla preklapaju se kako bi formirali bijelu svjetlost. svjetlo.
Kao važan dio industrijskog lanca, high-power LED ambalaža je osnovna proizvodna tehnologija koja promiče praktičnu primjenu rasvjete i prikaza poluvodiča. Samo kroz razvoj niske toplinske otpornosti, visoke svjetlosne učinkovitosti i visoke pouzdanosti LED ambalaže i tehnologije proizvodnje, LED čip je dobro mehanička i električna zaštita, smanjujući utjecaj mehaničkih, električnih, toplinskih, mokrih i drugih vanjskih čimbenika na performanse Čip, kako bi se osiguralo LED Stabilan i pouzdan rad čipa može pružiti učinkovito i kontinuirano visokih performansi rasvjete i prikazati efekte, ostvariti jedinstvenu uštedu energije i dugovječnost prednosti LED, te promicati benigni razvoj cijelog poluvodiča rasvjete i prikazati industrijski lanac. S obzirom na razmatranje tržišnih interesa inozemnih povezanih društava, blokirane su relevantne temeljne tehnologije i oprema. Stoga je hitno potrebno razviti nezavisnu LED tehnologiju za pakiranje velike snage, osobito bijelu LED opremu za pakiranje. Ovaj članak će ukratko predstaviti istraživanje i aplikacijski status visokoučinkovitog LED pakiranja, analizirati i sažeti ključne tehničke probleme u procesu LED pakiranja velike snage, kako bi privukao pozornost domaćih partnera, te nastojati postići autonomiju visokih snaga ključnih tehnologija i opreme. ,
Tehnologija pakiranja igra ključnu ulogu u LED izvedbi. Izbor metoda, materijala, struktura i procesa LED pakiranja prvenstveno je određen čimbenicima kao što su struktura čipova, optoelektronička / mehanička svojstva, specifične primjene i troškovi. Povećanjem snage, posebice razvojem tehnologije poluvodičke rasvjete, postavljeni su novi i veći zahtjevi za optičke, toplinske, električne i mehaničke strukture LED paketa. Kako bi se učinkovito smanjio toplinski otpor paketa i poboljšala učinkovitost svjetla, potrebno je usvojiti novu tehničku ideju za dizajn pakiranja. Iz perspektive kompatibilnosti procesa i smanjenja troškova proizvodnje, dizajn LED paketa treba biti izveden istodobno s dizajnom čipova, tj. Dizajn pakiranja treba uzeti u obzir strukturu paketa i proces. Trenutno, glavni razvojni trendovi u strukturi energetskog LED sklopa su: minijaturizacija veličine, minimiziranje toplinske otpornosti uređaja, planarno krpljenje, maksimalna otpornost temperature spoja, maksimiziranje fluksa jedne svjetiljke; Cilj je povećati svjetlosni tok, učinkovitost svjetla i smanjiti svjetlost. Raspadati, gubiti učinkovitost, poboljšati dosljednost i pouzdanost. Konkretno, ključne tehnologije visokoučinkovite LED ambalaže uključuju: tehnologiju toplinske disperzije, tehnologiju optičkog dizajna, tehnologiju konstrukcijskog projektiranja, tehnologiju oblaganja fosforom i tehnologiju eutektičkog lemljenja.
1, tehnologija hlađenja
Prosječna temperatura čvora LED ne smije prelaziti 120 ° C. Čak i najnoviji uređaji koje su uveli Lumileds, Nichia, CREE, itd., Maksimalna temperatura čvora ne smije prelaziti 1500 ° C. Stoga je učinak toplinskog zračenja LED uređaja u osnovi zanemariv, a provođenje topline i konvekcija glavni su načini rasipanja topline LED-a. U dizajnu disipacije topline, prvo se razmatra provođenje topline, jer se toplina najprije provodi iz modula LED paketa u hladnjak. Zbog toga su vezivni materijal i podloga ključni karika tehnologije LED rasipanja topline.
Materijali za vezanje uglavnom uključuju tri glavna načina termo-vodljivog ljepila, vodljive srebrne paste i lemljenja legure. Toplinski provodljivo ljepilo je vrsta punila s visokom toplinskom vodljivošću koja se dodaje unutar supstrata, kao što su SiC, A1N, A12O3, Si02, itd., Čime se poboljšava njegova provođenje topline; vodljiva srebrna pasta je kompozitni materijal koji nastaje dodavanjem praha srebra u epoksidnu smolu i primjenjuje se stvrdnjavanje paste. Temperatura je općenito niža od 200 ° C, što ima prednosti dobre toplinske provodljivosti i pouzdanog učinka spajanja, ali apsorpcija svjetlosti srebrnom pastom je relativno velika, što rezultira smanjenjem učinkovitosti svjetlosti.
Podloga uglavnom uključuje tri glavna načina keramičke podloge, keramičku podlogu i kompozitnu podlogu. Keramički supstrat je uglavnom LTCC podloga i AIN supstrat. LTCC podloga ima mnoge prednosti kao što su jednostavno oblikovanje, jednostavan postupak, jeftini i jednostavni za izradu različitih oblika. Al i Cu su izvrsni materijali za LED-podloge. Zbog provodljivosti metalnih materijala često je potrebno proći površinsku izolaciju. Anodiziranje kako bi se na površini stvorio tanki izolacijski sloj. Kompoziti metalne matrice uglavnom uključuju kompozitne materijale na bazi Cu i kompozitne materijale na bazi Al. Occhionero i sur. istražili su primjenu AlSiC-a na flip-chips, optoelektronskim uređajima, energetskim uređajima i visokotonskim LED rashladnim hladilima. Dodavanje pirolitičkog grafita u AlSiC također zadovoljava zahtjeve za većim rasipanjem topline. U budućnosti postoji pet glavnih tipova kompozitnih supstrata: monolitni ugljični materijali, kompoziti metalne matrice, kompoziti na bazi polimera, ugljični kompoziti i napredne metalne legure.
Osim toga, sučelje paketa ima veliki utjecaj na toplinski otpor. Ključ za poboljšanje LED paketa je smanjiti toplinsku otpornost sučelja i sučelja te povećati rasipanje topline. Stoga je izbor materijala toplinskog sučelja između čipa i podloge hladnjaka vrlo važan. Korištenje niskotemperaturnog ili eutektičkog lemljenja, paste za lemljenje ili vodljive paste s nano-česticama kao toplinskim materijalom sučelja može uvelike smanjiti toplinski otpor sučelja.
2, tehnologija optičkog dizajna
Optički dizajn LED paketa uključuje unutarnji optički dizajn i vanjski optički dizajn.
Ključ za unutarnji optički dizajn je izbor i primjena ljepila za posipanje. U izboru ljepila za zalijevanje, potrebno je imati visoku prolaznost svjetlosti, visok indeks loma, dobru termičku stabilnost, dobru fluidnost i lako prskanje. Kako bi se poboljšala pouzdanost LED paketa, spoj za zatvaranje također treba imati nisku higroskopnost, niski stres, temperaturu i zaštitu okoliša. Trenutno korišteni spojevi za vezanje uključuju epoksidnu smolu i silikagel. Među njima, silikagel ima visoku transmisiju svjetlosti (visoku prolaznost u vidljivom rasponu od više od 99%), visok indeks loma (1,4 do 1,5), dobru termičku stabilnost (može izdržati visoke temperature od 200 ° C), i mali stres ( Young's modulus) Low), niska higroskopnost (manje od 0,2%), itd., Znatno bolja od epoksidne smole, široko korištena u visokoj snazi LED pakiranja. Međutim, na performanse silikagela uvelike utječe temperatura okoline, što utječe na učinkovitost LED rasvjete i raspodjelu intenziteta svjetlosti. Stoga je potrebno poboljšati postupak pripreme silikagela.
Vanjski optički dizajn odnosi se na konvergenciju i oblikovanje izlazne grede kako bi se formiralo svjetlosno polje s ravnomjernom raspodjelom intenziteta. Uglavnom uključuje dizajn reflektirajućeg koncentratora (primarna optika) i oblikovanje oblikovnih leća (sekundarna optika). Za matrične module, ona također uključuje distribuciju nizova čipova. Obično korišteni objektivi uključuju konveksne leće, konkavne leće, sferna zrcala, Fresnelove leće, kombinirane leće, itd. Način sklapanja leća i LED-ova velike snage može biti hermetičan i polu-hermetičan. Posljednjih godina, s produbljivanjem istraživanja, uzimajući u obzir zahtjeve za integracijom nakon pakiranja, leća koja se koristi za oblikovanje svjetlosnog snopa koristi niz mikrolina, a niz mikrolina može igrati dvodimenzionalnu paralelnu konvergenciju, oblikovanje, kolimaciju itd. staza. Ima prednosti visoke preciznosti usklađivanja, praktične i pouzdane izrade i jednostavnog povezivanja s drugim planarnim uređajima. Istraživanja pokazuju da upotreba difrakcijskih nizova mikrolina umjesto običnih leća ili Fresnelovih mikrolina može značajno poboljšati kvalitetu zraka i povećati intenzitet emitirane svjetlosti. LED-ovi su najperspektivnija nova tehnologija za oblikovanje snopa.
3, LED paket struktura
LED tehnologija pakiranja i struktura su u vodstvu, power paket, čip (SMD), čip-on-board (COB) četiri faze.
(1) Lead LED paket
LED paket za stopala koristi olovne okvire kao pinove za različite vrste paketa. To je prva struktura paketa uspješno razvijena na tržištu. Raznolikost proizvoda je visoka, tehnološka zrelost je visoka, a struktura i reflektirajući sloj unutar paketa i dalje se poboljšavaju. Obično se koristi u strukturi paketa od 3 ~ 5 mm, a obično se koristi za LED pakete s niskom strujom (20 ~ 30mA) i niskom snagom (manje od 0.1W). Uglavnom se koristi za prikaz instrumenata ili indikaciju, a može se koristiti i kao zaslon za integraciju velikih razmjera. Nedostatak je što paket ima veliku toplinsku otpornost (općenito višu od 100K / W) i ima kratak vijek trajanja.
(2) Power LED paket
LED čip i paket razvijeni su u smjeru velike snage. Pod visokom strujom svjetlosni tok je 10-20 puta veći od svjetlosnog snopa 5mm. Da bi se riješio problem slabog raspadanja, moraju se koristiti djelotvorne topline i ne-degradirajući materijali za pakiranje. Stoga su paket i paket također ključni. Tehnologija, LED paketi koji mogu izdržati nekoliko W snage su se pojavili. Bijela, zelena, plava zelena i plava LED dioda snage 5W dostupna su od početka 2003. Bijeli LED izlaz svjetlosti doseže 1871m, učinkovitost svjetla je 44,31 lm / W zeleni problem slabljenja svjetla, a LED koji može izdržati 10W snage razvijen. Cijev; veličina 2.5mm X2.5mm, može raditi na 5A struje, izlaz svjetla do 2001 lm, kao solidan izvor osvjetljenja ima puno prostora za razvoj.
(3) LED paket za površinsku montažu (SMD) (SMD)
Već 2002. godine tržište je postupno prihvaćalo diode za montažu na površinu (SMDLED) i steklo određeni tržišni udio. Od olovnog paketa do SMD-a, usklađen je s trendom razvoja cijele elektroničke industrije, a mnogi su proizvođači uveli takve proizvode.
SMDLED je trenutno najveći tržišni udio na tržištu LED-a. Ova struktura LED paketa koristi postupak injekcijskog prešanja kako bi omotala metalni okvir olova u PPA plastiku i oblikovala reflektorsku šalicu određenog oblika. Metalni olovni okvir se proteže od dna reflektorske čašice do bočne strane uređaja. Igle uređaja su oblikovane izravnavanjem prema van ili prema unutra. Poboljšanu SMDLED strukturu prati bijela LED rasvjeta. Kako bi se povećala potrošnja energije jednog LED uređaja kako bi se povećala svjetlina uređaja, inženjeri su počeli tražiti načine kako smanjiti toplinski otpor SMDLED-a i uveli koncept rashladnog tijela. Ova poboljšana struktura smanjuje visinu izvorne SMDLED strukture. Metalni okvir olova nalazi se izravno na dnu LED uređaja. Reflektirajuća čaša je oblikovana ubrizgavanjem plastike oko metalnog okvira. Čip se nalazi na metalnom okviru. Metalni okvir se lemi izravno kroz pastu za lemljenje. Na pločici sklopa formira se vertikalni kanal za disipaciju topline. Zbog razvoja tehnologije materijala, SMD tehnologija pakiranja je prevladala rane probleme rasipanja topline i vijeka trajanja, a može se koristiti za pakiranje bijelih LED čipova velike snage od 1 ~ 3W.
(4) Paket COB-LED
Paket COB može izravno pakirati više čipova na MCPCB na tiskanoj ploči na bazi metala i izravno raspršiti toplinu kroz podlogu, što ne samo da smanjuje proces proizvodnje i troškove nosača, već također ima prednost smanjenja rasipanja topline. PCB može biti jeftin FR-4 materijal (epoksid ojačan staklenim vlaknima) ili kompozit na bazi metala ili keramike na visokoj toplinskoj vodljivosti (kao što je aluminijska podloga ili keramička podloga obložena bakrom). Vezanje žice može se izvesti termosoničnim lijepljenjem (vezanje zlatne žičane kuglice) pri visokoj temperaturi i ultrazvučnom vezanju pri normalnoj temperaturi (zavarivanje alata za bušenje aluminija). COB tehnologija se uglavnom koristi za LED pakiranje višestrukih čipova velike snage. U usporedbi sa SMD, ne samo da uvelike povećava gustoću snage paketa, već i smanjuje toplinski otpor paketa (općenito 6-12W / m · K).
Iz perspektive troškova i primjene, COB će postati glavni smjer budućeg dizajna rasvjete. LED modul COB paketa ima više LED čipova montiranih na podlogu. Korištenje više čipova ne samo da poboljšava svjetlinu, nego također olakšava racionalnu konfiguraciju LED čipova i smanjuje količinu ulazne struje jednog LED čipa kako bi se osigurala visoka učinkovitost. Osim toga, ovaj površinski izvor svjetla može uvelike proširiti područje disipacije topline pakiranja, tako da se toplina može lakše provesti do vanjskog kućišta. Tradicionalna LED svjetiljka praksa je: LED izvor svjetla diskretni uređaj - MCPCB izvor svjetla modul - LED svjetiljka, uglavnom se temelji na praksi ne koriste odgovarajuće jezgre izvor svjetlosti komponente, ne samo dugotrajan, ali i skupo. U stvari, ako se put "COB izvor svjetla modul - LED lampa", to može uštedjeti rad i vrijeme, a može spremiti troškove pakiranja uređaja.
Ukratko, bilo da se radi o jednom paketu uređaja ili modularnom COB paketu, od male snage do velike snage, struktura LED paketa je dizajnirana oko toga kako smanjiti toplinski otpor uređaja, poboljšati izlaz svjetla i poboljšati pouzdanost.
4, tehnologija oblaganja fosforom
Struktura pretvorbe svjetlosti, tj. Struktura premaza za fosfor, uglavnom je usmjerena na tehnologiju osvjetljavanja LED bijelim svjetlom i ima za cilj pretvoriti svjetlo kraće valne duljine koje emitira LED čip u svjetlo dulje valne duljine koje je komplementarno boji (bijela komplementarni).
Trenutno postoje tri načina za proizvodnju bijelog svjetla pomoću fosfora: plava LED s žutim fosforom; plava LED s crvenim i zelenim fosforom; UV-LED s crvenim, zelenim i plavim fosforima. Među njima su komercijalne bijele LED diode uglavnom s jednim čipom s plavom LED i žutom fosforom. Metoda generiranja bijele svjetlosti plave LED s crvenim i zelenim fosforom iskazana je samo u patentima OSRAM, Lumileds, itd., Ali nije komercijalizirana. Pojavljuju se proizvodi, a način na koji su UV-LED diode kombinirane s trobojnim fosforima još uvijek je u razvoju.