Передовые мощности Эффективное производствоСветодиод (светодиод) стал горячей точкой для конкуренции в формирующейся международной стратегической отрасли. В цепочке производства светодиодов восходящий поток включает в себя материалы подложки, эпитаксию, разработку и изготовление микросхем, средний охват охватывает технологии упаковки, оборудование и технологии тестирования, а последующие - светодиодные дисплеи, освещение и осветительные приборы. В настоящее время процесс синего светодиода + желтый люминофор в основном используется для реализации мощного светодиода белого света, то есть желтый светоизлучающий YAG (иттрий-алюминиевый гранат) желтый люминофор излучается частью синего на основе GaN Светодиод, а другая часть синего света излучается через люминофор. Желтый свет, излучаемый желтым люминофором, смешивается с пропущенным синим светом для получения белого света. Синий свет, излучаемый микросхемой синего светодиода, проходит через желтый люминофор, покрытый вокруг него, и часть синего света возбуждается излучением желтого света, а спектр синего света и спектр желтого света перекрывают друг друга, образуя белый свет.
Являясь важной частью производственной цепочки, мощная светодиодная упаковка является основной производственной технологией, способствующей практическому применению полупроводникового освещения и дисплеев. Только благодаря низкому тепловому сопротивлению, высокой световой отдаче и высокой надежности светодиодной упаковки и технологии производства, светодиодная микросхема обеспечивает надежную механическую и электрическую защиту, уменьшая влияние механических, электрических, тепловых, влажных и других внешних факторов на производительность микросхема для обеспечения светодиода Стабильная и надежная работа микросхемы может обеспечить эффективные и непрерывные высокоэффективные эффекты освещения и отображения, реализовать уникальные энергосберегающие и долговечные преимущества светодиодов и способствовать безболезненному развитию всего полупроводникового освещения и показать отраслевую цепочку. Ввиду учета интересов рынка со стороны иностранных компаний соответствующие основные технологии и оборудование заблокированы. Поэтому необходимо разработать независимую технологию упаковки мощных светодиодов, особенно оборудование для упаковки белых светодиодов. Эта статья кратко расскажет об исследованиях и состоянии применения мощной светодиодной упаковки, проанализирует и обобщит ключевые технические проблемы в процессе производства мощной светодиодной упаковки, чтобы привлечь внимание отечественных аналогов и стремиться к достижению автономии. мощных светодиодных ключевых технологий и оборудования. ,
Технология упаковочного процесса играет решающую роль в производительности светодиодов. Выбор методов, материалов, конструкций и процессов упаковки светодиодов в первую очередь определяется такими факторами, как структура чипа, оптоэлектронные / механические характеристики, конкретные применения и стоимость. С увеличением мощности, особенно с развитием технологии твердотельного освещения, предъявляются новые и более высокие требования к оптическим, тепловым, электрическим и механическим конструкциям светодиодных пакетов. Чтобы эффективно снизить тепловое сопротивление упаковки и повысить световую эффективность, необходимо разработать новую техническую идею для дизайна упаковки. С точки зрения совместимости процесса и снижения производственных затрат, дизайн светодиодной упаковки должен осуществляться одновременно с конструкцией чипа, то есть дизайн упаковки должен учитывать структуру и процесс упаковки. В настоящее время основными тенденциями развития структуры силовых светодиодных пакетов являются: миниатюризация размеров, минимизация теплового сопротивления устройства, планарное исправление, максимальная температура выдерживаемого перехода, максимизация потока одной лампы; Цель состоит в том, чтобы увеличить световой поток, эффективность освещения и уменьшить свет. Распад, потеря эффективности, улучшение согласованности и надежности. В частности, ключевыми технологиями мощной светодиодной упаковки являются: технология термодисперсии, технология оптического проектирования, технология структурного проектирования, технология покрытия люминофором и технология эвтектической пайки.
1, технология охлаждения
Средняя температура светодиодного узла не может превышать 120 ° C. Даже в новейших устройствах, представленных Lumileds, Nichia, CREE и т. Д., Максимальная температура узла не может превышать 1500 ° C. Поэтому эффект теплового излучения светодиодных устройств в основном незначителен, а теплопроводность и конвекция являются основными способами рассеивания тепла светодиодами. В конструкции рассеивания тепла сначала учитывается теплопроводность, поскольку сначала тепло отводится от модуля блока светодиодов к радиатору. Следовательно, связующий материал и подложка являются ключевыми звеньями технологии рассеивания тепла светодиодами.
Связующие материалы в основном включают три основных способа теплопроводного клея, проводящую серебряную пасту и припой сплава. Теплопроводящий адгезив представляет собой разновидность наполнителя с высокой теплопроводностью, добавляемого внутрь подложки, такого как SiC, A1N, A12O3, SiO2 и т. Д., Тем самым улучшая его теплопроводность; проводящая серебряная паста представляет собой композитный материал, сформированный путем добавления серебряного порошка в эпоксидную смолу, и применяется отверждение пасты. Температура обычно ниже, чем 200 ° C, что имеет преимущества хорошей теплопроводности и надежного сцепления, но поглощение света серебряной пастой относительно велико, что приводит к снижению светоотдачи.
Подложка в основном включает три основных режима: керамическая подложка, керамическая подложка и композитная подложка. Керамическая подложка в основном представляет собой подложку LTCC и подложку AIN. Подложка LTCC имеет много преимуществ, таких как простота формования, простой процесс, низкая стоимость и легкость изготовления различных форм. Al и Cu являются отличными материалами для светодиодных пакетов. Из-за проводимости металлических материалов часто бывает необходимо пройти поверхностную изоляцию. Анодирование для формирования тонкого изоляционного слоя на поверхности. Композиты с металлической матрицей в основном включают композитные материалы на основе меди и композитные материалы на основе алюминия. Occhionero et al. исследовал применение AlSiC на флип-чипах, оптоэлектронных устройствах, силовых устройствах и мощных светодиодных радиаторах. Добавление пиролитического графита в AlSiC также отвечает требованиям для более высокой теплоотдачи. В будущем существует пять основных типов композитных подложек: монолитные углеродистые материалы, композиты с металлической матрицей, композиты на полимерной основе, углеродные композиты и современные металлические сплавы.
Кроме того, интерфейс пакета оказывает большое влияние на тепловое сопротивление. Ключом к совершенствованию пакета светодиодов является снижение теплового сопротивления интерфейса и контакта интерфейса и повышение тепловыделения. Таким образом, выбор материала термоинтерфейса между микросхемой и подложкой радиатора очень важен. Использование низкотемпературного или эвтектического припоя, паяльной пасты или проводящей пасты с наночастицами в качестве материала для теплового интерфейса может значительно снизить тепловое сопротивление поверхности раздела.
2, технология оптического дизайна
Оптическая конструкция светодиодной упаковки включает в себя внутреннюю оптическую конструкцию и внешнюю оптическую конструкцию.
Ключом к внутреннему оптическому дизайну является выбор и применение заливочного клея. При выборе заливочного клея требуется высокий коэффициент пропускания света, высокий показатель преломления, хорошая термостойкость, хорошая текучесть и легкое распыление. Чтобы повысить надежность светодиодной упаковки, заливочный состав также должен обладать низкой гигроскопичностью, низким напряжением, температурой и защитой окружающей среды. Используемые в настоящее время заливочные смеси включают эпоксидную смолу и силикагель. Среди них силикагель имеет высокий коэффициент пропускания света (высокий коэффициент пропускания в видимом диапазоне более 99%), высокий показатель преломления (от 1,4 до 1,5), хорошую термостойкость (выдерживает высокие температуры 200 ° C) и низкое напряжение ( Модуль Юнга) Низкий), низкая гигроскопичность (менее 0,2%) и т. Д., Значительно лучше, чем у эпоксидной смолы, широко используемой в мощных светодиодных упаковках. Однако на производительность силикагеля сильно влияет температура окружающей среды, которая влияет на эффективность светодиодного освещения и распределение интенсивности света. Следовательно, процесс приготовления силикагеля должен быть улучшен.
Внешний оптический дизайн относится к сходимости и формированию выходящего луча для формирования светового поля с равномерным распределением интенсивности. Он в основном включает в себя конструкцию отражательного концентратора (первичная оптика) и форму линз с формированием (вторичная оптика). Для модулей массива это также включает распределение чиповых массивов. Обычно используемые линзы включают в себя выпуклые линзы, вогнутые линзы, сферические зеркала, линзы Френеля, комбинированные линзы и т. Д. Метод сборки линз и мощных светодиодов может быть воздухонепроницаемым и полугерметичным. В последние годы, с углублением исследований, с учетом требований к интеграции после упаковки, линза, используемая для формирования луча, использует матрицу микролинз, а матрица микролинз может воспроизводить двумерную параллельную конвергенцию, формирование, коллимацию и т. Д. В оптических системах. дорожка. Он обладает преимуществами высокой точности центровки, удобного и надежного изготовления и легкого соединения с другими плоскими устройствами. Исследования показывают, что использование дифракционных матриц с микролинзами вместо обычных линз или микролинз Френеля может значительно улучшить качество луча и повысить интенсивность излучаемого света. Светодиоды являются наиболее перспективной новой технологией формирования луча.
3, структура пакета СИД
Технология и структура светодиодной упаковки были в четырех этапах: лидерство, блок питания, чип (SMD), чип на плате (COB).
(1) Ведущий светодиодный пакет
В светодиодном корпусе для ног используются свинцовые рамки в качестве штифтов для различных типов упаковки. Это первая структура пакета, успешно разработанная на рынке. Разнообразие продуктов велико, технологическая зрелость высока, а структура и отражающий слой внутри упаковки все еще улучшаются. Он обычно используется в корпусной структуре размером 3 ~ 5 мм и обычно используется для светодиодных пакетов с низким током (20 ~ 30 мА) и малой мощностью (менее 0,1 Вт). Он в основном используется для отображения или индикации прибора, а также может использоваться в качестве экрана дисплея для крупномасштабной интеграции. Недостатком является то, что упаковка имеет большое термическое сопротивление (как правило, выше 100 К / Вт) и имеет короткий срок службы.
(2) силовой светодиодный пакет
Светодиодный чип и корпус разработаны в направлении высокой мощности. При высоком токе световой поток в 10-20 раз больше, чем у светодиода 5 мм. Эффективное рассеивание тепла и не разрушающие упаковочные материалы должны использоваться для решения проблемы легкого распада. Таким образом, пакет и пакет также являются ключом. Появились технологии, светодиодные пакеты, способные выдерживать мощность в несколько Вт. С начала 2003 года доступны белые, зеленые, сине-зеленые, синие светодиоды мощностью 5 Вт. Выходная мощность белого светодиода достигает 1871 м, светоотдача составляет 44,31 лм / Вт, проблема с затуханием зеленого света и светодиод, способный выдерживать мощность 10 Вт. разработан. Tube; размер 2,5 мм х 2,5 мм, может работать при токе 5 А, световой поток до 2001 лм, так как твердотельный источник освещения имеет много возможностей для развития.
(3) Комплект светодиодов для поверхностного монтажа (SMD)
Уже в 2002 году упакованные светодиоды для поверхностного монтажа (SMDLED) были постепенно приняты рынком и завоевали определенную долю рынка. От свинцовой упаковки до SMD она соответствовала тенденции развития всей электронной промышленности, и многие производители представили такие продукты.
SMDLED в настоящее время является самой большой долей рынка упаковки на рынке светодиодов. В этой светодиодной конструкции используется процесс литья под давлением, чтобы обернуть металлическую свинцовую раму пластиком PPA и сформировать чашку отражателя определенной формы. Металлическая свинцовая рама проходит от нижней части чашки отражателя к боковой части устройства. Штыри устройства образованы путем сплющивания наружу или внутрь. Улучшенная структура SMDLED сопровождается технологией освещения белым светодиодом. Чтобы увеличить энергопотребление одного светодиодного устройства для увеличения яркости устройства, инженеры начали искать способы уменьшения теплового сопротивления SMDLED и представили концепцию теплоотвода. Эта улучшенная структура уменьшает высоту исходной структуры SMDLED. Металлическая свинцовая рама расположена прямо на дне светодиодного устройства. Светоотражающая чашка формируется путем введения пластика вокруг металлического каркаса. Чип размещен на металлическом каркасе. Металлический каркас спаян прямо через паяльную пасту. Вертикальный канал отвода тепла сформирован на плате. Благодаря развитию технологии материалов технология упаковки SMD преодолела ранние проблемы рассеивания тепла и срока службы и может использоваться для упаковки мощных белых светодиодных чипов мощностью от 1 до 3 Вт.
(4) COB-светодиодная упаковка
Упаковка COB может непосредственно упаковывать несколько микросхем на печатной плате на основе металла MCPCB и непосредственно рассеивать тепло через подложку, что не только снижает производственный процесс и стоимость кронштейна, но также имеет преимущество в уменьшении рассеивания тепла. PCB может представлять собой недорогой материал FR-4 (эпоксидная смола, армированная стекловолокном) или композит на основе металла или керамики с высокой теплопроводностью (такой как алюминиевая подложка или керамическая подложка с медным покрытием). Склеивание проволоки может быть выполнено с помощью термосонного склеивания (склеивание шариков из золотой проволоки) при высокой температуре и ультразвукового склеивания при нормальной температуре (сварка инструмента для расточки алюминия). Технология COB в основном используется для светодиодной упаковки мощных многочиповых массивов. По сравнению с SMD, это не только значительно увеличивает удельную мощность пакета, но также уменьшает тепловое сопротивление пакета (обычно 6-12 Вт / м · К).
С точки зрения стоимости и применения, COB станет основным направлением будущего дизайна освещения. Модуль СИД пакета COB имеет множество светодиодных чипов, установленных на подложке. Использование нескольких микросхем не только улучшает яркость, но также облегчает рациональную конфигурацию светодиодных микросхем и уменьшает величину входного тока одного светодиодного чипа для обеспечения высокой эффективности. Кроме того, этот поверхностный источник света может значительно расширить область рассеивания тепла упаковки, так что тепло легче переносится к внешнему корпусу. Традиционная практика использования светодиодных светильников заключается в следующем: дискретное устройство со светодиодным источником света - модуль источника света MCPCB - светодиодный светильник, в основном основанный на практике неиспользования основных компонентов источника света, не только трудоемких, но и дорогостоящих. Фактически, если вы выберете маршрут «Модуль источника света COB - светодиодная лампа», это может сэкономить трудозатраты и время, а также сэкономить на упаковке устройства.
Короче говоря, будь то отдельный блок устройства или модульный пакет COB, от малой мощности до высокой мощности, структура пакета светодиодов разработана таким образом, чтобы уменьшить тепловое сопротивление устройства, улучшить светоотдачу и повысить надежность.
4, технология покрытия люминофора
Структура преобразования света, то есть структура покрытия люминофором, в основном направлена на технологию освещения белым светом LED и предназначена для преобразования света с более короткой длиной волны, излучаемого светодиодным чипом, в свет с большей длиной волны, дополняющий дополнительный цвет (белый цвет). дополняют друг друга).
В настоящее время существует три способа получения белого света с использованием люминофора: синий светодиод с желтым люминофором; синий светодиод с красным и зеленым люминофором; УФ-светодиод с красным, зеленым и синим люминофором. Среди них коммерческие белые светодиоды в основном однокристальные с синим светодиодом и желтым люминофором. Метод генерации белого света синего светодиода с красным и зеленым люминофором описан только в патентах OSRAM, Lumileds и т. Д., Но он не был реализован на рынке. Появляются продукты, и способ комбинирования УФ-светодиодов с трехцветными люминофорами все еще находится в стадии разработки.