Produção eficiente de instalações avançadasO LED (diodo emissor de luz) tornou-se um ponto de acesso para a concorrência no emergente setor estratégico internacional. Na cadeia da indústria de LED, o upstream inclui materiais de substrato, epitaxia, design e fabricação de chips, o alcance médio abrange tecnologia de embalagem, equipamentos e tecnologia de testes, e a jusante é a exibição de LED, iluminação e aplicações de iluminação. Atualmente, o processo de fósforo LED + amarelo azul é usado principalmente para realizar o LED de alta potência de luz branca, ou seja, um fósforo amarelo YAG (granada de ítrio alumínio) amarelo emitido por uma parte do azul baseado em GaN LED, e outra parte da luz azul é emitida através do fósforo. A luz amarela emitida pelo fósforo amarelo é misturada com a luz azul transmitida para obter luz branca. A luz azul emitida pelo chip LED azul passa através do fósforo amarelo revestido em volta, e o fósforo é excitado por uma parte da luz azul para emitir luz amarela, e o espectro de luz azul e o espectro de luz amarela se sobrepõem para formar branco leve.
Como uma parte importante da cadeia da indústria, a embalagem LED de alta potência é a principal tecnologia de fabricação para promover a aplicação prática da iluminação e da exibição de semicondutores. Apenas através do desenvolvimento de baixa resistência térmica, alta eficiência luminosa e alta confiabilidade LED embalagem e tecnologia de fabricação, o chip LED é bem mecânica e proteção elétrica, reduzindo o impacto de fatores mecânicos, elétricos, térmicos, molhados e outros fatores externos sobre o desempenho de o chip, para garantir LED O trabalho estável e confiável do chip pode fornecer efeitos de iluminação e exibição de alto desempenho eficientes e contínuos, realizar as vantagens exclusivas de economia de energia e longevidade do LED e promover o desenvolvimento benigno de toda a iluminação de semicondutores e exibir cadeia da indústria. Tendo em vista a consideração dos interesses de mercado por empresas estrangeiras relacionadas, as principais tecnologias e equipamentos relevantes são bloqueados. Portanto, é urgente o desenvolvimento de tecnologia independente de embalagem LED de alta potência, especialmente equipamentos de embalagem LED brancos. Este artigo irá apresentar brevemente o status de pesquisa e aplicação de embalagens de LED de alta potência, analisar e resumir as principais questões técnicas no processo de embalagem LED de alta potência, a fim de atrair a atenção dos homólogos nacionais, e se esforçar para alcançar a autonomia de tecnologias e equipamentos de LED de alta potência. .
A tecnologia do processo de embalagem desempenha um papel crucial no desempenho do LED. A escolha dos métodos, materiais, estruturas e processos de embalagem de LED é determinada principalmente por fatores como estrutura de cavacos, características optoeletrônicas / mecânicas, aplicações específicas e custo. Com o aumento da potência, especialmente o desenvolvimento da tecnologia de iluminação de estado sólido, novos e mais elevados requisitos foram propostos para as estruturas ópticas, térmicas, elétricas e mecânicas de pacotes de LED. A fim de reduzir efetivamente a resistência térmica da embalagem e melhorar a eficiência da luz, uma nova ideia técnica deve ser adotada para o projeto da embalagem. Do ponto de vista da compatibilidade do processo e da redução dos custos de produção, o design do pacote LED deve ser executado simultaneamente com o design do chip, ou seja, o design da embalagem deve levar em conta a estrutura e o processo do pacote. Atualmente, as principais tendências de desenvolvimento da estrutura de pacotes de LED de potência são: miniaturização do tamanho, minimização da resistência térmica do dispositivo, correção planar, temperatura de junção máxima suportável, maximização do fluxo de lâmpada única; O objetivo é aumentar o fluxo luminoso, a eficiência da luz e reduzir a luz. Decaimento, perca eficiência, melhore a consistência e a confiabilidade. Especificamente, as principais tecnologias de embalagem de LED de alta potência incluem: tecnologia de dispersão térmica, tecnologia de projeto ótico, tecnologia de projeto estrutural, tecnologia de revestimento de fósforo e tecnologia de solda eutética.
1, tecnologia de refrigeração
A temperatura média do nó do LED não pode exceder 120 ° C. Mesmo os mais recentes dispositivos introduzidos pela Lumileds, Nichia, CREE, etc., a temperatura máxima do nó não pode exceder 1500 ° C. Portanto, o efeito da radiação térmica dos dispositivos de LED é basicamente insignificante, e a condução de calor e convecção são as principais formas de dissipação de calor dos LEDs. No projeto de dissipação de calor, a condução de calor é considerada em primeiro lugar porque o calor é conduzido pela primeira vez do módulo de embalagem LED para o dissipador de calor. Portanto, o material de ligação e o substrato são os principais elos da tecnologia de dissipação de calor por LED.
Os materiais de ligação incluem principalmente três formas principais de cola condutora térmica, pasta de prata condutora e solda de liga. O adesivo condutor térmico é um tipo de enchimento com alta condutividade térmica adicionado ao interior do substrato, como SiC, A1N, A12O3, SiO2, etc, melhorando assim a sua condução de calor; a pasta condutora de prata é um material composto formado pela adição de pó de prata na resina epóxi, e o endurecimento da pasta é aplicado. A temperatura é geralmente inferior a 200 ° C, que tem as vantagens de boa condutividade térmica e desempenho confiável de ligação, mas a absorção de luz pela pasta de prata é relativamente grande, resultando em uma diminuição na eficiência da luz.
O substrato inclui principalmente três modos principais de um substrato de cerâmica, um substrato de cerâmica e um substrato composto. O substrato cerâmico é principalmente um substrato de LTCC e um substrato de AIN. Substrato LTCC tem muitas vantagens, tais como moldagem fácil, processo simples, baixo custo e fácil de fazer várias formas. Al e Cu são excelentes materiais para substratos de embalagem LED. Devido à condutividade dos materiais metálicos, muitas vezes é necessário passar o isolamento da superfície. Anodização para formar uma fina camada isolante na superfície. Os compósitos com matriz de metal incluem principalmente materiais compósitos baseados em Cu e materiais compostos à base de Al. Occhionero et al. explorou a aplicação do AlSiC em flip-chips, dispositivos optoeletrônicos, dispositivos de energia e dissipadores de calor de LED de alta potência. A adição de grafite pirolítico ao AlSiC também atende aos requisitos de maior dissipação de calor. Existem cinco tipos principais de substratos compostos no futuro: materiais carbonosos monolíticos, compósitos com matriz de metal, compostos à base de polímeros, compósitos de carbono e ligas metálicas avançadas.
Além disso, a interface da embalagem tem uma grande influência na resistência térmica. A chave para melhorar o pacote de LEDs é reduzir a interface e a resistência térmica do contato da interface e aumentar a dissipação de calor. Portanto, a escolha do material de interface térmica entre o chip e o substrato do dissipador de calor é muito importante. O uso de baixa temperatura ou solda eutética, pasta de solda ou pasta condutora com nanopartículas como material de interface térmica pode reduzir bastante a resistência térmica da interface.
2, tecnologia de design óptico
O design óptico do pacote LED inclui um design óptico interno e um design óptico externo.
A chave para o design óptico interno é a escolha e aplicação de cola para envasamento. Na escolha da cola para envasamento, é necessário ter alta transmitância de luz, alto índice de refração, boa estabilidade térmica, boa fluidez e fácil pulverização. De modo a melhorar a fiabilidade da embalagem de LED, também é necessário que o composto de encapsulamento tenha baixa higroscopicidade, baixo stress, temperatura e protecção ambiental. Os compostos de envasamento atualmente utilizados incluem resina epóxi e sílica gel. Entre eles, a sílica gel tem alta transmitância de luz (alta transmitância na faixa visível de mais de 99%), alto índice de refração (1,4 a 1,5), boa estabilidade térmica (pode suportar altas temperaturas de 200 ° C) e baixo estresse ( Módulo de Young) Baixo), baixa higroscopicidade (inferior a 0,2%), etc., significativamente melhor do que a resina epóxi, amplamente utilizada em embalagens LED de alta potência. No entanto, o desempenho da sílica gel é bastante afetado pela temperatura ambiente, o que afeta a eficiência da luz LED e a distribuição da intensidade da luz. Portanto, o processo de preparação de sílica gel precisa ser melhorado.
O design óptico externo se refere à convergência e modelagem do feixe de saída para formar um campo de luz com distribuição de intensidade uniforme. Ele inclui principalmente o design do concentrador refletivo (ótica primária) e o design da lente de modelagem (óptica secundária). Para módulos de matriz, também inclui a distribuição de matrizes de chip. As lentes comumente usadas incluem lentes convexas, lentes côncavas, espelhos esféricos, lentes Fresnel, lentes combinadas, etc. O método de montagem de lentes e LEDs de alta potência pode ser hermético e semi-hermético. Nos últimos anos, com o aprofundamento da pesquisa, considerando os requisitos de integração após o empacotamento, a lente usada para modelagem de feixe usa uma matriz de microlentes, e a matriz de microlentes pode reproduzir uma convergência paralela bidimensional, modelagem, colimação, etc. caminho. Tem as vantagens de alta precisão de alinhamento, fabricação conveniente e confiável e fácil acoplamento com outros dispositivos planares. Pesquisas mostram que o uso de matrizes difrativas de microlentes em vez de lentes comuns ou microlentes de Fresnel podem melhorar muito a qualidade do feixe e aumentar a intensidade da luz emitida. Os LEDs são a nova tecnologia mais promissora para modelagem de feixes.
3, estrutura de pacote do diodo emissor de luz
Tecnologia de embalagem LED e estrutura foram na liderança, pacote de potência, chip (SMD), chip-on-board (COB) quatro estágios.
(1) pacote de LED de chumbo
O pacote de pé LED usa quadros de chumbo como pinos para vários tipos de pacote. É a primeira estrutura de pacotes desenvolvida com sucesso no mercado. A variedade de produtos é alta, a maturidade da tecnologia é alta e a estrutura e a camada refletora dentro do pacote ainda estão sendo aprimoradas. Geralmente é usado em uma estrutura de pacote de 3 ~ 5mm e geralmente é usado para pacotes de LED com baixa corrente (20 ~ 30mA) e baixa potência (menor que 0,1W). Ele é usado principalmente para exibição ou indicação de instrumento e também pode ser usado como uma tela de exibição para integração em larga escala. A desvantagem é que o pacote tem uma grande resistência térmica (geralmente superior a 100K / W) e tem uma vida curta.
(2) pacote de LED de energia
O chip LED e o pacote são desenvolvidos na direção de alta potência. Sob a alta corrente, o fluxo luminoso é 10-20 vezes maior que o do LED de Φ5mm. A dissipação de calor eficaz e os materiais de embalagem não degradantes devem ser usados para resolver o problema de queda de luz. Portanto, o pacote e o pacote também são a chave. Tecnologia, pacotes de LED que podem resistir a várias potências W surgiram. 5W série branco, verde, azul verde, azul LEDs de energia estão disponíveis desde o início de 2003. A saída de luz LED branco atinge 1871m, a eficiência da luz é 44,31 lm / W problema de decaimento da luz verde, e o LED que pode suportar 10W de potência é desenvolvido. Tubo; tamanho é de 2.5mm X2.5mm, pode trabalhar a corrente de 5A, saída de luz até 2001 lm, como uma fonte de iluminação sólida tem muito espaço para o desenvolvimento.
(3) Pacote de LED para montagem em superfície (SMD) tipo (SMD)
Já em 2002, os LEDs embalados em superfície (SMDLEDs) foram gradualmente aceitos pelo mercado e ganharam certa participação de mercado. Desde o pacote de chumbo até o SMD, ele seguiu a tendência de desenvolvimento de toda a indústria de eletrônicos, e muitos fabricantes introduziram esses produtos.
A SMDLED é atualmente a maior participação de mercado de embalagens no mercado de LED. Esta estrutura de embalagem LED utiliza um processo de moldagem por injeção para envolver a armação de chumbo de metal em plástico PPA e formar um copo refletor de uma forma específica. A estrutura de chumbo de metal se estende da parte inferior do copo refletor para o lado do dispositivo. Os pinos do dispositivo são formados pelo achatamento para fora ou para dentro. A estrutura SMDLED melhorada é acompanhada pela tecnologia de iluminação LED branca. A fim de aumentar o consumo de energia de um único dispositivo de LED para aumentar o brilho do dispositivo, os engenheiros começaram a encontrar maneiras de reduzir a resistência térmica do SMDLED e introduziram o conceito de dissipador de calor. Essa estrutura aprimorada reduz a altura da estrutura SMDLED original. O quadro de chumbo de metal é colocado diretamente na parte inferior do dispositivo de LED. O copo refletivo é formado pela injeção de plástico ao redor da armação de metal. O chip é colocado na armação de metal. A estrutura de metal é soldada diretamente através da pasta de solda. Um canal de dissipação de calor vertical é formado na placa de circuito. Devido ao desenvolvimento da tecnologia de materiais, a tecnologia de embalagem SMD superou os problemas iniciais de dissipação de calor e vida útil, e pode ser usada para empacotar chips de LED de alta potência de 1 ~ 3W.
(4) pacote COB-LED
O pacote COB pode embalar diretamente vários chips na placa de circuito impresso MCPCB e dissipar diretamente o calor através do substrato, o que não apenas reduz o processo de fabricação e o custo do suporte, mas também tem a vantagem de reduzir a dissipação de calor. O PCB pode ser um material FR-4 de baixo custo (epóxi reforçado com fibra de vidro) ou um compósito à base de metal ou de cerâmica de alta condutividade térmica (como um substrato de alumínio ou um substrato de cerâmica revestido com cobre). A ligação do fio pode ser realizada por ligação termossónica (ligação de esferas de fio de ouro) a alta temperatura e ligação ultra-sónica a uma temperatura normal (soldadura de ferramenta de perfuração de alumínio). A tecnologia COB é usada principalmente para embalagens LED de matrizes multipack de alta potência. Comparado com o SMD, aumenta não somente a densidade de poder do pacote, mas reduz também a resistência térmica do pacote (geralmente 6-12W / m · K).
Do ponto de vista de custo e aplicação, o COB se tornará a direção principal do futuro projeto de iluminação. O módulo LED do pacote COB possui uma pluralidade de chips de LED montados no substrato. O uso de vários chips não apenas melhora o brilho, mas também facilita a configuração racional dos chips de LED e reduz a quantidade de corrente de entrada de um único chip LED para garantir alta eficiência. Além disso, esta fonte de luz de superfície pode expandir grandemente a área de dissipação de calor da embalagem, para que o calor possa ser mais facilmente conduzido para o invólucro externo. A prática tradicional de luminárias LED é: Dispositivo discreto de fonte de luz LED - Módulo de fonte de luz MCPCB - Luminária LED, baseada principalmente na prática de não usar os componentes de fonte de luz do núcleo aplicáveis, não apenas demorada, mas também onerosa. Na verdade, se você tomar a rota de "módulo de fonte de luz COB - lâmpada LED", pode economizar mão de obra e tempo, e pode economizar o custo da embalagem do dispositivo.
Em resumo, seja um pacote de dispositivo único ou um pacote de COB modular, de baixa potência a alta potência, a estrutura de pacote de LEDs é projetada em torno de como reduzir a resistência térmica do dispositivo, melhorar a saída de luz e melhorar a confiabilidade.
4, tecnologia de revestimento de fósforo
A estrutura de conversão de luz, ou seja, a estrutura de revestimento de fósforo, é direcionada principalmente para a tecnologia de iluminação LED branca e tem como objetivo converter a luz de comprimento de onda menor emitida pelo LED em uma luz de comprimento de onda mais longa. complementar).
Atualmente, existem três maneiras de produzir luz branca usando o fósforo: LED azul com fósforo amarelo; LED azul com fósforo vermelho e verde; LED UV com fósforo vermelho, verde e azul. Entre eles, os LEDs brancos comerciais são em sua maioria do tipo single-chip com LED azul e fósforo amarelo. O método de geração de luz branca do LED azul com fósforo vermelho e verde é relatado apenas nas patentes da OSRAM, Lumileds, etc., mas não foi comercializado. Os produtos aparecem e o modo como os LEDs UV são combinados com fósforos de três cores ainda está em desenvolvimento.