Strutture avanzate Produzione efficienteIl LED (diodo ad emissione luminosa) è diventato un punto caldo per la concorrenza nell'industria emergente internazionale strategica. Nella catena del settore dei LED, l'upstream comprende materiali di substrato, epitassia, progettazione e produzione dei chip, tecnologia di confezionamento dei coperchi intermedi, apparecchiature e tecnologia di collaudo, mentre a valle sono le applicazioni di display, illuminazione e illuminazione a LED. Allo stato attuale, il processo blu LED + fosforo giallo viene utilizzato principalmente per realizzare il LED ad alta potenza a luce bianca, ovvero un fosforo giallo YAG (granato di alluminio yttrium) emettente luce gialla viene emesso da una parte del blu a base di GaN LED e un'altra parte della luce blu viene emessa attraverso il fosforo. La luce gialla emessa dal fosforo giallo viene miscelata con la luce blu trasmessa per ottenere luce bianca. La luce blu emessa dal chip LED blu passa attraverso il fosforo giallo rivestito intorno ad esso, e il fosforo viene eccitato da una parte di luce blu per emettere luce gialla, e lo spettro della luce blu e lo spettro della luce gialla si sovrappongono l'un l'altro per formare il bianco luce.
Come una parte importante della catena del settore, l'imballaggio LED ad alta potenza è la tecnologia di produzione principale per promuovere l'applicazione pratica dell'illuminazione e dell'esposizione dei semiconduttori. Solo attraverso lo sviluppo di bassa resistenza termica, alta efficienza luminosa e alta affidabilità della tecnologia di confezionamento e produzione a LED, il chip LED è ben meccanico e protezione elettrica, riducendo l'impatto di fattori meccanici, elettrici, termici, bagnati e altri fattori esterni sulle prestazioni di il chip, per garantire il LED Il lavoro stabile e affidabile del chip può fornire effetti di illuminazione e display efficienti e continui ad alte prestazioni, realizzare i vantaggi unici del risparmio energetico e della longevità dei LED e promuovere lo sviluppo positivo dell'intera illuminazione dei semiconduttori e visualizzare la catena del settore. In considerazione della considerazione degli interessi di mercato da parte di società estere collegate, le tecnologie e le attrezzature principali sono bloccate. Pertanto, è urgente sviluppare tecnologie di imballaggio LED ad alta potenza indipendenti, in particolare apparecchiature di imballaggio a LED bianche. Questo articolo introdurrà brevemente lo stato della ricerca e dell'applicazione del packaging LED ad alta potenza, analizzerà e riassumerà le principali questioni tecniche nel processo di confezionamento LED ad alta potenza, al fine di attirare l'attenzione delle controparti nazionali e si adopererà per raggiungere l'autonomia di tecnologie e apparecchiature chiave LED ad alta potenza. .
La tecnologia dei processi di imballaggio gioca un ruolo cruciale nelle prestazioni dei LED. La scelta dei metodi, dei materiali, delle strutture e dei processi di imballaggio dei LED è determinata principalmente da fattori quali struttura del chip, caratteristiche optoelettroniche / meccaniche, applicazioni specifiche e costi. Con l'aumento della potenza, in particolare lo sviluppo della tecnologia di illuminazione a stato solido, sono state avanzate nuove e più elevate esigenze per le strutture ottiche, termiche, elettriche e meccaniche dei pacchetti LED. Per ridurre efficacemente la resistenza termica della confezione e migliorare l'efficienza luminosa, è necessario adottare una nuova idea tecnica per il design della confezione. Dal punto di vista della compatibilità dei processi e della riduzione dei costi di produzione, il design del pacchetto LED deve essere eseguito contemporaneamente al design del chip, ovvero la progettazione del pacchetto deve tenere conto della struttura e del processo del pacchetto. Attualmente, le principali tendenze di sviluppo della struttura del pacchetto LED di potenza sono: miniaturizzazione delle dimensioni, riduzione della resistenza termica del dispositivo, patching planare, massima temperatura di giunzione, massimizzazione del flusso della singola lampada; l'obiettivo è aumentare il flusso luminoso, l'efficienza della luce e ridurre la luce. Decadimento, perdita di efficienza, miglioramento della coerenza e affidabilità. Nello specifico, le tecnologie chiave del packaging LED ad alta potenza includono: tecnologia di dispersione termica, tecnologia di progettazione ottica, tecnologia di progettazione strutturale, tecnologia di rivestimento con fosforo e tecnologia di saldatura eutettica.
1, tecnologia di raffreddamento
La temperatura media del nodo del LED non può superare i 120 ° C. Anche gli ultimi dispositivi introdotti da Lumileds, Nichia, CREE, ecc., La temperatura massima del nodo non possono superare i 1500 ° C. Pertanto, l'effetto delle radiazioni termiche dei dispositivi LED è sostanzialmente trascurabile e la conduzione e la convezione del calore sono le principali modalità di dissipazione del calore dei LED. Nel progetto di dissipazione del calore, la conduzione del calore viene prima considerata poiché il calore viene prima condotto dal modulo del pacchetto LED al dissipatore di calore. Pertanto, il materiale adesivo e il substrato sono i collegamenti chiave della tecnologia di dissipazione del calore dei LED.
I materiali di unione includono principalmente tre modi principali di colla termoconduttiva, pasta d'argento conduttiva e lega di saldatura. L'adesivo termoconduttivo è un tipo di riempitivo con elevata conduttività termica aggiunto all'interno del substrato, come SiC, A1N, A12O3, SiO2, ecc., Migliorando così la sua conduzione del calore; la pasta d'argento conduttiva è un materiale composito formato aggiungendo polvere d'argento nella resina epossidica e viene applicato l'indurimento della pasta. La temperatura è generalmente inferiore a 200 ° C, che presenta i vantaggi di una buona conduttività termica e prestazioni di incollaggio affidabili, ma l'assorbimento della luce da parte della pasta d'argento è relativamente grande, con conseguente riduzione dell'efficienza luminosa.
Il substrato comprende principalmente tre modalità principali di un substrato ceramico, un substrato ceramico e un substrato composito. Il substrato ceramico è principalmente un substrato LTCC e un substrato AIN. Il substrato LTCC presenta molti vantaggi, come la facilità di stampaggio, il processo semplice, il basso costo e la facilità di realizzare varie forme. Al e Cu sono materiali eccellenti per i substrati dei pacchetti LED. A causa della conducibilità dei materiali metallici, è spesso necessario passare l'isolamento superficiale. Anodizzazione per formare uno strato isolante sottile sulla superficie. I materiali compositi a matrice metallica includono principalmente materiali compositi a base di Cu e materiali compositi a base di alluminio. Occhionero et al. ha esplorato l'applicazione di AlSiC su flip-chip, dispositivi optoelettronici, dispositivi di alimentazione e dissipatori di calore LED ad alta potenza. L'aggiunta di grafite pirolitica ad AlSiC soddisfa anche i requisiti per una maggiore dissipazione del calore. Ci sono cinque tipi principali di substrati compositi in futuro: materiali carboniosi monolitici, materiali compositi a matrice metallica, materiali compositi a base di polimeri, composti di carbonio e leghe di metallo avanzate.
Inoltre, l'interfaccia del pacchetto ha una grande influenza sulla resistenza termica. La chiave per migliorare il pacchetto LED è ridurre l'interfaccia e la resistenza termica del contatto di interfaccia e migliorare la dissipazione del calore. Pertanto, la scelta del materiale di interfaccia termica tra il chip e il substrato del dissipatore di calore è molto importante. L'uso di saldature a bassa temperatura o eutettiche, paste saldanti o paste conduttive con nanoparticelle come materiale di interfaccia termica può ridurre notevolmente la resistenza termica dell'interfaccia.
2, tecnologia di progettazione ottica
Il design ottico del pacchetto LED include un design ottico interno e un design ottico esterno.
La chiave del design ottico interno è la scelta e l'applicazione della colla da invasatura. Nella scelta della colla per invasatura, è necessario avere un'elevata trasmissione luminosa, un alto indice di rifrazione, una buona stabilità termica, una buona fluidità e una facile irrorazione. Al fine di migliorare l'affidabilità del pacchetto di LED, il composto di invasatura deve anche avere bassa igroscopicità, basso stress, temperatura e protezione ambientale. Composti di invasatura attualmente utilizzati comprendono resina epossidica e gel di silice. Tra questi, il gel di silice ha un'elevata trasmissione luminosa (alta trasmittanza nell'intervallo visibile superiore al 99%), alto indice di rifrazione (da 1,4 a 1,5), buona stabilità termica (può resistere a temperature elevate di 200 ° C) e basso stress ( Modulo di Young) Basso), bassa igroscopicità (meno dello 0,2%), ecc., Significativamente migliore della resina epossidica, ampiamente utilizzata nella confezione LED ad alta potenza. Tuttavia, le prestazioni del gel di silice sono fortemente influenzate dalla temperatura ambiente, che influisce sull'efficienza luminosa dei LED e sulla distribuzione dell'intensità luminosa. Pertanto, il processo di preparazione del gel di silice deve essere migliorato.
Il design ottico esterno si riferisce alla convergenza e alla sagomatura del fascio in uscita per formare un campo luminoso con distribuzione uniforme dell'intensità. Include principalmente il design del concentratore riflettente (ottica primaria) e il design della lente di sagomatura (ottica secondaria). Per i moduli array, include anche la distribuzione di array di chip. Gli obiettivi comunemente usati includono lenti convesse, lenti concave, specchi sferici, lenti di Fresnel, lenti combinate, ecc. Il metodo di assemblaggio di lenti e LED ad alta potenza può essere ermetico e semiermetico. Negli ultimi anni, con l'approfondimento della ricerca, considerando i requisiti di integrazione dopo il confezionamento, l'obiettivo utilizzato per il beam shaping utilizza un array di microlens e l'array di microlenti può riprodurre una convergenza parallela bidimensionale, modellatura, collimazione, ecc. sentiero. Presenta i vantaggi di una precisione di allineamento elevata, una fabbricazione comoda e affidabile e un facile accoppiamento con altri dispositivi planari. La ricerca mostra che l'uso di matrici di microlenti diffrattive anziché di lenti ordinarie o di microlenti di Fresnel può migliorare notevolmente la qualità del fascio e aumentare l'intensità della luce emessa. I LED sono la nuova tecnologia più promettente per la modellazione del raggio.
3, struttura del pacchetto LED
La tecnologia e la struttura degli imballaggi a LED sono state in quattro fasi principali, power package, chip (SMD) e chip-on-board (COB).
(1) Pacchetto LED di piombo
Il pacchetto di piedini a LED utilizza telai di piombo come piedini per vari tipi di pacco. È la prima struttura del pacchetto sviluppata con successo sul mercato. La varietà di prodotti è elevata, la maturità tecnologica è elevata e la struttura e lo strato riflettente all'interno del pacchetto sono ancora in fase di miglioramento. Viene solitamente utilizzato in una struttura di package da 3 ~ 5 mm ed è generalmente utilizzato per pacchetti LED con bassa corrente (20 ~ 30 mA) e bassa potenza (inferiore a 0,1 W). Viene utilizzato principalmente per la visualizzazione o l'indicazione di strumenti e può anche essere utilizzato come schermo di visualizzazione per l'integrazione su larga scala. Lo svantaggio è che il pacchetto ha una grande resistenza termica (generalmente superiore a 100 K / W) e ha una vita breve.
(2) Pacchetto LED di alimentazione
Il chip e il pacchetto LED sono sviluppati in direzione dell'alta potenza. Sotto l'alta corrente, il flusso luminoso è 10-20 volte più grande di quello del LED Φ5mm. Per risolvere il problema della carie luminosa, è necessario utilizzare materiali di imballaggio efficaci per la dissipazione del calore e non degradanti. Pertanto, il pacchetto e il pacchetto sono anche la chiave. Tecnologia, pacchetti LED in grado di sopportare diversi W di potenza sono emersi. I LED di potenza bianchi, verdi, blu verdi e blu della serie 5W sono disponibili dall'inizio del 2003. L'emissione luminosa a LED bianchi raggiunge i 1871 m, l'efficienza luminosa è 44,31 lm / W problema di decadimento della luce verde e il LED che può resistere a 10 W di potenza è sviluppato. Tubo; la dimensione è 2.5mm X2.5mm, può funzionare con corrente 5A, resa luminosa fino a 2001 lm, poiché una fonte di illuminazione solida ha molto spazio per lo sviluppo.
(3) Pacchetto LED SMD (Surface Mount) (SMD)
Già nel 2002, i LED confezionati a montaggio superficiale (SMDLED) sono stati gradualmente accettati dal mercato e hanno guadagnato una certa quota di mercato. Dal pacchetto principale a SMD, è conforme alla tendenza di sviluppo dell'intera industria dell'elettronica e molti produttori hanno introdotto tali prodotti.
SMDLED è attualmente la più alta quota di mercato del packaging nel mercato dei LED. Questa struttura a pacchetto LED utilizza un processo di stampaggio a iniezione per avvolgere il telaio in piombo in plastica PPA e formare una coppa riflettore di una forma specifica. Il telaio in piombo metallico si estende dalla parte inferiore della tazza del riflettore fino al lato del dispositivo. I perni del dispositivo sono formati appiattendo verso l'esterno o verso l'interno. La struttura SMDLED migliorata è accompagnata dalla tecnologia di illuminazione a LED bianchi. Al fine di aumentare il consumo energetico di un singolo dispositivo LED per aumentare la luminosità del dispositivo, gli ingegneri hanno iniziato a trovare modi per ridurre la resistenza termica di SMDLED e ha introdotto il concetto di dissipatore di calore. Questa struttura migliorata riduce l'altezza della struttura SMDLED originale. Il telaio in piombo metallico è posizionato direttamente sul fondo del dispositivo LED. La coppa riflettente è formata iniettando plastica attorno al telaio metallico. Il chip è posizionato sul telaio metallico. Il telaio metallico viene saldato direttamente attraverso la pasta saldante. Un canale di dissipazione del calore verticale è formato sul circuito stampato. Grazie allo sviluppo della tecnologia dei materiali, la tecnologia di confezionamento SMD ha superato i primi problemi di dissipazione del calore e durata e può essere utilizzata per confezionare chip LED bianchi ad alta potenza da 1 ~ 3W.
(4) Pacchetto COB-LED
Il pacchetto COB può impacchettare direttamente più chip sul circuito stampato MCPCB a base metallica e dissipare direttamente il calore attraverso il substrato, che non solo riduce il processo di fabbricazione e il costo della staffa, ma ha anche il vantaggio di ridurre la dissipazione del calore. Il PCB può essere un materiale FR-4 a basso costo (resina epossidica rinforzata con fibra di vetro) o un composito a base di metallo o ceramica ad alta conduttività termica (come un substrato di alluminio o un substrato ceramico rivestito di rame). L'incollaggio del filo può essere eseguito mediante incollaggio termosonico (legame a sfere in filo d'oro) ad alta temperatura e saldatura ad ultrasuoni a temperatura normale (saldatura di utensili per alesatura in alluminio). La tecnologia COB viene principalmente utilizzata per il confezionamento di LED di array multi-chip ad alta potenza. Rispetto a SMD, non solo aumenta notevolmente la densità di potenza del pacco, ma riduce anche la resistenza termica del pacco (generalmente 6-12 W / m · K).
Dal punto di vista dei costi e dell'applicazione, la COB diventerà la direzione principale del futuro lighting design. Il modulo LED del pacchetto COB ha una pluralità di chip LED montati sul substrato. L'uso di più chip non solo migliora la luminosità, ma facilita anche la configurazione razionale dei chip LED e riduce la quantità di corrente in ingresso di un singolo chip LED per garantire un'elevata efficienza. Inoltre, questa sorgente luminosa di superficie può espandere notevolmente l'area di dissipazione del calore della confezione, in modo tale che il calore possa essere condotto più facilmente sull'involucro esterno. La pratica tradizionale dei corpi illuminanti a LED è: dispositivo a sorgente luminosa a LED - modulo sorgente luminosa MCPCB - apparecchio a LED, basato principalmente sulla pratica di non utilizzare i componenti di base della sorgente luminosa applicabile, non solo dispendioso in termini di tempo, ma anche costoso. Infatti, se si prende il percorso di "modulo sorgente luminosa COB - lampada a LED", può risparmiare tempo e lavoro e può risparmiare il costo della confezione del dispositivo.
In breve, che si tratti di un singolo pacchetto di dispositivi o di un pacchetto COB modulare, da bassa potenza a elevata potenza, la struttura del pacchetto LED è progettata su come ridurre la resistenza termica del dispositivo, migliorare la resa luminosa e migliorare l'affidabilità.
4, tecnologia di rivestimento al fosforo
La struttura di conversione della luce, ovvero la struttura di rivestimento al fosforo, è principalmente diretta alla tecnologia di illuminazione a luce bianca a LED e mira a convertire la luce a lunghezza d'onda più breve emessa dal chip LED in una luce a lunghezza d'onda più lunga complementare al colore complementare (colore bianco complementare).
Al momento, ci sono tre modi per produrre luce bianca usando il fosforo: LED blu con fosforo giallo; LED blu con fosforo rosso e verde; UV-LED con fosfori rosso, verde e blu. Tra questi, i LED bianchi commerciali sono per lo più a singolo chip con LED blu e fosforo giallo. Il metodo di generazione della luce bianca del LED blu con fosforo rosso e verde è riportato solo nei brevetti di OSRAM, Lumileds, ecc., Ma non è stato commercializzato. I prodotti appaiono e il modo in cui i LED UV sono combinati con i fosfori a tre colori è ancora in fase di sviluppo.