Fortschrittliche Anlagen, effiziente ProduktionLED (Leuchtdiode) hat sich zu einem Hot Spot für den Wettbewerb in der aufstrebenden internationalen strategischen Industrie entwickelt. In der LED-Industriekette umfasst der Upstream Substratmaterialien, Epitaxie, Chipdesign und -fertigung, der mittlere Bereich umfasst die Verpackungstechnologie, Ausrüstung und Prüftechnologie, während der Downstream LED-Display sowie Beleuchtungs- und Beleuchtungsanwendungen umfasst. Derzeit wird der blaue LED + gelbe Leuchtstoffprozess hauptsächlich verwendet, um die Weißlicht-Hochleistungs-LED zu realisieren, d. H., Ein gelblichtemittierender YAG (Yttrium Aluminium Granat) gelber Leuchtstoff wird von einem Teil des auf GaN basierenden Blaus emittiert LED, und ein anderer Teil des blauen Lichts wird durch den Leuchtstoff abgegeben. Das vom gelben Leuchtstoff emittierte gelbe Licht wird mit dem durchgelassenen blauen Licht gemischt, um weißes Licht zu erhalten. Das blaue Licht, das vom blauen LED-Chip emittiert wird, durchläuft den gelben Leuchtstoff, der um ihn herum aufgetragen wird, und der Leuchtstoff wird durch einen Teil des blauen Lichts zur Emission von gelbem Licht angeregt, und das blaue Lichtspektrum und das gelbe Lichtspektrum überlappen sich, um Weiß zu bilden Licht.
Hochleistungs-LED-Gehäuse bilden einen wichtigen Teil der Industriekette und sind die Kerntechnologie für die Herstellung von Halbleiterbeleuchtung und -display. Nur durch die Entwicklung eines niedrigen Wärmewiderstands, einer hohen Lichtausbeute und einer hohen Zuverlässigkeit der LED-Verpackungs- und Fertigungstechnologie ist der LED-Chip gut mechanisch und elektrisch geschützt und reduziert die Auswirkungen mechanischer, elektrischer, thermischer, nasser und anderer äußerer Faktoren auf die Leistung von Der Chip, um LED zu gewährleisten Die stabile und zuverlässige Arbeit des Chips kann effiziente und dauerhafte Hochleistungslicht- und Displayeffekte bieten, die einzigartigen Energieeinsparungs- und Langlebigkeitsvorteile von LED verwirklichen und die Entwicklung der gesamten Halbleiterbeleuchtung begünstigen Anzeige der Industriekette. In Anbetracht der Berücksichtigung von Marktinteressen durch ausländische verbundene Unternehmen werden die relevanten Kerntechnologien und -geräte gesperrt. Daher ist es dringend notwendig, eine unabhängige Hochleistungs-LED-Verpackungstechnologie zu entwickeln, insbesondere weiße LED-Verpackungseinrichtungen. In diesem Artikel werden der Forschungsstand und der Anwendungsstatus von Hochleistungs-LED-Verpackungen kurz vorgestellt, die wichtigsten technischen Fragen im Prozess von Hochleistungs-LED-Verpackungen analysiert und zusammengefasst, um die Aufmerksamkeit der inländischen Kollegen auf sich zu ziehen, und es wird angestrebt, die Autonomie zu erreichen von Hochleistungs-LED-Schlüsseltechnologien und -geräten. .
Die Verpackungsprozesstechnologie spielt eine entscheidende Rolle für die LED-Leistung. Die Wahl der LED-Gehäuseverfahren, Materialien, Strukturen und Prozesse wird hauptsächlich durch Faktoren wie Chipstruktur, optoelektronische / mechanische Eigenschaften, spezifische Anwendungen und Kosten bestimmt. Mit der Leistungssteigerung, insbesondere der Entwicklung der Festkörperlichttechnologie, wurden neue und höhere Anforderungen an die optischen, thermischen, elektrischen und mechanischen Strukturen von LED-Gehäusen gestellt. Um den Wärmewiderstand des Gehäuses wirksam zu reduzieren und die Lichtausbeute zu verbessern, muss eine neue technische Idee für das Verpackungsdesign angenommen werden. Unter dem Gesichtspunkt der Prozesskompatibilität und der Senkung der Produktionskosten sollte das Design der LED-Gehäuse gleichzeitig mit dem Chip-Design durchgeführt werden, dh das Package-Design sollte die Paketstruktur und den Prozess berücksichtigen. Gegenwärtig sind die wichtigsten Entwicklungstrends der Leistungs-LED-Paketstruktur: Miniaturisierung der Größe, Minimierung des thermischen Widerstandes der Vorrichtung, planares Patchen, maximale Widerstandstemperatur der Stehfestigkeit, Maximierung des Einlampenflusses; Ziel ist es, den Lichtstrom und die Lichteffizienz zu erhöhen und das Licht zu reduzieren. Verfall, Effizienzverlust, Verbesserung der Konsistenz und Zuverlässigkeit. Zu den Schlüsseltechnologien für Hochleistungs-LED-Gehäuse zählen insbesondere: die thermische Dispersionstechnologie, die optische Designtechnologie, die Konstruktionstechnologie, die Phosphorbeschichtungstechnologie und die eutektische Löttechnologie.
1, kühltechnik
Die durchschnittliche Temperatur der LED-Knoten darf 120 ° C nicht überschreiten. Selbst bei den neuesten Geräten von Lumileds, Nichia, CREE usw. kann die maximale Knotentemperatur 1500 ° C nicht überschreiten. Daher ist der Wärmestrahlungseffekt von LED-Bauelementen grundsätzlich vernachlässigbar, und Wärmeleitung und Konvektion sind die Hauptarten der Wärmeableitung von LEDs. Beim Wärmeableitungsdesign wird zunächst die Wärmeleitung berücksichtigt, da zuerst Wärme vom LED-Gehäusemodul zum Kühlkörper geleitet wird. Daher sind das Verbindungsmaterial und das Substrat die Schlüsselglieder der LED-Wärmeableitungstechnologie.
Die Verbindungsmaterialien umfassen hauptsächlich drei Arten von wärmeleitendem Klebstoff, leitfähige Silberpaste und Legierungslot. Der wärmeleitende Klebstoff ist eine Art Füllstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, der der Innenseite des Substrats hinzugefügt wird, wie beispielsweise SiC, A1N, A12O3, SiO2 usw., wodurch seine Wärmeleitung verbessert wird; Die leitfähige Silberpaste ist ein Verbundmaterial, das durch Zugabe von Silberpulver in das Epoxidharz gebildet wird, und das Aushärten der Paste wird angewendet. Die Temperatur ist im Allgemeinen niedriger als 200 ° C, was die Vorteile einer guten Wärmeleitfähigkeit und einer zuverlässigen Bindungsleistung aufweist, aber die Absorption von Licht durch die Silberpaste ist relativ groß, was zu einer Abnahme der Lichteffizienz führt.
Das Substrat umfasst hauptsächlich drei Hauptmodi eines Keramiksubstrats, ein Keramiksubstrat und ein Verbundsubstrat. Das Keramiksubstrat ist hauptsächlich ein LTCC-Substrat und ein AIN-Substrat. Das LTCC-Substrat hat viele Vorteile, wie z. B. einfaches Formen, einfaches Verfahren, niedrige Kosten und einfache Herstellung verschiedener Formen. Al und Cu sind ausgezeichnete Materialien für Substrate für LED-Gehäuse. Aufgrund der Leitfähigkeit von Metallmaterialien ist es oft notwendig, die Oberflächenisolation zu passieren. Anodisieren, um eine dünne Isolierschicht auf der Oberfläche zu bilden. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe umfassen hauptsächlich Verbundwerkstoffe auf Cu-Basis und Verbundwerkstoffe auf Al-Basis. Occhionero et al. untersuchte die Anwendung von AlSiC auf Flip-Chips, optoelektronischen Geräten, Leistungsgeräten und Hochleistungs-LED-Kühlkörpern. Der Zusatz von pyrolytischem Graphit zu AlSiC erfüllt auch die Anforderungen an eine höhere Wärmeableitung. In der Zukunft gibt es fünf Haupttypen von Verbundsubstraten: monolithische kohlenstoffhaltige Materialien, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Verbundstoffe auf Polymerbasis, Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe und fortgeschrittene Metalllegierungen.
Darüber hinaus hat die Paketschnittstelle einen großen Einfluss auf den Wärmewiderstand. Der Schlüssel zur Verbesserung des LED-Pakets besteht darin, den thermischen Widerstand der Grenzflächen- und Grenzflächenkontakte zu reduzieren und die Wärmeableitung zu verbessern. Daher ist die Wahl des Materials für die thermische Grenzfläche zwischen dem Chip und dem Kühlkörper-Substrat sehr wichtig. Die Verwendung von Niedertemperatur- oder eutektischem Lot, Lotpaste oder leitfähiger Paste mit Nanopartikeln als Material für die thermische Grenzfläche kann den thermischen Widerstand der Grenzfläche stark verringern.
2, optische Designtechnologie
Das optische Design des LED-Gehäuses umfasst ein inneres optisches Design und ein äußeres optisches Design.
Der Schlüssel für das interne optische Design liegt in der Auswahl und Anwendung von Vergusskleber. Bei der Wahl des Vergussklebers ist eine hohe Lichtdurchlässigkeit, ein hoher Brechungsindex, eine gute thermische Stabilität, eine gute Fließfähigkeit und ein leichtes Sprühen erforderlich. Um die Zuverlässigkeit des LED-Gehäuses zu verbessern, muss die Vergussmasse auch eine geringe Hygroskopizität, geringe Belastung, Temperatur und Schutz der Umgebung aufweisen. Gegenwärtig verwendete Vergussmassen umfassen Epoxidharz und Silicagel. Unter diesen weist Silicagel eine hohe Lichtdurchlässigkeit (hohe Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich von mehr als 99%), einen hohen Brechungsindex (1,4 bis 1,5), eine gute thermische Stabilität (kann hohen Temperaturen von 200 ° C standhalten) und eine geringe Spannung ( Young-Modul) Niedrig), geringe Hygroskopizität (weniger als 0,2%) usw., wesentlich besser als Epoxidharz, weit verbreitet in Hochleistungs-LED-Gehäusen. Die Leistung von Kieselgel wird jedoch stark durch die Umgebungstemperatur beeinflusst, was sich auf die LED-Lichteffizienz und die Lichtintensitätsverteilung auswirkt. Daher muss das Herstellungsverfahren für Silicagel verbessert werden.
Das äußere optische Design bezieht sich auf die Konvergenz und Formung des austretenden Strahls, um ein Lichtfeld mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung zu bilden. Sie umfasst hauptsächlich reflektierende Konzentratordesign (Primäroptik) und Formlinsenentwurf (Sekundäroptik). Bei Array-Modulen umfasst es auch die Verteilung von Chip-Arrays. Üblicherweise verwendete Linsen umfassen konvexe Linsen, konkave Linsen, sphärische Spiegel, Fresnel-Linsen, kombinierte Linsen usw. Das Montageverfahren für Linsen und Hochleistungs-LEDs kann luftdicht und halbhermetisch sein. In den letzten Jahren, mit der Vertiefung der Forschung unter Berücksichtigung der Integrationsanforderungen nach dem Verpacken, verwendet die zur Strahlformung verwendete Linse ein Mikrolinsenarray, und das Mikrolinsenarray kann eine zweidimensionale parallele Konvergenz, Formung, Kollimation usw. in der Optik spielen Pfad. Es hat die Vorteile einer hohen Ausrichtungsgenauigkeit, einer bequemen und zuverlässigen Herstellung und einer einfachen Kopplung mit anderen Planarvorrichtungen. Forschungen haben gezeigt, dass die Verwendung von diffraktiven Mikrolinsenarrays anstelle von gewöhnlichen Linsen oder Fresnel-Mikrolinsen die Strahlqualität erheblich verbessern und die Intensität des emittierten Lichts erhöhen kann. LEDs sind die vielversprechendste neue Technologie zur Strahlformung.
3, LED-Paketstruktur
LED-Gehäusetechnologie und -struktur wurden in vier Phasen in Führung, Leistungspaket, Chip (SMD), Chip-on-Board (COB) umgesetzt.
(1) Lead-LED-Paket
Das LED-Fußpaket verwendet Leiterrahmen als Pins für verschiedene Pakettypen. Es ist die erste erfolgreich auf dem Markt entwickelte Paketstruktur. Die Produktvielfalt ist hoch, die technologische Reife ist hoch und die Struktur und die Reflexionsschicht im Gehäuse werden immer noch verbessert. Sie wird normalerweise in einer 3 bis 5 mm großen Gehäusestruktur verwendet und wird im Allgemeinen für LED-Gehäuse mit niedrigem Strom (20 ~ 30 mA) und niedriger Leistung (weniger als 0,1 W) verwendet. Es wird hauptsächlich zur Anzeige oder Anzeige von Instrumenten verwendet und kann auch als Anzeigebildschirm für die Integration in großem Maßstab verwendet werden. Der Nachteil ist, dass das Gehäuse einen großen Wärmewiderstand hat (im Allgemeinen höher als 100 K / W) und eine kurze Lebensdauer hat.
(2) Power-LED-Paket
Der LED-Chip und das Gehäuse sind in Richtung Hochleistung entwickelt. Unter dem hohen Strom ist der Lichtstrom 10-20 mal größer als der der ~ 5 mm LED. Die effektive Wärmeableitung und nicht abbaubare Verpackungsmaterialien müssen verwendet werden, um das Problem des Lichtzerfalls zu lösen. Daher sind das Paket und das Paket auch der Schlüssel. Technologie, LED-Gehäuse, die mehrere W Leistung aushalten können, sind entstanden. Seit Anfang 2003 sind weiße, grüne, blaue, grüne, blaue Power-LEDs der Serie 5W erhältlich. Die weiße LED-Lichtleistung erreicht 1871 m, die Lichtausbeute liegt bei 44,31 lm / W grünes Lichtzerfallsproblem und die LED, die 10 Watt Leistung aushalten kann ist entwickelt. Tube; Größe ist 2,5 mm x 2,5 mm, kann mit 5A Strom arbeiten, Lichtleistung bis 2001 lm, da eine solide Beleuchtungsquelle viel Raum für die Entwicklung hat.
(3) LED-Gehäuse vom SMD-Typ (SMD)
Bereits 2002 wurden SMDLEDs (Surface Mounted Packaged LEDs) schrittweise vom Markt akzeptiert und erreichten einen gewissen Marktanteil. Vom Lead-Paket bis hin zu SMD entsprach es dem Entwicklungstrend der gesamten Elektronikindustrie, und viele Hersteller führten solche Produkte ein.
SMDLED ist derzeit der höchste Verpackungsmarktanteil im LED-Markt. Diese LED-Gehäusestruktur verwendet einen Spritzgussprozess, um den metallischen Leiterrahmen in PPA-Kunststoff einzuwickeln und eine Reflektorschale mit einer bestimmten Form zu bilden. Der metallische Leiterrahmen erstreckt sich vom Boden der Reflektorschale zur Seite des Geräts. Die Vorrichtungsstifte werden durch Abflachen nach außen oder nach innen gebildet. Die verbesserte SMDLED-Struktur wird von weißen LED-Lichttechnologie begleitet. Um den Stromverbrauch einer einzelnen LED-Vorrichtung zur Erhöhung der Helligkeit der Vorrichtung zu erhöhen, begannen die Ingenieure, Wege zu finden, um den Wärmewiderstand von SMDLED zu reduzieren, und führten das Konzept der Wärmesenke ein. Diese verbesserte Struktur reduziert die Höhe der ursprünglichen SMDLED-Struktur. Der metallische Leiterrahmen befindet sich direkt auf der Unterseite des LED-Geräts. Die reflektierende Schale wird gebildet, indem Kunststoff um den Metallrahmen eingespritzt wird. Der Chip wird auf dem Metallrahmen platziert. Der Metallrahmen wird direkt durch die Lötpaste gelötet. Auf der Leiterplatte ist ein vertikaler Wärmeableitungskanal ausgebildet. Aufgrund der Entwicklung der Materialtechnologie hat die SMD-Verpackungstechnologie die frühen Probleme der Wärmeableitung und der Lebensdauer überwunden und kann zum Verpacken von weißen Hochleistungs-LED-Chips mit 1 ~ 3 W verwendet werden.
(4) COB-LED-Gehäuse
Das COB-Gehäuse kann mehrere Chips direkt auf der metallbasierten Leiterplatte MCPCB verpacken und die Wärme direkt durch das Substrat ableiten, was nicht nur den Herstellungsprozess und die Kosten der Halterung reduziert, sondern auch den Vorteil der Verringerung der Wärmeableitung hat. Die PCB kann ein kostengünstiges FR-4-Material (glasfaserverstärktes Epoxidharz) oder ein Verbundwerkstoff auf Metallbasis oder Keramikbasis mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein (beispielsweise ein Aluminiumsubstrat oder ein kupferbeschichtetes Keramiksubstrat). Das Drahtbonden kann durch Thermosonic-Bonden (Gold-Wire-Ball-Bonden) bei hoher Temperatur und Ultraschall-Bonden bei normaler Temperatur (Aluminiumschweißen von Bohrwerkzeugen) durchgeführt werden. Die COB-Technologie wird hauptsächlich für LED-Gehäuse von Hochleistungs-Multi-Chip-Arrays verwendet. Verglichen mit SMD erhöht es nicht nur die Leistungsdichte des Gehäuses erheblich, sondern verringert auch den Wärmewiderstand des Gehäuses (im Allgemeinen 6-12 W / m · K).
Aus Sicht der Kosten und der Anwendung wird COB die Hauptrichtung der zukünftigen Lichtplanung. Das LED-Modul der COB-Packung weist eine Vielzahl von LED-Chips auf, die auf dem Substrat montiert sind. Die Verwendung mehrerer Chips verbessert nicht nur die Helligkeit, sondern erleichtert auch die rationelle Konfiguration der LED-Chips und reduziert den Eingangsstrom eines einzelnen LED-Chips, um eine hohe Effizienz sicherzustellen. Darüber hinaus kann diese Oberflächenlichtquelle den Wärmeableitungsbereich der Packung stark erweitern, so dass Wärme leichter zum Außengehäuse geleitet werden kann. Die traditionelle LED-Leuchtenpraxis lautet: LED-Lichtquellen-Einzelgerät - MCPCB-Lichtquellenmodul - LED-Leuchte, die hauptsächlich auf der Praxis basiert, die entsprechenden Kernlichtquellenkomponenten nicht zu verwenden, nicht nur zeitaufwändig, sondern auch kostspielig. Wenn Sie den Weg des "COB-Lichtquellenmoduls - LED-Lampe" wählen, kann dies Arbeit und Zeit sparen und die Kosten für die Geräteverpackung sparen.
Kurz gesagt, unabhängig davon, ob es sich um ein einzelnes Gerätepaket oder ein modulares COB-Gehäuse handelt, von LED mit niedrigem Stromverbrauch bis zu hohem Stromverbrauch, ist die Struktur des LED-Gehäuses darauf ausgelegt, den Wärmewiderstand des Geräts zu reduzieren, die Lichtleistung zu verbessern und die Zuverlässigkeit zu verbessern.
4, Phosphorbeschichtungstechnologie
Die Lichtkonversionsstruktur, d. H. Die Leuchtstoffbeschichtungsstruktur, ist hauptsächlich auf die LED-Weißlichtbeleuchtungstechnologie gerichtet und zielt darauf ab, das von dem LED-Chip emittierte Licht mit kürzerer Wellenlänge in ein zu der Komplementärfarbe komplementäres Licht (weiße Farbe) umzuwandeln komplementär).
Derzeit gibt es drei Möglichkeiten, weißes Licht unter Verwendung von Leuchtstoff zu erzeugen: blaue LED mit gelbem Leuchtstoff; blaue LED mit rotem und grünem Phosphor; UV-LED mit roten, grünen und blauen Leuchtstoffen. Unter ihnen sind handelsübliche weiße LEDs meistens Single-Chip-Typen mit blauen LEDs und gelbem Phosphor. Das Weißlicht-Erzeugungsverfahren für blaue LED mit rotem und grünem Leuchtstoff wird nur in den Patenten von OSRAM, Lumileds usw. beschrieben, es wurde jedoch nicht kommerzialisiert. Produkte erscheinen und die Art und Weise, wie UV-LEDs mit dreifarbigen Leuchtstoffen kombiniert werden, befindet sich noch in der Entwicklung.