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第五章 大功率和白光LED封装技术

一、大功率LED封装技术

1、大功率LED和普通LED技术工艺上的不同

大功率LED是LED节能灯的一种,相对于小功率LED来说,大功率LED的单颗功率更高,亮度更亮,价格更高。小功率LED额定电流都是20mA,额定电流大于20mA的基本上都可以算作大功率。大功率的亮度单位为lm(流明),小功率的亮度单位一般为mcd。

1)  大功率LED目前的分类标准由三种:第一种是按功率大小分,封装成型后按功率不同分类;第二种可以按封装工艺不同分类;第三种是按光衰程度不同分类。

2)  大功率LED封装由于结构和工艺复杂,直接影响到LED的使用性能和寿命,其主要功能包括:机械保护、加强散热、光学控制、供电管理。

2、大功率LED封装的关键技术

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,其中光是目的、热是关键、电结构与工艺是手段、而性能是封装水平的具体体现,具体而言大功率LED封装的关键技术包括以下几个方面:

1)  低热阻封装技术:改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻,增强散热,因此晶片和散热基板间的热界面材料(TIM)选择十分重要;

2)  大功率LED封装电极形式和衬底减薄技术:加大芯片尺寸法、硅衬底倒装法、陶瓷基板倒装法、蓝宝石衬底倒装法(机械研磨抛光减薄法、激光剥离的方法LLO、丰田方法TG)、AlGaInN/碳化硅(SiC)背面出光法

3)  阵列封装与系统集成技术

a.LED封装技术和结构发展过程:Lmap—SMT—COB—SiP

b.板上晶片直装式(COB)封装,需要考虑散热问题(晶片排列面积、晶片间距、晶片耐高温性),光学设计(一次光学设计、二次光学设计)及可靠性;

c.系统封装式(SiP)LED封装,其核心技术为超低热阻基材和嵌入式被动组件设计及制作;

d.陶瓷可变电阻基板新型封装技术。

3、大功率LED封装工艺流程:进料—料检—固晶—焊线—点荧光粉—烘烤—看外观—热测—切单粒—分光分色—包装—QA—入库—出库

4、大功率LED的晶片装架

1)装架基础

目的:用银胶将芯片固定在支架的载片区上,使芯片和支架形成良好的接触;

技术要求:芯片必须四周包胶,银胶高度不得超过芯片高度的1/3,芯片要放置平整,无缺胶、粘胶、装反、芯片无损伤、沾污;

工艺要求:物料需正确存放和使用。

2)装架设备:自动装架机台,需注意吸嘴和点胶头的选择。

5、大功率LED的封装固晶

固晶基础、灌胶设备、固晶机设备

6、提高LED固晶品质六大步骤:

1)严格检测固晶站的LED原物料

2)减少不利的人为因素

3)保证不会出现机台不良;

4)执行正确的调机方法;

5)掌握好制程;

 

 

6)保持环境符合要求。

7、大功率LED的封装焊线:

压焊的目的是将电极引到LED芯片上,完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种,对铝丝压焊的过程是:先在LED芯片电极上压上第一点,再将铝丝拉到相应的支架上方,压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球,其余过程类似。

8、大功率LED封装的未来

1)在未来大功率阵列式组装方式上,SMD和COB要共存很长一段时间;

2)LED真空包装印刷封装技术;

3)几种典型大功率封装: 产品形式(传统直插式、仿食人鱼式、铝基板封装式、TO封装、贴片式SMD、Emitter式、灯泡式);芯片组合(单芯片、多芯片);透镜封装(环氧树脂封装、光学硅胶直接灌封、光学透镜+柔性光学硅胶灌封、软性光学硅胶模压成型)。

 

二、大功率LED装架、点胶、固晶操作规范工艺卡

此处重点摘录导电胶的使用规范:

1、导电胶的使用规范

1)领取时间:在剩余最后一支针筒时领取新的原装导电胶;

2)分装过程:

a.从仓库领来的导电胶,放在室温下进行回温后,把瓶子上产生的水汽用干净的无尘布擦净;打开瓶盖,用专用搅拌工具沿同一方向搅拌约10min后,先分装进针筒(依生产需要,每次分装允许的数量小于等于7针筒);其余的导电胶分装进罐装容器(A\B\C三罐),等待下一次的分装;分装完成后必须立即送进0-5度冰箱保存,做好记录。

b.搅拌工具用完后及时清洗,清洗时可先用包装支架的白纸擦去大部分的粘结胶,后放在超声波内用丙酮进行超声波清洗5min,晾干后待下一次使用。

3)分装后的状态标识:

a.分装进罐装容器、针筒后,须采用皱纹胶布在罐装容器,针筒上做状态标识。标注型号、有效期(指原装容器上标识的材料有效期),罐装容器序号(A\B\C)/针筒序号;

b.导电胶在小于5度的储存条件下,必须于1个月内用完,回温次数不得多于5次。

4)分装后的使用:

a.分装进针筒的导电胶在冰箱中放置时须指定人员每天旋转针筒180度,且非指定人员不得打开冰箱;由指定人员从冰箱中取出分装进针筒的导电胶,按工艺要求进行醒料,统一发给机台操作人员待用或加入机台胶盘;

b.醒料:生产使用时,针筒应垂直放置进行回温;且须待导电胶回温30min后,方能使用;

c.每次加胶动作完成后,针筒必须立即放回0-5度冰箱保存;非装架使用的,未过期失效的导电胶不用时也应及时放入并行存储。

5)使用注意事项:

a.连续使用时,必须2天清洗一次胶盘;

b.无法连续使用时,每次添加的胶量应能在18h内用完,若用不完或停用18h以上,须清洗胶盘;

c.银胶一天使用完一支针筒(5ml),未使用完的不再用于装架,只供第二天点胶使用;

d.使用完的针筒,不再放回冰箱,由专人统一回收,交厂统一进行处理

 

三、白光LED封装技术

1、白光LED光效飞跃的历程和电光转换效率极限:

1)白光LED光效飞跃的历程:

◆2006年6月日亚化学发布光效100lm/W的白色LED;

◆2006年7月Cree开发出光效率达到131100lm/W的白光LED;

◆2006年12月日亚化学白色LED发光效率增至150lm/W;

◆2006年12月首尔半导体单芯片白光LED光效达100lm/W;

◆2006年12月艾笛森芯片白光LED最高亮度250lm;

◆2007年2月CAO Group Dynasty系列LED光效达100lm/W;

◆2007年8月欧司朗发布光效达85lm/W的红色及橙色系LED;

◆2007年9月西铁城电子开发出540lm照明用白色LED;

◆2007年9月日亚化学发布350mA时光效134lm/W高功率白色LED;

◆2008年5月日本LED照明推进协会修改普通照明用白光LED开发蓝图;

◆2008年7月东芝将上市光通量为90lm的白色LED;

◆2008年10月Cree发布光效达157lm/W的白色LED;

◆2009年12月Cree发布光效达186lm/W的白色LED;

◆2010年1月Cree发布光效达208lm/W的白色LED;

◆目前中国大陆LED封装企业近2000家,大部分厂家的白光LED光效达到120lm/W以上。

2)白光LED电光转换效率极限:电能全部转换为光能的电光转化效率是330lm/W,暖白色的光效会稍低,也就是说,一颗完美的1W白光LED,在357mA电源驱动下,正向压降为2.8V,发光通量为330lm(电能全部转换为光能的当量)。

2、白光LED发光原理及技术指标

1)白光LED发光原理:

a.多色芯片白光LED(三色芯片RGB、四芯片BGRY)

b.双色芯片白光LED(B+Y、B+YG、BG+Y芯片)

c.蓝色单芯片+荧光粉白光LED(InGaN蓝芯片+黄荧光粉YAG、InGaN蓝芯片+红荧光粉+绿荧光粉)

d.紫外单芯片+红、绿、蓝荧光粉白光LED;

e.黄LED+ZnSe单结晶基板白光LED;

f.光子晶体白光LED;

g.无荧光粉量子阱白光LED。

2)白光LED特殊的技术指标:光通量、发光效率、色温、显色指数、稳定性、寿命。

3、白光LED的工艺流程和制作方法

蓝光芯片—工艺说明—固定芯片—焊线—灌胶—LED的生产环境—烘烤芯片—涂覆荧光粉

4、大功率白光LED的制作

1)自动喷胶设备;

2)大功率白光LED的三个通道:电流通道、出光通道、热通道。这三个通道能否设计好,对于大功率LED来说是至关重要的。

3)大功率白光LED的评价

a.经过一段时间连续点亮,它的光通量衰减曲线是怎样的?反向漏电有什么变化?色温有什么变化?

b.大功率白光LED的色温分布是怎样的?光强的分布情况是怎样的?

c.热阻大小是多少?

5、白光LED的可靠性及使用寿命

1)影响白光LED寿命的主要原因:芯片的导热性、芯片的抗静电性、芯片的抗浪涌电压和电流;

2)工艺流程对白光LED寿命的影响:封装方法、pn结的工作温度。

 

四、大功率和白光LED封装材料

1、大功率LED支架

1)大功率LED支架的结构

2)大功率LED支架使用注意事项:

◆LED镀银支架的电镀要求;

◆镀银层化学性质;

◆仓储使用中注意事项;

◆支架放置注意事项;

◆支架的分批管理。

2、大功率LED的散热基板

1)LED结温与发光效率及寿命的关系;

2)LED散热基板的分类:

a.系统电路板;

b.LED晶粒基板:厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、薄膜陶瓷基板

3)常用封装材料的技术指标;

4)大功率LED金属基散热基板:

a.铝基板:一般用于1-5W大功率LED的封装上,功率再大LED如采用铝基板,因热膨胀系数大有导致晶粒脱落的危险。

铝基板生产工艺:制作底片—备料—制图形—蚀刻—表面处理(浸Sn)—印字符—机加—检验—包装。

铝基板的特点:绝缘层薄热阻小、无磁性、散热好、机械强度高

b.铜基散热基板

c.陶瓷散热基板

◆LED陶瓷散热基板介绍:厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷基板、薄膜陶瓷基板;

◆国际大厂LED产品发展趋势:低温共烧多层陶瓷LTCC、高温共烧多层陶瓷HTCC、直接接合铜基板DBC(Direct Bonded Copper)、直接镀铜基板DPC(Direct Plate Copper)

◆陶瓷散热基板特性

3、  大功率LED封装用硅胶:

1)道康宁LED硅胶

◆道康宁OE6351硅胶—大功率LED灌模条胶水

◆道康宁OE6250硅胶—大功率LED灌透镜胶水;

◆道康宁JCR6175硅胶—大功率LED混荧光粉胶水;

◆道康宁OE6550硅胶—大功率LED混荧光粉胶水;

◆道康宁EG6301硅胶—贴片SMD封装胶水;

◆道康宁大功率LED硅胶6865M/N。

2)信越LED硅胶

◆大功率用硅胶SCR-1012、SMD TOP VIEW SCR-1012/1012B-R/1016、HIGH POWER KER-2500 KER6100 KER3000-M2、LED的固晶 SMP2800;

◆Lamp两引线直插式:SCR-1012、KER-3000-M2;

◆SMD用硅胶: SCR-1012/1012B-R/1016、KER-2500LV;

◆High Power(大功率):KER6200、KER-2500、 KER6100、KER-3200-T1。

4、大功率芯片

1)芯片厂商

◆大陆LED芯片厂商:三安光电、上海蓝光、士兰明芯、大连路美、迪源光电、华灿光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、浪潮华光、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪星源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电、乾照光电、晶达光电、深圳方大、上海蓝宝;

◆台湾LED芯片厂商:晶元光电、联铨、元坤、连勇、国联、广镓光电、新世纪、华上、泰谷光电、奇力、钜新、光宏、晶发、视创、洲磊、联胜、汉光、光磊、鼎元、翟富洲技、灿圆、联鼎、全新光电、华兴、东贝、光鼎、亿光、佰鸿、今台、菱生精密、立基、光宝、宏齐;

◆国外LED芯片厂商:惠普、科锐、日亚化学、丰田合成、大洋日酸、东芝、昭和电工、Lumileds、旭明、Genelite、欧司朗、GeLcore、首尔半导体、普瑞、韩国安萤火Epivalley。

2)部分厂商几种大功率LED芯片参数。

5、白光LED荧光粉

1)概述:LED荧光粉近几年发展非常迅速,美国GE公司持有多项专利,国内也有一些专利报道。蓝光LED激发的黄色荧光粉基本上能满足目前白光LED产品的要求,但还需要进一步提高效率,降低粒度,最好能制备出直径3-4nm的球形荧光粉;

2)化学成分及特性;

3)LED荧光粉的应用:

◆实现白光发射

◆利用某波段LED发光效率高的优点制备其它波段LED;

◆将发光波长有误差的LED重新利用;

◆让LED光色更柔和、鲜艳。

 

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