Instalaciones avanzadas Producción eficienteEl LED (diodo emisor de luz) se ha convertido en un punto caliente para la competencia en la emergente industria estratégica internacional. En la cadena de la industria del LED, el flujo ascendente incluye materiales de sustrato, epitaxy, diseño y fabricación de chips, el centro abarca la tecnología de envasado, el equipo y la tecnología de prueba, y el flujo descendente es la pantalla LED, la iluminación y las aplicaciones de iluminación. En la actualidad, el proceso de LED azul + fósforo amarillo se utiliza principalmente para realizar el LED de luz blanca de alta potencia, es decir, un fósforo amarillo YAG (aluminio granate de itrio) que emite luz amarilla es emitido por una parte del azul a base de GaN. LED, y otra parte de la luz azul se emite a través del fósforo. La luz amarilla emitida por el fósforo amarillo se mezcla con la luz azul transmitida para obtener luz blanca. La luz azul emitida por el chip LED azul pasa a través del fósforo amarillo cubierto a su alrededor, y una parte de la luz azul excita el fósforo para que emita luz amarilla, y el espectro de luz azul y el espectro de luz amarilla se superponen entre sí para formar una luz blanca. ligero.
Como parte importante de la cadena de la industria, el empaque LED de alta potencia es la tecnología de fabricación central para promover la aplicación práctica de la iluminación y la visualización de semiconductores. Solo a través del desarrollo de baja resistencia térmica, alta eficiencia luminosa y alta confiabilidad tecnología de empaque y fabricación de LED, el chip LED tiene una buena protección mecánica y eléctrica, reduciendo el impacto de factores mecánicos, eléctricos, térmicos, húmedos y otros factores externos en el rendimiento de el chip, para asegurar el LED El trabajo estable y confiable del chip puede proporcionar una iluminación y efectos de visualización de alto rendimiento eficientes y continuos, obtener las ventajas únicas de ahorro de energía y longevidad del LED, y promover el desarrollo benigno de toda la iluminación de semiconductores y mostrar la cadena de la industria. En vista de la consideración de los intereses del mercado por parte de compañías relacionadas con el exterior, las tecnologías y equipos centrales relevantes están bloqueados. Por lo tanto, es urgente desarrollar tecnología de envasado de LED de alta potencia independiente, especialmente equipos de envasado de LED blanco. Este artículo presentará brevemente el estado de la investigación y la aplicación del empaque de LED de alta potencia, analizará y resumirá los problemas técnicos clave en el proceso del empaque de LED de alta potencia, para atraer la atención de las contrapartes nacionales y esforzarse por lograr la autonomía. de tecnologías y equipos clave LED de alta potencia. .
La tecnología de proceso de envasado desempeña un papel crucial en el rendimiento del LED. La elección de los métodos, materiales, estructuras y procesos de empaque de LED está determinada principalmente por factores tales como la estructura del chip, las características optoelectrónicas / mecánicas, las aplicaciones específicas y el costo. Con el aumento de la potencia, especialmente el desarrollo de la tecnología de iluminación de estado sólido, se han presentado nuevos y más altos requisitos para las estructuras ópticas, térmicas, eléctricas y mecánicas de los paquetes de LED. Para reducir de manera efectiva la resistencia térmica del paquete y mejorar la eficiencia de la luz, se debe adoptar una nueva idea técnica para el diseño del paquete. Desde la perspectiva de la compatibilidad del proceso y la reducción de los costos de producción, el diseño del paquete LED debe llevarse a cabo simultáneamente con el diseño del chip, es decir, el diseño del paquete debe tener en cuenta la estructura y el proceso del paquete. En la actualidad, las principales tendencias de desarrollo de la estructura del paquete de LED de potencia son: miniaturización del tamaño, minimización de la resistencia térmica del dispositivo, parcheo plano, máxima temperatura de la unión de resistencia, maximización del flujo de una sola lámpara; El objetivo es aumentar el flujo luminoso, la eficiencia de la luz y reducir la luz. Decadencia, pérdida de eficiencia, mejora de consistencia y fiabilidad. Específicamente, las tecnologías clave del empaque de LED de alta potencia incluyen: tecnología de dispersión térmica, tecnología de diseño óptico, tecnología de diseño estructural, tecnología de revestimiento de fósforo y tecnología de soldadura eutéctica.
1, tecnología de refrigeración
La temperatura promedio del nodo LED no puede exceder los 120 ° C. Incluso los últimos dispositivos introducidos por Lumileds, Nichia, CREE, etc., la temperatura máxima del nodo no puede exceder los 1500 ° C. Por lo tanto, el efecto de la radiación térmica de los dispositivos LED es básicamente insignificante, y la conducción de calor y la convección son las principales formas de disipación de calor de los LED. En el diseño de disipación de calor, la conducción de calor se considera primero porque el calor se conduce primero desde el módulo del paquete de LED al disipador de calor. Por lo tanto, el material de unión y el sustrato son los enlaces clave de la tecnología de disipación de calor por LED.
Los materiales de unión incluyen principalmente tres formas principales de pegamento conductor térmico, pasta de plata conductora y soldadura de aleación. El adhesivo conductor térmico es una clase de relleno con alta conductividad térmica agregada al interior del sustrato, como SiC, A1N, A12O3, SiO2, etc., mejorando así su conducción de calor; La pasta de plata conductora es un material compuesto formado por la adición de polvo de plata en la resina epoxi, y se aplica el endurecimiento de la pasta. La temperatura generalmente es inferior a 200 ° C, lo que tiene las ventajas de una buena conductividad térmica y un rendimiento de unión confiable, pero la absorción de luz por la pasta de plata es relativamente grande, lo que resulta en una disminución de la eficiencia de la luz.
El sustrato incluye principalmente tres modos principales de un sustrato cerámico, un sustrato cerámico y un sustrato compuesto. El sustrato cerámico es principalmente un sustrato LTCC y un sustrato AIN. El sustrato LTCC tiene muchas ventajas, tales como moldeo fácil, proceso simple, bajo costo y fácil de hacer varias formas. Al y Cu son excelentes materiales para sustratos de paquetes de LED. Debido a la conductividad de los materiales metálicos, a menudo es necesario pasar el aislamiento de la superficie. Anodizado para formar una fina capa aislante en la superficie. Los materiales compuestos de matriz metálica incluyen principalmente materiales compuestos a base de Cu y materiales compuestos a base de Al. Occhionero et al. exploró la aplicación de AlSiC en flip-chips, dispositivos optoelectrónicos, dispositivos de potencia y disipadores de calor de LED de alta potencia. La adición de grafito pirolítico a AlSiC también cumple con los requisitos para una mayor disipación de calor. Existen cinco tipos principales de sustratos compuestos en el futuro: materiales carbonosos monolíticos, materiales compuestos de matriz metálica, materiales compuestos a base de polímeros, materiales compuestos de carbono y aleaciones metálicas avanzadas.
Además, la interfaz del paquete tiene una gran influencia en la resistencia térmica. La clave para mejorar el paquete de LED es reducir la interfaz y la resistencia térmica de contacto de la interfaz y mejorar la disipación de calor. Por lo tanto, la elección del material de interfaz térmica entre el chip y el sustrato del disipador de calor es muy importante. El uso de soldadura a baja temperatura o eutéctica, pasta de soldadura o pasta conductora con nanopartículas como material de interfaz térmica puede reducir en gran medida la resistencia térmica de la interfaz.
2, tecnología de diseño óptico
El diseño óptico del paquete de LED incluye un diseño óptico interno y un diseño óptico externo.
La clave del diseño óptico interno es la elección y aplicación del pegamento para macetas. En la elección del pegamento para macetas, se requiere tener una alta transmisión de luz, alto índice de refracción, buena estabilidad térmica, buena fluidez y fácil pulverización. Para mejorar la confiabilidad del paquete de LED, también se requiere que el compuesto para macetas tenga una baja higroscopicidad, bajo estrés, temperatura y protección ambiental. Los compuestos de envasado utilizados actualmente incluyen resina epoxi y gel de sílice. Entre ellos, el gel de sílice tiene una alta transmitancia a la luz (alta transmitancia en el rango visible de más del 99%), alto índice de refracción (1,4 a 1,5), buena estabilidad térmica (puede soportar altas temperaturas de 200 ° C) y baja tensión ( Módulo de Young) Bajo), baja higroscopicidad (menos del 0.2%), etc., significativamente mejor que la resina epoxi, ampliamente utilizado en envases LED de alta potencia. Sin embargo, el rendimiento del gel de sílice se ve muy afectado por la temperatura ambiente, lo que afecta la eficiencia de la luz LED y la distribución de la intensidad de la luz. Por lo tanto, el proceso de preparación del gel de sílice necesita ser mejorado.
El diseño óptico externo se refiere a la convergencia y conformación del haz saliente para formar un campo de luz con una distribución de intensidad uniforme. Incluye principalmente el diseño del concentrador reflectivo (óptica primaria) y el diseño de la lente de conformación (óptica secundaria). Para los módulos de matriz, también incluye la distribución de matrices de chips. Las lentes de uso común incluyen lentes convexas, lentes cóncavas, espejos esféricos, lentes de Fresnel, lentes combinadas, etc. El método de ensamblaje de lentes y LED de alta potencia puede ser hermético y semihermético. En los últimos años, con la profundización de la investigación, teniendo en cuenta los requisitos de integración después del empaquetado, la lente utilizada para la conformación del haz utiliza una matriz de microlentes, y la matriz de microlentes puede jugar una convergencia paralela bidimensional, conformación, colimación, etc. en la óptica. camino. Tiene las ventajas de una alta precisión de alineación, una fabricación conveniente y confiable y un fácil acoplamiento con otros dispositivos planos. La investigación muestra que el uso de conjuntos de microlentes difractivos en lugar de lentes comunes o microlentes de Fresnel puede mejorar considerablemente la calidad del haz y aumentar la intensidad de la luz emitida. Los LED son la nueva tecnología más prometedora para la conformación de haces.
3, estructura del paquete LED
La tecnología y la estructura del embalaje de LED han estado en las cuatro etapas de plomo, paquete de energía, chip (SMD), chip-on-board (COB).
(1) paquete de plomo LED
El paquete de pie LED utiliza marcos de plomo como pasadores para varios tipos de paquetes. Es la primera estructura de paquetes desarrollada con éxito en el mercado. La variedad de productos es alta, la madurez de la tecnología es alta y la estructura y la capa reflectante dentro del paquete aún se están mejorando. Generalmente se usa en una estructura de paquete de 3 ~ 5 mm, y generalmente se usa para paquetes de LED con baja corriente (20 ~ 30mA) y baja potencia (menos de 0.1W). Se utiliza principalmente para la visualización o indicación de instrumentos, y también se puede utilizar como pantalla de visualización para la integración a gran escala. La desventaja es que el paquete tiene una gran resistencia térmica (generalmente superior a 100K / W) y tiene una vida útil corta.
(2) paquete de alimentación LED
El chip LED y el paquete se desarrollan en la dirección de alta potencia. Bajo la corriente alta, el flujo luminoso es 10-20 veces más grande que el del LED de mm5mm. La disipación de calor efectiva y los materiales de empaque no degradantes deben usarse para resolver el problema de deterioro de la luz. Por lo tanto, el paquete y el paquete son también la clave. Tecnología, paquetes de LED que pueden soportar varias potencias de W han surgido. Los LED de potencia blancos, verdes, azules, verdes y azules de la serie de 5W están disponibles desde principios de 2003. La salida de luz del LED blanco alcanza los 1871m, la eficiencia de la luz es de 44.31 lm / W, problema de decaimiento de luz verde y el LED que puede soportar una potencia de 10W es desarrollado. Tubo; El tamaño es de 2,5 mm X2,5 mm, puede funcionar a una corriente de 5 A, salida de luz hasta 2001 lm, ya que una fuente de iluminación sólida tiene mucho espacio para el desarrollo.
(3) Paquete de LED de tipo de montaje en superficie (SMD) (SMD)
Ya en 2002, el mercado aceptó gradualmente los LED empaquetados de montaje en superficie (SMDLED, por sus siglas en inglés) y ganaron una cierta cuota de mercado. Desde el paquete de plomo hasta el SMD, se ajustó a la tendencia de desarrollo de toda la industria electrónica y muchos fabricantes introdujeron dichos productos.
SMDLED es actualmente la mayor participación en el mercado de envases en el mercado de LED. Esta estructura de paquete de LED utiliza un proceso de moldeo por inyección para envolver el marco de plomo metálico en plástico PPA y formar una copa reflectora de una forma específica. El marco de plomo metálico se extiende desde la parte inferior de la copa del reflector hasta el lado del dispositivo. Las clavijas del dispositivo se forman aplanando hacia afuera o hacia adentro. La estructura SMDLED mejorada está acompañada por la tecnología de iluminación LED blanca. Con el fin de aumentar el consumo de energía de un solo dispositivo LED para aumentar el brillo del dispositivo, los ingenieros comenzaron a buscar formas de reducir la resistencia térmica de SMDLED e introdujeron el concepto de disipador de calor. Esta estructura mejorada reduce la altura de la estructura SMDLED original. El marco de plomo metálico se coloca directamente en la parte inferior del dispositivo LED. La copa reflectante se forma inyectando plástico alrededor del marco de metal. El chip se coloca en el marco de metal. El marco de metal se suelda directamente a través de la pasta de soldadura. Se forma un canal de disipación de calor vertical en la placa de circuito. Debido al desarrollo de la tecnología de materiales, la tecnología de envasado SMD ha superado los problemas iniciales de disipación de calor y vida útil, y se puede utilizar para empaquetar chips de LED blancos de alta potencia de 1 ~ 3W.
(4) paquete COB-LED
El paquete COB puede empaquetar directamente varios chips en la placa de circuito impreso a base de metal MCPCB, y disipar directamente el calor a través del sustrato, lo que no solo reduce el proceso de fabricación y el costo del soporte, sino que también tiene la ventaja de reducir la disipación del calor. El PCB puede ser un material de bajo costo FR-4 (epoxi reforzado con fibra de vidrio) o un compuesto a base de metal o cerámica de alta conductividad térmica (como un sustrato de aluminio o un sustrato cerámico revestido de cobre). La unión del cable se puede realizar mediante unión termosónica (unión de bola de alambre de oro) a alta temperatura y unión ultrasónica a una temperatura normal (soldadura de herramienta de perforación de aluminio). La tecnología COB se utiliza principalmente para el empaquetado LED de arreglos de múltiples chips de alta potencia. Comparado con SMD, no solo aumenta en gran medida la densidad de potencia del paquete, sino que también reduce la resistencia térmica del paquete (generalmente 6-12W / m · K).
Desde la perspectiva del costo y la aplicación, COB se convertirá en la dirección principal del futuro diseño de iluminación. El módulo LED del paquete COB tiene una pluralidad de chips LED montados en el sustrato. El uso de múltiples chips no solo mejora el brillo, sino que también facilita la configuración racional de los chips LED y reduce la cantidad de corriente de entrada de un solo chip LED para garantizar una alta eficiencia. Además, esta fuente de luz superficial puede expandir en gran medida el área de disipación de calor del paquete, de modo que el calor puede ser conducido más fácilmente a la carcasa exterior. La práctica tradicional de la luminaria LED es: dispositivo discreto de fuente de luz LED - módulo de fuente de luz MCPCB - luminaria LED, basada principalmente en la práctica de no utilizar los componentes de fuente de luz de núcleo aplicables, no solo requiere mucho tiempo, sino que también es costosa. De hecho, si toma la ruta del "módulo de fuente de luz COB - lámpara LED", puede ahorrar tiempo y mano de obra, y puede ahorrar el costo del embalaje del dispositivo.
En resumen, ya sea un paquete de un solo dispositivo o un paquete de COB modular, de baja potencia a alta, la estructura del paquete de LED está diseñada para reducir la resistencia térmica del dispositivo, mejorar la salida de luz y mejorar la confiabilidad.
4, tecnología de recubrimiento de fósforo
La estructura de conversión de luz, es decir, la estructura de revestimiento de fósforo, se dirige principalmente a la tecnología de iluminación de luz blanca LED, y tiene como objetivo convertir la luz de longitud de onda más corta emitida por el chip LED en una luz de longitud de onda más complementaria al color complementario (color blanco). complementario).
En la actualidad, hay tres formas de producir luz blanca usando fósforo: LED azul con fósforo amarillo; LED azul con fósforo rojo y verde; UV-LED con fósforo rojo, verde y azul. Entre ellos, los LED blancos comerciales son en su mayoría tipo chip único con LED azul y fósforo amarillo. El método de generación de luz blanca del LED azul con fósforo rojo y verde solo se informa en las patentes de OSRAM, Lumileds, etc., pero no se ha comercializado. Los productos aparecen y la forma en que se combinan los LED UV con fósforos de tres colores aún está en desarrollo.