Fasilitas Canggih Produksi EfisienLED (light-emitting diode) telah menjadi hot spot untuk kompetisi di industri strategis internasional yang sedang berkembang. Dalam rantai industri LED, hulu mencakup bahan substrat, epitaxy, desain dan manufaktur chip, jangkauan tengah mencakup teknologi pengemasan, peralatan dan teknologi pengujian, dan hilirnya adalah tampilan LED, penerangan dan aplikasi penerangan. Saat ini, LED biru + proses fosfor kuning terutama digunakan untuk mewujudkan cahaya putih daya tinggi LED, yaitu, kuning YAG (yttrium aluminium garnet) pemancar kuning fosfor dipancarkan oleh bagian dari biru berbasis GaN LED, dan bagian lain dari cahaya biru dipancarkan melalui fosfor. Cahaya kuning yang dipancarkan oleh fosfor kuning dicampur dengan cahaya biru yang ditransmisikan untuk mendapatkan cahaya putih. Cahaya biru yang dipancarkan oleh chip LED biru melewati fosfor kuning yang dilapisi di sekitarnya, dan fosfor bersemangat oleh bagian cahaya biru untuk memancarkan cahaya kuning, dan spektrum cahaya biru dan spektrum cahaya kuning saling tumpang tindih untuk membentuk putih cahaya.
Sebagai bagian penting dari rantai industri, kemasan LED berdaya tinggi adalah teknologi manufaktur inti untuk mempromosikan aplikasi praktis pencahayaan dan tampilan semikonduktor. Hanya melalui pengembangan resistansi termal yang rendah, efisiensi bercahaya tinggi dan keandalan tinggi kemasan LED dan teknologi manufaktur, chip LED adalah perlindungan mekanis dan listrik yang baik, mengurangi dampak faktor mekanis, listrik, termal, basah, dan eksternal lainnya pada kinerja chip, untuk memastikan LED Pekerjaan chip yang stabil dan andal dapat memberikan pencahayaan dan efek tampilan yang efisien dan berkesinambungan, mewujudkan keunggulan hemat energi dan umur panjang dari LED, dan mempromosikan pengembangan jinak dari seluruh pencahayaan semikonduktor dan rantai industri display. Mengingat pertimbangan kepentingan pasar oleh perusahaan terkait asing, teknologi inti dan peralatan yang relevan diblokir. Oleh karena itu, sangat mendesak untuk mengembangkan teknologi pengemasan LED berdaya tinggi yang independen, terutama peralatan pengemasan LED putih. Artikel ini akan secara singkat memperkenalkan penelitian dan status aplikasi dari kemasan LED daya tinggi, menganalisis dan merangkum masalah teknis utama dalam proses kemasan LED daya tinggi, untuk menarik perhatian mitra-mitra domestik, dan berusaha untuk mencapai otonomi teknologi dan peralatan utama LED daya tinggi. .
Teknologi proses pengemasan memainkan peran penting dalam kinerja LED. Pilihan metode pengemasan LED, bahan, struktur, dan proses terutama ditentukan oleh faktor-faktor seperti struktur chip, karakteristik optoelektronik / mekanik, aplikasi spesifik, dan biaya. Dengan peningkatan daya, terutama pengembangan teknologi pencahayaan solid-state, persyaratan baru dan lebih tinggi telah diajukan untuk struktur optik, termal, listrik dan mekanik paket LED. Agar dapat secara efektif mengurangi hambatan termal dari paket dan meningkatkan efisiensi cahaya, ide teknis baru harus diadopsi untuk desain paket. Dari perspektif kompatibilitas proses dan menurunkan biaya produksi, desain paket LED harus dilakukan bersamaan dengan desain chip, yaitu desain paket harus mempertimbangkan struktur dan proses paket. Saat ini, tren pengembangan utama dari struktur paket daya LED adalah: miniaturisasi ukuran, minimalisasi hambatan termal perangkat, penambalan planar, suhu tahan persimpangan maksimum, memaksimalkan fluks lampu tunggal; tujuannya adalah untuk meningkatkan fluks bercahaya, efisiensi cahaya, dan mengurangi cahaya. Pembusukan, kehilangan efisiensi, meningkatkan konsistensi dan keandalan. Secara khusus, teknologi utama dari kemasan LED berdaya tinggi meliputi: teknologi dispersi termal, teknologi desain optik, teknologi desain struktural, teknologi pelapisan fosfor, dan teknologi penyolderan eutektik.
1, teknologi pendingin
Suhu rata-rata LED node tidak dapat melebihi 120 ° C. Bahkan perangkat terbaru yang diperkenalkan oleh Lumileds, Nichia, CREE, dll., Suhu simpul maksimum tidak dapat melebihi 1500 ° C. Oleh karena itu, efek radiasi termal dari perangkat LED pada dasarnya dapat diabaikan, dan konduksi panas dan konveksi adalah cara utama pembuangan panas LED. Dalam desain disipasi panas, konduksi panas pertama kali dipertimbangkan karena panas pertama kali dilakukan dari modul paket LED ke heat sink. Oleh karena itu, bahan pengikat dan media adalah tautan utama dari teknologi pembuangan panas LED.
Bahan ikatan terutama mencakup tiga cara utama lem konduktif termal, pasta perak konduktif dan solder paduan. Perekat konduktif termal adalah sejenis pengisi dengan konduktivitas termal tinggi yang ditambahkan ke bagian dalam substrat, seperti SiC, A1N, A12O3, SiO2, dll., Dengan demikian meningkatkan konduksi panasnya; pasta perak konduktif adalah bahan komposit yang dibentuk dengan menambahkan bubuk perak ke dalam resin epoksi, dan pengerasan pasta diterapkan. Suhu umumnya lebih rendah dari 200 ° C, yang memiliki keunggulan konduktivitas termal yang baik dan kinerja ikatan yang andal, tetapi penyerapan cahaya oleh pasta perak relatif besar, menghasilkan penurunan efisiensi cahaya.
Substrat terutama mencakup tiga mode utama dari substrat keramik, substrat keramik dan substrat komposit. Substrat keramik terutama merupakan substrat LTCC dan substrat AIN. Substrat LTCC memiliki banyak keunggulan seperti pencetakan mudah, proses sederhana, biaya rendah dan mudah untuk membuat berbagai bentuk. Al dan Cu adalah bahan yang sangat baik untuk substrat paket LED. Karena konduktivitas bahan logam, seringkali perlu untuk melewati isolasi permukaan. Anodizing untuk membentuk lapisan isolasi tipis di permukaan. Komposit matriks logam terutama meliputi bahan komposit berbasis Cu dan bahan komposit berbasis Al. Occhionero et al. menjelajahi aplikasi AlSiC pada flip-chip, perangkat optoelektronik, perangkat daya, dan heat sink LED daya tinggi. Penambahan grafit pirolitik ke AlSiC juga memenuhi persyaratan untuk pembuangan panas yang lebih tinggi. Ada lima jenis utama substrat komposit di masa depan: bahan karbon monolitik, komposit matriks logam, komposit berbasis polimer, komposit karbon, dan paduan logam canggih.
Selain itu, antarmuka paket memiliki pengaruh besar pada ketahanan termal. Kunci untuk meningkatkan paket LED adalah mengurangi antarmuka dan kontak antarmuka tahan panas dan meningkatkan pembuangan panas. Oleh karena itu, pilihan bahan antarmuka termal antara chip dan media pendingin sangat penting. Penggunaan suhu rendah atau solder eutektik, pasta solder atau pasta konduktif dengan partikel nano sebagai bahan antarmuka termal dapat sangat mengurangi antarmuka termal antarmuka.
2, teknologi desain optik
Desain optik paket LED mencakup desain optik bagian dalam dan desain optik luar.
Kunci untuk desain optik internal adalah pilihan dan aplikasi lem pot. Dalam pemilihan lem pot, diperlukan transmisi cahaya yang tinggi, indeks bias tinggi, stabilitas termal yang baik, fluiditas yang baik dan penyemprotan yang mudah. Untuk meningkatkan keandalan paket LED, senyawa pot juga harus memiliki higroskopisitas rendah, tekanan rendah, suhu, dan perlindungan lingkungan. Senyawa pot yang saat ini digunakan meliputi resin epoksi dan gel silika. Di antara mereka, gel silika memiliki transmisi cahaya yang tinggi (transmisi tinggi dalam kisaran terlihat lebih dari 99%), indeks bias tinggi (1,4 hingga 1,5), stabilitas termal yang baik (dapat menahan suhu tinggi 200 ° C), dan tekanan rendah ( Young's modulus) Rendah), higroskopisitas rendah (kurang dari 0,2%), dll., Secara signifikan lebih baik daripada resin epoksi, banyak digunakan dalam kemasan LED berdaya tinggi. Namun, kinerja gel silika sangat dipengaruhi oleh suhu sekitar, yang mempengaruhi efisiensi cahaya LED dan distribusi intensitas cahaya. Karena itu, proses persiapan gel silika perlu ditingkatkan.
Desain optik eksternal mengacu pada konvergensi dan pembentukan balok keluar untuk membentuk medan cahaya dengan distribusi intensitas yang merata. Ini terutama mencakup desain konsentrator reflektif (optik primer) dan desain lensa pembentukan (optik sekunder). Untuk modul array, ini juga mencakup distribusi array chip. Lensa yang umum digunakan termasuk lensa cembung, lensa cekung, cermin bulat, lensa Fresnel, lensa gabungan, dll. Metode perakitan lensa dan LED daya tinggi dapat kedap udara dan semi-hermetis. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan pendalaman penelitian, mempertimbangkan persyaratan integrasi setelah pengemasan, lensa yang digunakan untuk membentuk balok menggunakan array microlens, dan array microlens dapat memainkan konvergensi paralel dua dimensi, membentuk, collimation, dll dalam optik jalan. Ini memiliki keunggulan presisi pelurusan tinggi, fabrikasi nyaman dan dapat diandalkan, dan mudah digabungkan dengan perangkat planar lainnya. Penelitian menunjukkan bahwa penggunaan array microlens difraksi alih-alih lensa biasa atau mikrolensa Fresnel dapat sangat meningkatkan kualitas sinar dan meningkatkan intensitas cahaya yang dipancarkan. LED adalah teknologi baru yang paling menjanjikan untuk pembentukan balok.
3, struktur paket LED
Teknologi dan struktur pengemasan LED telah berada di tahap utama, paket daya, chip (SMD), chip-on-board (COB).
(1) Paket Timbal LED
Paket kaki LED menggunakan bingkai timah sebagai pin untuk berbagai jenis paket. Ini adalah struktur paket pertama yang berhasil dikembangkan di pasar. Variasi produk tinggi, kematangan teknologi tinggi, dan struktur dan lapisan reflektif di dalam paket masih ditingkatkan. Biasanya digunakan dalam struktur paket 3 ~ 5mm, dan umumnya digunakan untuk paket LED dengan arus rendah (20 ~ 30mA) dan daya rendah (kurang dari 0,1W). Ini terutama digunakan untuk tampilan instrumen atau indikasi, dan juga dapat digunakan sebagai layar tampilan untuk integrasi skala besar. Kerugiannya adalah bahwa paket memiliki ketahanan termal yang besar (umumnya lebih tinggi dari 100K / W) dan memiliki umur yang pendek.
(2) Paket LED daya
Chip dan paket LED dikembangkan ke arah daya tinggi. Di bawah arus tinggi, fluks bercahaya 10-20 kali lebih besar dari pada LED Φ5mm. Pembuangan panas yang efektif dan bahan kemasan yang tidak menurunkan kualitas harus digunakan untuk memecahkan masalah peluruhan cahaya. Karena itu, paket dan paket juga merupakan kuncinya. Teknologi, paket LED yang dapat menahan beberapa daya W telah muncul. Seri 5W putih, hijau, biru hijau, LED daya biru telah tersedia sejak awal tahun 2003. Output lampu LED putih mencapai 1871m, efisiensi cahaya 44,31 lm / W masalah kerusakan lampu hijau, dan LED yang dapat menahan daya 10W dikembangkan. Tabung; ukuran 2.5mm X2.5mm, dapat bekerja pada arus 5A, output cahaya hingga 2001 lm, karena sumber penerangan yang solid memiliki banyak ruang untuk pengembangan.
(3) Paket LED tipe mount (SMD) (SMD)
Pada awal tahun 2002, LED permukaan paket yang dikemas (SMDLEDs) secara bertahap diterima oleh pasar, dan memperoleh pangsa pasar tertentu. Dari paket timah ke SMD, itu sesuai dengan tren pengembangan seluruh industri elektronik, dan banyak produsen memperkenalkan produk-produk tersebut.
SMDLED saat ini merupakan pangsa pasar pengemasan tertinggi di pasar LED. Struktur paket LED ini menggunakan proses pencetakan injeksi untuk membungkus bingkai timah logam dalam plastik PPA dan membentuk cangkir reflektor dari bentuk tertentu. Bingkai timah logam memanjang dari bagian bawah cangkir reflektor ke sisi perangkat. Pin perangkat dibentuk dengan meratakan ke luar atau ke dalam. Struktur SMDLED yang ditingkatkan disertai dengan teknologi pencahayaan LED putih. Untuk meningkatkan konsumsi daya perangkat LED tunggal untuk meningkatkan kecerahan perangkat, para insinyur mulai menemukan cara untuk mengurangi resistensi termal SMDLED dan memperkenalkan konsep heat sink. Struktur yang ditingkatkan ini mengurangi ketinggian struktur SMDLED asli. Bingkai timah logam ditempatkan langsung di bagian bawah perangkat LED. Cangkir reflektif dibentuk dengan menyuntikkan plastik di sekitar bingkai logam. Chip ditempatkan pada bingkai logam. Bingkai logam disolder langsung melalui pasta solder. Saluran pembuangan panas vertikal terbentuk pada papan sirkuit. Karena perkembangan teknologi material, teknologi pengemasan SMD telah mengatasi masalah awal disipasi panas dan masa pakai, dan dapat digunakan untuk mengemas chip LED putih daya tinggi 1 ~ 3W.
(4) Paket COB-LED
Paket COB dapat langsung mengemas beberapa chip pada papan sirkuit cetak berbasis logam MCPCB, dan secara langsung membuang panas melalui substrat, yang tidak hanya mengurangi proses pembuatan dan biaya braket, tetapi juga memiliki keuntungan mengurangi pembuangan panas. PCB dapat berupa bahan FR-4 berbiaya rendah (serat gelas yang diperkuat epoksi) atau logam berbasis konduktivitas termal tinggi atau komposit berbasis keramik (seperti substrat aluminium atau substrat keramik berlapis tembaga). Ikatan kawat dapat dilakukan dengan ikatan termosonik (ikatan kawat emas) pada suhu tinggi dan ikatan ultrasonik pada suhu normal (pengelasan alat bor aluminium). Teknologi COB terutama digunakan untuk kemasan LED array multi-chip daya tinggi. Dibandingkan dengan SMD, itu tidak hanya sangat meningkatkan kepadatan daya paket, tetapi juga mengurangi ketahanan termal paket (umumnya 6-12W / m · K).
Dari perspektif biaya dan aplikasi, COB akan menjadi arah utama dari desain pencahayaan masa depan. Modul LED dari paket COB memiliki sejumlah chip LED yang dipasang pada media. Penggunaan beberapa chip tidak hanya meningkatkan kecerahan, tetapi juga memfasilitasi konfigurasi rasional chip LED dan mengurangi jumlah arus input dari chip LED tunggal untuk memastikan efisiensi tinggi. Selain itu, sumber cahaya permukaan ini dapat sangat memperluas area disipasi panas paket, sehingga panas dapat lebih mudah dilakukan ke casing luar. Praktik luminer LED tradisional adalah: Perangkat diskrit sumber cahaya LED - Modul sumber cahaya MCPCB - Luminer LED, terutama didasarkan pada praktik tidak menggunakan komponen sumber cahaya inti yang berlaku, tidak hanya memakan waktu, tetapi juga mahal. Bahkan, jika Anda mengambil rute "modul sumber cahaya COB - lampu LED", itu dapat menghemat tenaga dan waktu, dan dapat menghemat biaya kemasan perangkat.
Singkatnya, apakah itu paket perangkat tunggal atau paket COB modular, dari daya rendah ke daya tinggi, struktur paket LED dirancang untuk mengurangi resistensi termal perangkat, meningkatkan output cahaya dan meningkatkan keandalan.
4, teknologi lapisan fosfor
Struktur konversi cahaya, yaitu, struktur lapisan fosfor, terutama diarahkan ke teknologi pencahayaan cahaya putih LED, dan bertujuan untuk mengubah cahaya panjang gelombang yang lebih pendek yang dipancarkan oleh chip LED menjadi cahaya panjang gelombang yang lebih panjang yang melengkapi warna pelengkap (warna putih). komplementer).
Saat ini, ada tiga cara untuk menghasilkan cahaya putih dengan menggunakan fosfor: LED biru dengan fosfor kuning; LED biru dengan fosfor merah dan hijau; UV-LED dengan fosfor merah, hijau dan biru. Di antara mereka, LED putih komersial kebanyakan jenis chip tunggal dengan LED biru dan fosfor kuning. Metode generasi cahaya putih LED biru dengan fosfor merah dan hijau hanya dilaporkan dalam paten OSRAM, Lumileds, dll., Tetapi belum dikomersialkan. Produk muncul, dan cara UV-LED dikombinasikan dengan fosfor tiga warna masih dalam pengembangan.