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LED封装质料的使用近况和生长趋向(上)

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2018-10-09 作者:冯亚凯 谭雨涵 泉源:龙虎和照明网 欣赏量: 网友批评: 0
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择要: 封装质料和封装工艺、封装设置装备摆设必要相互立室,他们基本是逐一对应的干系。LED封装的主流方法有以下几种:1)基于液态胶水的点胶灌封;2)基于固态 EMc 的Transfer Molding转进注射成型;3)基于半固化胶膜的真空压分解型;4)其他特别封装方法,如基于液态树脂的模具注射成型、基于触变胶水的刷涂或印刷、喷涂等封装工艺。

  冯亚凯 天津大学化工学院传授

  《2018龙虎和照明财产照明确皮书》要害质料 照料

  谭雨涵 北京十三中学

  一、LED封装技能与质料综述

  LED是半导体发光二极管,现已遍及使用于照明、表现、信息和传感器等诸多范畴。LED器件按功率及用处要求,接纳相应的封装质料,重要包罗环氧树脂、无机硅树脂和无机封装质料等。

  封装质料和封装工艺、封装设置装备摆设必要相互立室,他们基本是逐一对应的干系。LED封装的主流方法有以下几种:

  1)基于液态胶水的点胶灌封;

  2)基于固态 EMc 的Transfer Molding转进注射成型;

  3)基于半固化胶膜的真空压分解型;

  4)其他特别封装方法,如基于液态树脂的模具注射成型、基于触变胶水的刷涂或印刷、喷涂等封装工艺。

  1.1 点胶灌封技能

  点胶灌封技能是LED封装常用的尺度工艺,点胶工艺的焦点设置装备摆设包罗点胶机(有气压、柱塞泵、齿轮泵等供料方法)、一体成型的带围坝或反射杯的金属支架,封装质料为双组分或单组份胶水。无论液态环氧树脂照旧液态无机硅胶水,基本接纳双组分包装方法,这是由于双组分有利于质料的恒久存储,但点胶灌封前,他们需颠末充实混淆到达均一才气利用。为了将胶水与无机质料(比方荧光粉)充实混淆,就必需借助于高速双行星疏散机,如许才气确保无机质料在无机树脂内的均一疏散。混淆后的质料需按提供商的保举操纵要领举行LED的封装,而且在划定工夫内用毕,不然,无机质料无法在液态胶水中恒久稳固疏散,会产生团圆和沉降征象。别的,A、B组分混淆后,纵然在室温贮存,也会产生化学交联或吸湿,从而影响质料的黏度稳固。环氧树脂重要以酸酐作为固化剂,设置装备摆设成加成反响型封装质料,这种环氧树脂是A、B双组分派方。别的,环氧树脂还可以基于阳离子反响机理设置装备摆设成单组份胶水。这种阳离子反响配方质料更具耐热性和耐低温黄变本领,但碍于催化体系本钱高,无法广泛利用,仅仅限定在触变性要求较高的封装范畴。用 于LED封装使用的无机硅胶水重要是接纳金属铂催化含双键的无机硅氧烷与含硅氢的无机硅氧烷的加成反响体系。该反响体系通常配制成A、B双组分封装质料,它们稳固性好,便于贮存。LED封装胶水大部门是热固化的质料,也有部门封装质料为了特别使用而接纳UV光固化体系。对付热固化质料,点胶后,胶水必要颠末150度约2-5小时的低温烘烤,完成完全固化封装。当树脂固化时,树脂会产生肯定的体积紧缩,孕育发生紧缩应力,这会对树脂与芯片、芯片与银胶的粘结、金线焊点部位、树脂与支架的联合界面等孕育发生肯定影响。因而,封装质料和封装工艺对LED器件的体系稳固性有间接联系关系,封装工程师必要体系过细研讨剖析,以确定最佳封装工艺和封装质料。

  1.2 基于热固性树脂封装质料的转进塑封(Transfer Molding)技能

  Transfer Molding 便是转进塑封技能,由塑封机、芯片及其支持质料、EMC(Epoxy Molding Compound) 封装树脂三大概素组成。重要塑封机设置装备摆设的分类和天生经济性总结在表1中。

  芯片的支持有金属支架(leadframe)和基板(PCB substrate)两种。正装芯片由导电或非导电固晶胶粘结在支架或基板上(die bonding),再颠末金线(部门产物用铝线或铜线)毗连芯片和支持的接点。倒装芯片则经过锡膏或共晶焊接牢固到支持上,免除金线毗连(wire bonding)。

  LED封装用环氧树脂塑封料EMC是由环氧树脂、固化剂、特种添加剂构成的半固化、常温为固态的树脂质料,呈圆柱状“饼料”。行业通常以直径35mm、46mm、48mm称为“大饼料”,实用于传统塑封机;而直径13mm、14mm、16mm为“小饼料”,实用于MGP模或全主动模机。EMC在封装温度,通常是150°c下开端消融,在塑封机的传输杆推进下,颠末流道,注射入含有芯片的模腔中。EMC在低温下会产生固化反响,而得到活动性,塑封机完成转进注射后,颠末几分钟的保压,即可确保EMC固化完全,完成LED封装历程。

  图1是EMC注射成型的表示图

  1.3 基于半固化无机硅荧光胶膜的热压合封装技能

  胶膜压合技能是近五年新兴的一种中大功率LED的CSP(chip scale package)封装要领。LED CSP布局具有光色均一、散热布局精良、贴装尺寸小等上风,在电视背光、手机背光、车灯、闪光灯、贸易照明及伶俐照明范畴,与传统正装 LED封装情势相比,胶膜压合技能有无法替换的技能上风,将推进LED范畴的疾速生长。LED行业的CSP观点参考了IC行业的观点,即封装后器件尺寸不凌驾未封装前裸芯片的1.14倍。LED行业的CSP观点与IC略有差别的是其和倒装芯片技能是精密联合的,即免去金线毗连(Wire Bonding),可间接供灯具厂表贴SMT利用。

  图2基于半固化无机硅荧光胶膜的热压合封装技能

  封装LED CSP的焦点技能是在芯片的五个出光面构成厚度可控、且匀称同等的荧光胶层。在胶膜法技能成熟之前,多接纳喷涂荧光胶水的方法在芯片外貌构成荧光层。喷涂工艺凭据LED色温设计,必要重复喷涂 7-15次才气到达设计要求,因而消费服从欠安。荧光胶膜压正当,借助于细密的压合设置装备摆设和压合治具、以及半固化荧光胶膜的稳固和均一性,可以或许以较高精度和服从制造CSP,大幅度地进步消费服从。

  图3是胶膜压正当的原理图

  荧光胶膜压正当工艺的焦点步调是:倒装芯片在耐热胶膜上阵列置晶、与预制的荧光胶膜在真空压合治具内联合、5-10分钟的真空保压及胶膜固化、硬化胶膜及芯片阵列的切割。真空压合设置装备摆设需具有上、下模板高精度控温、疾速抽真空、软合模行程控制等工艺基天性力。以35mil*35mil的倒装芯片为例,一块尺度 100mm*100mm的压合治具可以包容6000颗芯片阵列;已成熟量产的压合机操纵台面,一次性可安排4片尺度压合治具,由此可以得出单机台的CSP的消费本领(以压合周期10分钟计)为144K/hr。因而,荧光胶膜压正当是高服从、低本钱、易掌控的CSP制造要领。

  二、LED封装新兴细分范畴的封装质料

  根据质料化学构成分类,LED封装质料重要包罗环氧树脂和无机硅两大类;而根据封装使用和封装工艺方法分类,封装质料又有更多细分。表2给出了封装质料形状、 封装工艺、封装产物使用及质料供方竞争态势。

  2.1 细分市场一: 环氧EMC封装小功率指示用ChipLED

  小功率LED用于指示灯的器件接纳基板或金属支架封装的ChipLED,因产量大、良率和服从竞争猛烈,消费厂商基本接纳transfer Molding方法用固态环氧树脂封装。主流产物包罗红光、绿光、蓝光和黄光的ChipLED 0603,0805,1206 等,可以是单色、双色或RGB全彩。

  图 4 环氧EMC封装小功率指示用ChipLED

  这一范畴因白色家电和消耗电子对器件牢靠性要求适中,封装质料EMC重要夸大:

  (1)对PCB基板以及镀 银金属支架的粘结;

  (2)树脂耐回流焊温度,不产生热应 力去世灯;

  (3)耐返修解焊低温稳定黄。这一细分范畴代表质料有日东电工NT-8524、长春化工CV1002和德高化成TC-8020等。

  2.2 细分市场二:小功率白光ChipLED

  除黑色chipLED外,指示灯使用另有白光器件的需求; 别的,白光ChipLED 还可以使用在单色LCD背光、汽车气氛灯、汽车表现屏背光等高端使用。这类 LED器件,因功率较低(<0.2W),不用接纳耐受蓝光本领更高的无机硅质料,而是接纳中高耐蓝光环氧树脂EMC混淆荧光粉,以transfer Molding方法封装。这一细分市场多接纳SOL Epoxy的OP-1000、日东NT-600H、NT-814、 德高化成CT-8500、TC-8600等牌号。

  图 5 部门中高端耐蓝光环氧EMC的光衰比拟

  封装用户混淆荧光粉的最浩劫点在于干混法的疏散均一性。由于EMC厂商提供的胶饼一样平常呈圆柱颗粒状,封装厂需先行破坏,再与荧光粉按比例混淆,并再一次打饼成胶粒,这一历程为干混法。从疏散均一性来看,树脂的粉末均匀粒径越靠近荧光粉粒径(一样平常为D50=8-16um)、且树脂粉粒径漫衍半峰宽越窄,荧光粉的疏散均一度就越高,白光LED的落BIN就越会合。树脂破坏的粒径控制黑白常专业的粉体制造历程,必要专业的设置装备摆设与品格管控。现在,部门海内EMC厂商曾经适应市场要求,以粉体制品方法提供EMC质料。

  2.3 细分市场三:小间距RGB LED表现屏用环氧树脂EMC

  比年来,市场增长最快的LED细分产物是RGB表现屏。平凡间距(P>3)RGB仍接纳液态环氧灌封情势,使用较为会合的封装尺寸有1921、2121、3030、5050(反射杯外型尺寸),封装树脂较盛行使用稻田H2002(户内)及IK1001(户外)。

  图 6 RGB 屏封装尺寸与封装方法

  市场热门的小间距RGB屏(P<1.9)则接纳transfer Molding方法,由整块基版阵列固晶打线,经过over Molding成型、然后切割(singulation),制成五面发光的EMc1010及EMC0808。新一代基于R、G、B倒装芯片的Mini-COB,向着更小间距及控制IC集成化、模块化生长,家用tV将无望从LCD的Passive Mode 进入LED的Active Mode期间。

  RGB表现屏因恒久低温形态下事情,LED器件需经过严酷的PCT及TCT测试。封装树脂的粘结本领、耐潮气渗入渗出、不纯离子杂质含量是影响RGB器件牢靠性的要害要素。特殊是沿海都会的盐雾腐蚀,是RGB屏去世灯及常亮的生效重要缘故原由。生效原理如图7所示。

  图7 RGB器件生效原理表示图

  别的,户外RGB屏一样平常必要全功率点亮,并且,必要抵挡太阳紫外线的照射,这就要求封装质料耐蓝光光衰本领36个月连结80%以上。户内屏功率开启一样平常在30%- 50%,对封装质料耐光衰本领的要求稍低。别的,RGB屏的返修解锡历程的低温易形成封装质料黄变,这就必要树脂有较强耐低温功能。这一细分范畴可选的封装质料未几,除多数厂商利用无机硅树脂封装外,日东电工的高牢靠性树脂nt-600H基本是市场把持质料。近来,德高化成推出氯离子不纯物含量相比nt-600H低落70%的更高牢靠性EMC TC-8600,无望为RGB封装用户提供更多质料挑选。

  小间距EMC五面出光灯珠的封装型号(尺寸)重要有EMC1010、EMC0808、EMC0606。由于基板质料的热收缩系数(CTE)为4-7ppm/degc,而纯环氧树脂的热收缩系数为60-70ppm/degc,这两种质料的热收缩系数之差十分大,招致封装后整板质料翘曲。基板厚度越薄,则翘曲越创造显,乃至翘曲影响后道切割工序的举行。为了减小翘曲,可行的要领是低落环氧树脂封装质料的CTE(热收缩系数),通常添加无机粉体质料失掉环氧树脂-无机物复合质料,使其CTE靠近基板质料的CTE。这一技能在IC行业封装树脂中遍及使用而且成熟,但是,平凡的无机粉体大概不通明,大概离子不纯物含量超标,无法使用在RGB EMC通明环氧树脂体系中。德高化成近期颁发了添加特别通明粉体的TC-8600F环氧树脂-通明填料复合体系产物,该体系添加的粉体质料与环氧树脂有同等的光学折射率,可包管光芒透过率靠近纯环氧树脂。

  表4. 添加特别通明粉体的TC-8600F环氧树脂-通明填料复合体系的热收缩系数

  图8添加50%通明粉体的TC-8600F显着消弭翘曲结果图

  2.4 细分市场四:光谱挑选透过/吸取EMC

  随着智能手机、穿着设置装备摆设、物联网、大尺寸LCD白板的鼓起,红外通讯、情况光传感器、靠近光传感器等一系列红外器件敏捷生长起来。传感器的事情原理是经过对光谱的挑选性过滤,由LED芯片对特定波长光芒天生电信号反应,到达开关控制目标。封装树脂经过添加某些过滤物质,可以完成对可见光(550nm特性波长)或红外光(840nm特性波长)的挑选性透过,而屏蔽其他波段光芒进入芯片。可见光透过的器件可以做成情况光传感器,而红外光透过的器件可以与可见光透过器件组合,做成靠近光传感器。挑选性强且透过率高的过滤添加物现在尚待国产化。一样平常的红外器件基本接纳平凡EMC封装。某些新开辟的封装情势布局庞大、呈现球头添补不良、应力开裂、耐低温事情生效等技能题目,有待树脂厂家从活动性设计、高tg、低模量等偏向连续改进。

  图9染料与波段过滤图


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