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物超所值!資深工程師多年調(diào)研總結(jié)LED封裝經(jīng)驗(yàn)

發(fā)布時(shí)間:2015-02-12 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】LED在照明市場一直都是關(guān)鍵所在,無論是LED驅(qū)動(dòng)、LED照明設(shè)計(jì)、LED光學(xué)設(shè)計(jì)、LED散熱技術(shù)等等都至關(guān)重要。本文要講解的也是LED領(lǐng)域的一部分,LED封裝技術(shù)。本文就分享資深工程師多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的LED封裝技術(shù)。

一. 材料和配件

封裝配件:透鏡,支架,鍵合線
封裝材料:固晶膠,密封膠,熒光粉

LED支架


①PPA高溫尼龍,耐溫更高,吸濕更少,熱穩(wěn)定,光穩(wěn)定,熱變形溫度約在300度,可過回流焊肯定沒問題共晶焊制程,基本也能承受 共晶焊
②LCP塑膠支架,液晶樹脂,可滿足溫度高的共晶焊,有長期耐黃變性,但無法做到PPA能的白度,初始亮度較差而無法大量推廣。
③陶瓷LED支架散熱性好,價(jià)格較為昂貴,約為PPA支架的10倍

支架鍍銀:提高光反射率

失效模式:

銀層與空氣中硫化氫、氧化合物、酸、堿、鹽類反應(yīng),或經(jīng)紫外線照射,發(fā)黃發(fā)黑,并導(dǎo)致密封膠和支架剝離。

鍵合線


金線:電導(dǎo)率大、耐腐蝕、韌性好,最大優(yōu)點(diǎn)是抗氧化,常用鍵合線
金銀合金線:適用于LED直插和SMD產(chǎn)品封裝焊線
鍍鈀銅線:適用于LED直插和集成電路封裝焊線
銅線:高純銅,適用于功率器件封裝焊線,價(jià)格金線10%-30%,電導(dǎo)熱導(dǎo) 機(jī)械性能,焊點(diǎn)可靠性大于金

金線失效模式:

①虛焊脫焊,工藝不當(dāng),芯片表面氧化
②和鋁的金屬間化合物:“紫斑”(AuAl2)和“白斑”(Au2Al), Au和Al兩種元素的擴(kuò)散速率不同,導(dǎo)致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋。降低了焊點(diǎn)力學(xué)性能和電學(xué)性能

銅線失效模式:

①銅容易被氧化,鍵合工藝不穩(wěn)定
②硬度、屈服強(qiáng)度等物理參數(shù)高于金和鋁,鍵合時(shí)需要更大的超聲能量和鍵合壓力,硅芯片造成損傷

透鏡

1.硅膠透鏡:耐溫高(可過回流焊),體積較小,直徑3-10mm。
2.PMMA透鏡:光學(xué)級(jí)PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,即亞克力),塑膠類材料

優(yōu)點(diǎn):生產(chǎn)效率高(注塑);透光率高(3mm時(shí)93%);
缺點(diǎn):耐溫差(熱變形溫度90度,PMMA燈罩須增加光源和燈罩的距離,或降低光源功率)。

3.PC透鏡:光學(xué)級(jí)尼龍料 (PC)聚碳酸酯,塑膠類材料

優(yōu)點(diǎn):生產(chǎn)效率高(注塑);耐溫高(130度以上);
缺點(diǎn):透光率稍底(87%)。

4.玻璃透鏡:光學(xué)玻璃材料,具有透光率高(97%)耐溫高等特點(diǎn)

缺點(diǎn):易碎、非球面精度不易實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。

一次透鏡:PMMA,硅膠
二次透鏡:PMMA,玻璃

灌封膠,固晶膠

灌封膠作用:

1.對(duì)芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù),應(yīng)力釋放
2.一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)
3.折射率介于芯片和空氣之間,擴(kuò)大全反射角,減少光損失
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硅膠

按分子鏈基團(tuán)的種類分:

①甲基系有機(jī)硅膠(大部分,耐侯性更好)
②苯基系有機(jī)硅膠(成本高,折射率更好)

按使用領(lǐng)域分:

①透鏡填充硅膠
②LED固晶硅膠

按硫化條件分:

①高溫硫化型LED硅膠(聚硅氧烷,分子量40~80萬)
②室溫硫化型LED硅膠(分子量3~6萬,雙組分和單組分包裝)

硅膠優(yōu)點(diǎn):

1.耐溫

Si-O鍵為主鏈結(jié)構(gòu),鍵能121千卡/克分子,高于C-C82.6,熱穩(wěn)定性高,高溫或輻射化學(xué)鍵不斷裂,也耐低溫,化學(xué),物理,機(jī)械性能,隨溫度的變化小。

2.耐候性

主鍵為Si-O,無雙鍵,不易被紫外光和臭氧分解。自然環(huán)境下可使用幾十年。

3.電氣絕緣性能

介電損耗、耐電壓、耐電弧、耐電暈、體積電阻系數(shù)和表面電阻系數(shù)好,電氣性能受溫度和頻率的影響很小。良好拒水性,在濕態(tài)條件下使用具有高可靠性。

4.低表面張力和低表面能

疏水、消泡、泡沫穩(wěn)定、防粘、潤滑、上光等性能優(yōu)異。

在LED上的應(yīng)用

(1)固晶:混合銀粉以提高導(dǎo)熱效果,稱為固晶銀膠。
(2)混熒光粉硅膠
(3)表面填充LED硅膠:保護(hù)LED芯片,大功率LED透鏡內(nèi)填充、透鏡模封、貼片式平面封裝、COB式大面積不規(guī)格封裝等。

硅膠失效模式


非法添加造成的硅膠失效:

①添加環(huán)氧樹脂,對(duì)PPA的附著會(huì)提高,對(duì)固化,透光折射和MOD硬度沒影響,但會(huì)造成膠層的黃變,苯基類的硅膠也會(huì)引起變黃。
②添加熒光粉,添加填充物達(dá)到要求的硬度,膠層在固化后發(fā)生黃邊,為了控制顏色的發(fā)黃,所以添加熒光粉,半年時(shí)間就會(huì)失效

硅膠使用中遇到的各種問題:

①固化后表面起皺,由收縮所引起膠中添加有溶劑型的硅樹脂造成。
②出現(xiàn)界面層。采用同類物質(zhì)想近的原理,改變硅膠與其的親合力。
③熒光粉發(fā)生沉淀,室溫固化型的膠,因?yàn)樵诠枘z中為了保持其透光性,折射率等,所以不能添加任何的懸浮劑進(jìn)去,換成升溫固化的產(chǎn)品,可以解決這個(gè)問題。
④固化后表面不夠光滑,這是因?yàn)槟z遇到S、P等中毒引起,需清洗下模具等系列工具

環(huán)氧樹脂

成形性、耐熱性、良好的機(jī)械強(qiáng)度及電器絕緣性。

添加劑:為滿足各種要求,需添加硬化劑、促進(jìn)劑、抗燃劑、偶合劑、脫模劑、填充料、顏料、潤滑劑

失效模式:

①環(huán)氧樹脂在短波照射或者長時(shí)間高溫下會(huì)變黃。
②過回流焊時(shí),環(huán)氧耐高溫性能差導(dǎo)致環(huán)氧與襯底分離,產(chǎn)生光衰死燈等情況,所以應(yīng)用在大功率照明上時(shí)壽命很短。

環(huán)氧樹脂因?yàn)閮r(jià)格低廉(和硅膠完全不是一個(gè)級(jí)別),而且儲(chǔ)存、使用和可加工性也較硅膠優(yōu)越,所以低功率LED和一些光感元器件依然使用環(huán)氧樹脂封裝

熒光粉

白光的幾種實(shí)現(xiàn)形式

1.藍(lán)色LED芯片上涂敷能被藍(lán)光激發(fā)的黃色熒光粉

460nm波長的藍(lán)光芯片上涂一層YAG熒光粉,利用藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉以產(chǎn)生與藍(lán)光互補(bǔ)的555nm波長黃光,并將互補(bǔ)的黃光、藍(lán)光混合得到白光。

2.藍(lán)色LED芯片上涂覆綠色和紅色熒光粉

芯片發(fā)出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的綠光和紅光復(fù)合得到白光。

3.紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多種顏色的熒光粉

利用該芯片發(fā)射的長波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm-410nm)來激發(fā)熒光粉而實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射。

失效模式:

①熒光粉的材質(zhì)對(duì)白光LED的衰減影響很大。有加速老化白光LED的作用
②不同廠商的熒光粉對(duì)光衰的影響程度也不相同,這與熒光粉的原材料成分關(guān)系密切。
③選用最好材質(zhì)的白光熒光粉,才有利于衰減控制。

幾種熒光粉的比較


1.石榴石型氧化物:

優(yōu)點(diǎn):亮度高,發(fā)射峰寬,成本低,應(yīng)用廣泛
缺點(diǎn):只能做出黃粉,激發(fā)波段窄,光譜中缺乏紅光的成分,顯色指數(shù)不高,很難超過85

專利:日亞化學(xué)壟斷

2.硅酸鹽熒光粉:

優(yōu)點(diǎn):激發(fā)波段寬,綠粉和橙粉較好
缺點(diǎn):發(fā)射峰窄,對(duì)濕度較敏感,缺乏好的紅粉,不太耐高溫,不適合做大功率LED,適合用在小功率LED

專利:仍為豐田合成、日亞化學(xué)、歐司朗光電半導(dǎo)體等公司所擁有

3. 氮化物與氮氧化物熒光粉:

優(yōu)點(diǎn):激發(fā)波段寬,溫度穩(wěn)定性好,非常穩(wěn)定紅粉、綠粉較好,藍(lán)色到紅色的全部色域
缺點(diǎn):制造成本較高,發(fā)射峰較窄

專利:荷蘭Eindhoven大學(xué)、日本 材料科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室(NIMS)、三菱化學(xué)公司、Ube工業(yè)與歐司朗光電半導(dǎo)體,北京宇極科技。

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