El proceso del paquete LED de alta potencia es complejo y la estructura es engorrosa. Tecnología de paquetes LED está influyendo en el rendimiento y la vida del LED. En los últimos años, La tecnología de envasado LED ha sido un proyecto de investigación en caliente. Muchas grandes empresas han invertido muchos recursos humanos y materiales en la investigación.. La tecnología de envasado LED ha mejorado enormemente, Especialmente la investigación sobre el envasado LED blanco de alta potencia ha sido más profunda, y se han obtenido una variedad de procesos de envasado LED.
Las funciones del embalaje LED incluyen principalmente:
- Fortalecer la fuerza y la estabilidad de LED y mejorar la fiabilidad del LED
- Fortalecer la disipación de calor para reducir la temperatura de la unión de la chip y mejorar el rendimiento del LED;
- Fortalecer el control de salida de luz, mejorar la eficiencia de salida de luz y optimizar la distribución del haz;
- Fortalecer la gestión de la fuente de alimentación, optimizar el control de la fuente de alimentación, y mejorar la eficiencia de conversión de DC / C.A.;
La selección de métodos de paquete LED, materiales, Las estructuras y procesos dependen principalmente de muchos factores, como la estructura de la oblea., Características optoelectrónicas/mecánicas, aplicaciones específicas, y costo. Después de más de 40 Años de desarrollo, El embalaje LED tiene etapas de desarrollo experimentadas como el tipo de soporte (LED de lámpara), tipo de parche (LED SMD), y LED de poder (LED de poder). Con el aumento de la potencia de chip, especialmente la demanda de desarrollo de tecnología de iluminación de estado sólido, Los requisitos nuevos y más altos se presentan en la óptica, térmico, Estructuras eléctricas y mecánicas del paquete LED. Para reducir efectivamente la resistencia térmica del paquete y mejorar la eficiencia de la extracción de luz, Deberíamos adoptar nuevas ideas técnicas en el diseño del paquete..
Tecnología clave del paquete LED de alta potencia
El embalaje LED de alta potencia implica óptica, térmico, campos eléctricos y de otro tipo, así como estructura de diseño y tecnología de fabricación. Estos factores son independientes e influyen entre sí. El paquete LED reduce el índice de refracción de la luz, mejora la tasa de luz de aprobación, reduce la resistencia de los materiales, reduce el calentamiento del LED y reduce el consumo de energía del LED. Para lograr estos propósitos, Necesitamos un mejor proceso de fabricación y un mejor diseño. La mejora de estas propiedades es la realización del nivel del paquete LED. El diseño de chips está estrechamente relacionado con el diseño de envasado LED. Deberíamos considerar qué proceso de empaque y estructura de empaque usar en el diseño de chips. De lo contrario, Después de completar la fabricación de chips, La estructura del chip se puede ajustar debido a las necesidades de los empaques, que prolonga el producto r & D Costo de ciclo y proceso, y a veces incluso conduce a la falta de coincidencia entre el proceso de embalaje LED y el chip y la falla del paquete LED.
Proceso de empaque de resistencia térmica baja
La eficiencia de luz teórica del LED es muy alta, Pero la eficiencia de iluminación LED existente se trata solo de 20%, y 80% de energía eléctrica se convertirá en calor. La lámpara LED tiene un pequeño volumen y área de chips pequeños. La disipación de calor de la lámpara LED es la consideración clave del paquete LED. Modo de disipación de calor LED, Diseño de disipación de calor con chip, selección de material de embalaje, disipación de calor fuerte, Diseño de disipador de calor, etc..
La resistencia térmica del paquete LED incluye principalmente la resistencia térmica interna y la resistencia térmica de la interfaz de los materiales (Sustrato de disipación de calor y estructura del disipador de calor). El sustrato de disipación de calor absorbe el calor generado por la oblea y transfiere el calor al disipador de calor. El disipador de calor transfiere el calor al aire. El LED transfiere el calor de la oblea a través del sustrato de disipación de calor y disipador de calor. Los materiales utilizados para los sustratos de disipación de calor son generalmente materiales con una fuerte conductividad térmica, incluyendo cerámica (como Al2O3, ain, Sic), rieles (como el aluminio, cobre), silicio y compuestos.
Para resolver la disipación de calor de la lámpara de alta potencia, El proceso de fabricación del LED de alta potencia es relativamente complejo. Necesitamos soldar el chip LED y el sustrato de disipación de calor correspondiente juntos. Integra el circuito de conducción, Circuito de compensación de control, Circuito escénico de protección de manchas y capa de soldadura eutéctica en el sustrato. El sustrato de disipación de calor tiene una estructura simple y una alta conductividad térmica del material alto, lo que mejora enormemente el rendimiento de la disipación de calor y resuelve el problema de disipación de calor del empaque LED de alta potencia.
El procesamiento de la interfaz de envasado es otro factor importante para resolver el problema de la disipación de calor. El manejo correcto de la interfaz mejorará en gran medida el efecto de disipación de calor, y la interfaz de empaque tiene un gran impacto en la resistencia térmica. La interfaz de empaque está en buen contacto a temperatura ambiente. A alta temperatura, El sustrato se doblará ligeramente con la alta temperatura, dando como resultado la brecha entre la interfaz y la interfaz, que afectará la unión y la disipación de calor local.
Un punto de optimización del envasado LED es reducir la resistencia térmica de contacto entre las interfaces y mejorar la disipación de calor. Interfaz térmica (Tim) es la capa intermedia entre la oblea y el sustrato térmico. La selección de material de Tim es muy importante. Los materiales de uso común son adhesivos conductores y adhesivos conductores térmicamente, que tienen poca conductividad térmica, generalmente 0.5-2.5W/mk. El adhesivo conductor de TIM incorporará nanopartículas conductivas térmicamente para reducir la resistencia térmica de la interfaz.
Estructura y proceso de la tasa de extracción de alta luz
La luz generada por LED causará grandes pérdidas cuando se envíe al exterior. Estas pérdidas están principalmente en tres aspectos: Los defectos de la estructura interna de la oblea y la absorción de algunos fotones por el material de la oblea; La pérdida de reflexión causada por el gran índice de refracción de la capa adhesiva transparente cuando el fotón está fuera de color; La pérdida de reflexión total causada por el ángulo de emisión térmica de los fotones que ingresan a la capa adhesiva transparente es mayor que el ángulo de reflexión total de la reflexión total. Es una pena que muchos fotones se pierdan cuando se emiten desde el chip hasta el exterior.
El adhesivo para macetas recubierto en la superficie de la oblea tiene un índice de refracción relativamente alto, que reducirá la pérdida de fotones en la interfaz y aumentará la transmitancia. Mientras el pegamento se envuelve la oblea, el pegamento para macetas debe tener un efecto de protección mecánica en la oblea. Por lo tanto, El adhesivo para macetas no solo debe tener un alto índice de refracción y transmitancia de luz, pero también tienen buena estabilidad y fluidez. Para mejorar la vida útil del LED y reducir la disminución de la luz del LED, El adhesivo para macetas debe tener preferiblemente las características de baja absorción de humedad y resistencia al envejecimiento.
Actualmente, Los adhesivos para macetas de uso común incluyen resina epoxi y adhesivo de silicona. El adhesivo de silicona tiene baja higroscópica, bajo estrés, buena estabilidad térmica, Alta transmitancia y alto índice de refracción. Tiene ventajas obvias sobre la resina epoxi. La mayoría del paquete LED de alta potencia usa adhesivo de silicona, Pero el costo es mucho más alto que la resina epoxi. Aunque el gel de sílice tiene buena estabilidad y transmitancia de luz, Su rendimiento está relacionado con la temperatura del entorno externo. Con el aumento de la temperatura, La tensión térmica dentro del gel de sílice aumentará y el índice de refracción disminuirá, que aumentará la pérdida de la refracción del fotón y la reflexión total y afectará la distribución uniforme de la intensidad de la luz.
El papel de los fósforos es combinar la luz y el color para formar luz blanca.. Las propiedades de los fósforos incluyen el tamaño, forma, estabilidad, tasa luminosa y tasa de conversión. Los principales índices de rendimiento son la tasa luminosa y la tasa de conversión. Los estudios han demostrado que a medida que aumenta la temperatura, la eficiencia cuántica del fósforo disminuye, la salida de luz disminuye, y la longitud de onda de radiación también cambiará, que causará la temperatura del color y la cromaticidad del LED blanco. Las temperaturas más altas también acelerarán el envejecimiento del fósforo. El recubrimiento de fosfor generalmente utiliza fósforo y silicona o epoxi. El problema prominente es la mala disipación de calor. Cuando se expone a radiación de alta temperatura o radiación morada y ultravioleta, absorberá demasiado calor y edad, Reducción de la eficiencia luminosa del fósforo.
Además, También hay problemas con la estabilidad térmica del pegamento para macetas y los fósforos a altas temperaturas. Dado que el tamaño de los fósforos de uso común está por encima de 1 μm, el índice de refracción es mayor o igual a 1.85, mientras que el índice de refracción de la silicona generalmente está cerca 1.5. El índice de refracción de los dos materiales es diferente. Cuando la luz pasa a través de partículas de polvo fluorescentes, La refracción y la reflexión total se producirán, que forma dispersión de luz a nivel macro, Reduce la eficiencia de salida de luz y afecta la distribución de intensidad de luz. Incorporando nano-fosfor en el gel de silicio, el índice de refracción se puede aumentar a 1.8, La dispersión de la luz se puede reducir, la eficiencia de salida de luz LED (10%-20%) se puede mejorar, y la calidad del color de la luz se puede mejorar efectivamente.
Es difícil controlar con precisión el grosor de recubrimiento del fósforo, resultando en iluminación LED desigual, manchas de luz, y el color de algunas áreas de irradiación es azul o amarillo. Para resolver este problema, Muchas empresas han hecho diferentes intentos. La tecnología de revestimiento conforme desarrollada por Mokolight Company puede resolver el problema de la cobertura uniforme de fósforo y distribución uniforme de la luz LED. Sin embargo, Hay un problema de dispersión de la luz en el proceso de uso específico, y la velocidad de salida de la luz disminuirá. Rensselaer Research Institute of USA ha propuesto un método de extracción de dispersión de fotones-Método de extracción de fotones dispersos (SPE). Colocar una lente de enfoque en la superficie de la oblea, y colocar la lámina de vidrio que contiene fósforo cerca del enfoque de la lente puede mejorar la eficiencia de la transmisión de luz.
En general, Para mejorar la eficiencia y la confiabilidad de la luz LED, La capa encapsulante tiende a ser reemplazada gradualmente por vidrio transparente o cerámica de vidrio con alto índice de refracción. Agregando o recubriendo el polvo de fósforo en la superficie del vidrio, No solo mejorará la uniformidad del fósforo., y la eficiencia del envasado se mejora.
Tecnología de embalaje de matriz e integración del sistema
Después de años de desarrollo, El diseño del mecanismo LED y la tecnología de envasado han experimentado innumerables cambios, y los otros tienen cuatro iteraciones de tecnología subversiva.
- Tipo de plomo (Lámpara) Paquete LED
El paquete de tipo pin es la estructura del paquete A3-5 mm de uso común. Generalmente utilizado en paquetes LED con baja corriente (20-30mamá) y baja potencia (menos de 0.1w). Se utiliza principalmente para la pantalla o indicación de instrumentos., y también se puede utilizar como una pantalla durante la integración a gran escala. La desventaja es que el paquete tiene una gran resistencia térmica (generalmente más alto de 100k/W) y una vida corta.
- Montaje en superficie (SMD) Tipo de paquete(Paquete LED SMT)
La tecnología del paquete LED SMT es una tecnología de empaque que puede soldar componentes electrónicos a la posición designada de la placa de circuito electrónico. Específicamente, Use una herramienta o equipo específico para alinear los pasadores de chip con el patrón de tierra previamente recubierto con adhesivo y pasta de soldadura, y luego montelo directamente en la superficie de la PCB sin perforar los agujeros de montaje. Próximo, Podemos fijar firmemente los componentes electrónicos en la placa de circuito electrónico a través de soldadura de reflujo o soldadura de olas, y en este proceso podemos hacer uso completo de las características de los componentes electrónicos. La tecnología SMT tiene las ventajas de alta fiabilidad, buenas características de alta frecuencia, y automatización fácil. Es la tecnología y el proceso de envasado más popular en la industria electrónica..
- Chip-on-board (MAZORCA) Paquete LED
COB es la abreviatura inglesa de Chip a bordo (Chip a bordo). Es un tipo de chip LED que se pegan directamente a la placa PCB a través del adhesivo o la soldadura., y el uso de la tecnología de embalaje de enlace de cables puede ayudar a realizar la interconexión eléctrica entre el chip y la placa PCB. La selección de material de PCB depende del uso de LED. Si se usa en lugares importantes, puede aceptar alto costo. PCB debe utilizar materiales técnicos de alto costo o materiales cerámicos con buena conductividad térmica (tales como sustrato de aluminio o sustrato de cerámica cubierto de cobre, etc.); PCB puede usar FR-4 (Resina epoxi reforzada con fibra de vidrio) como material si se usa en lugares sin importancia que tienen requisitos de bajo rendimiento y son sensibles al costo.
Para un enlace de alambre, puede usar la unión termosónica a alta temperatura (enlace de bola de alambre de oro) y unión ultrasónica a temperatura normal (enlace de cuña de aluminio). La tecnología COB no solo puede reducir efectivamente la resistencia térmica del empaque, pero también mejorar la densidad de potencia del envasado LED. Ahora el empaque del LED de matriz de chips múltiples de alta potencia utiliza principalmente tecnología COB.
- Sistema empaquetado (Sorbo) Paquete LED
En los últimos años, El empaque de chips es una nueva forma de satisfacer las necesidades del sistema de embalaje de chips. La tecnología de envasado LED SIP no solo puede ensamblar múltiples chips emisores de luz en un paquete, pero también integran varios componentes electrónicos juntos para ensamblar un sistema completo y multifuncional. En comparación con otras estructuras de envasado, SIP está más inclinado al complejo embalaje de circuito integrado, No solo un empaque LED simple. El proceso de envasado SIP tiene una alta flexibilidad, bajo costo, Pruebas separadas y breve ciclo de desarrollo. El envasado SIP puede caer en cuatro tipos según la tecnología: tridimensional (3D) tipo de embalaje, Tipo de apilamiento de obleas, tipo de módulo y tipo MCM.
Actualmente, Reemplazar las lámparas incandescentes y las lámparas de mercurio de alta presión con dispositivos LED de alta brillo requiere un aumento en el flujo luminoso total o el flujo luminoso disponible. Y podemos aumentar el flujo luminoso a través de medidas como aumentar la integración, aumentando la densidad de corriente, y usando chips de gran tamaño.
Para realizar lámparas LED de alto brillo, Necesitamos aumentar el poder del LED, lo que significa que LED producirá más calor. El rendimiento de la disipación de calor del LED afecta directamente la eficiencia luminosa y la vida útil del LED. Si la disipación de calor es pobre, La temperatura del chip LED aumentará debido a la acumulación de calor., que puede reducir la eficiencia luminosa, acelerar el envejecimiento de los componentes relevantes y reducir la vida útil del LED. La matriz de chips múltiples es la mejor manera de obtener un alto rendimiento, Pero el embalaje de la matriz tiene muchos problemas, como la disipación de calor, conexión de componentes electrónicos, espacio disponible y así sucesivamente, que limita su desarrollo, Especialmente disipación de calor.
La integración de alta densidad de los chips LED produce mucho calor, que no puede desaparecer en poco tiempo, y la temperatura del sustrato de disipación de calor aumenta rápidamente. Es muy necesario adoptar un proceso de embalaje eficiente y una estructura de disipador de calor. Hay dos tipos de estructuras de disipador de calor, uno es la disipación de calor activo, y el otro es la disipación de calor pasivo. La disipación de calor pasivo generalmente selecciona las aletas con un coeficiente acanalado alto, y disipa el calor al medio ambiente a través de la convección natural entre las aletas y el aire. Esta solución tiene una estructura simple y alta fiabilidad, pero debido al bajo coeficiente de transferencia de calor de convección natural, Solo es adecuado para baja densidad de potencia y baja integración. Para LED de alta potencia (paquetes), Debería adoptar la disipación de calor activo, como las aletas + admiradores, tuberías de calor, convección forzada de líquidos, refrigeración de microcanal, refrigeración de cambio de fase, etcétera.
Tecnología de envasado COB y comparación de tecnología de envasado SMD
El empaque de COB ha madurado gradualmente en el campo de las aplicaciones de visualización LED, especialmente en el campo de pequeños lanzamientos al aire libre con sus ventajas técnicas únicas. Especialmente en los últimos dos años, con la mejora de la tecnología de producción y el proceso de producción, La tecnología de envasado de COB ha hecho un avance cualitativo. Algunos factores que restringieron el desarrollo en el pasado también se han resuelto en el proceso de innovación tecnológica.
Entonces, ¿Cuáles son las ventajas de la tecnología de envasado de COB?? ¿Cuál es la diferencia entre él y el envasado SMD tradicional?? ¿Reemplazará SMD y se convertirá en la corriente principal de la pantalla LED en el futuro??
Comparación de tecnología
El embalaje de la mazorca es para arreglar directamente el chip LED con pegamento conductor y pegamento aislante en la almohadilla de soldadura de la cuenta de la lámpara en la placa PCB, y luego soldar el chip LED para el rendimiento de la conducción. Después de completar la prueba, Necesitamos encapsular el chip con resina epoxi.
El paquete SMD es para arreglar el chip LED en la almohadilla del soporte de la lámpara con pegamento conductivo y pegamento aislante, y luego use el mismo rendimiento de conducción que el paquete COB para soldar. Después de la prueba de rendimiento, Está encapsulado con resina epoxi, y luego sometido a división de luz, cortando y grabando, y transportado a la fábrica de pantalla.
Comparación de ventajas y desventajas
No hay duda de que la fábrica de envases SMD puede producir cuentas de lámparas de alta calidad, Pero el proceso de producción es demasiado y el costo será relativamente alto. También aumentará el costo del transporte, Almacenamiento de materiales y control de calidad de la planta de embalaje de la lámpara a la planta de pantalla.
SMD cree que la tecnología de envasado de COB es demasiado complicada, y la tasa de aprobación única del producto no es tan fácil de controlar como una sola lámpara, e incluso es un obstáculo insuperable. El punto de falla no se puede reparar, y el rendimiento es bajo.
Envasado SMD, Una tecnología de embalaje de monómero de cuentas de una sola lámpara, ha acumulado muchos años de experiencia práctica. Cada empresa tiene habilidades únicas, balanza, y tecnología madura. Es relativamente fácil de implementar.
COB Packaging es una nueva tecnología de embalaje que integra múltiples cuentas de lámparas. En la práctica, Mucha experiencia técnica en equipos de producción, El equipo de proceso de producción y los métodos de prueba se acumulan y verifican en la práctica continua de innovación. Requiere un alto umbral técnico y una gran dificultad. La mayor dificultad que enfrenta actualmente es cómo mejorar la primera tasa de aprobación del producto.. El empaque de la mazorca se enfrenta a un pico tecnológico, que no es insuperable pero es relativamente difícil de implementar.
El soporte hexagonal de cuatro esquinas o hexagonal utilizado en el paquete SMD aporta dificultades técnicas y riesgos de confiabilidad a los enlaces de producción posteriores. Por ejemplo, El proceso de soldadura de reflujo de la superficie del cordón de la lámpara debe resolver el problema del rendimiento de soldadura de una gran cantidad de pasadores de soporte. Si se aplicará SMD al aire libre, Debemos resolver el problema de rendimiento de protección al aire libre de los pasadores del soporte.
La tecnología COB es precisamente porque se omite este soporte, Difícilmente habrá demasiadas dificultades técnicas y peligros ocultos en los enlaces de producción posteriores.. Solo hay dos colinas técnicas: Una es cómo asegurarse de que la superficie del cordón de la lámpara no muestre puntos de falla cuando la superficie del chip del controlador IC se refleja, y el otro es cómo resolver el problema de la consistencia del color de la tinta del módulo.
Comparación completa
Tecnología de envasado de COB:
Desde el embalaje hasta la finalización de la fabricación de exhibiciones, La tecnología de envasado COB integra los enlaces intermedios y posteriores de la cadena de la industria de la pantalla LED, y toda la producción se completa en una fábrica. Este tipo de organización de producción es simple, El proceso es compacto, La eficiencia de producción es mayor, y es más propicio para el diseño de producción totalmente automatizado. Esta forma organizativa también es más propicio para el control de calidad de todo el proceso de productos.. Esta forma de organización sigue siendo un todo orgánico. En la etapa de desarrollo de productos, Es necesario considerar los problemas que puede encontrar en cada enlace de producción., y evaluar y formular exhaustivamente un plan de implementación técnica. Este tipo de organización también puede asumir mejor la responsabilidad de calidad para los clientes finales.
El embalaje de COB solo enfrenta un pico tecnológico en el camino de la tecnología de empaque integrada de múltiples cuentas en el campo de pantalla LED, que aparece en el enlace de envasado de cuentas de lámpara. Y este tipo de tecnología no es insuperable, Pero no todos pueden trepar sobre él. Es una manifestación de tecnología integral. Esto requiere innumerables fallas y lecciones aprendidas, así como años de acumulación técnica y precipitación. Necesita un espíritu artesano que sea firme, con los pies en la tierra, no teme a las dificultades e innovadoras. Una vez que cruzas este pico tecnológico, Es como una carpa que salta sobre una puerta de dragón, y el camino detrás de la montaña será suave. No habrá más dificultades técnicas en todo el proceso de producción..
La curva de confiabilidad del producto rojo muestra que una vez que el paquete de la lámpara está sellado por el paquete COB, El proceso de producción posterior tiene poco efecto en su confiabilidad.. Después de un año de aplicación del cliente, El índice de confiabilidad es casi el mismo que el de los empaques.
Tecnología de embalaje SMD:
En la cadena de la industria de la pantalla SMD, Las compañías de embalaje y las compañías de exhibición son dos tipos independientes de empresas, y estos dos tipos de empresas comparten ganancias industriales entre sí. Aunque el pastel es grande, Hay muchas empresas, competencia feroz y ganancias delgadas. Este tipo de organización de producción compleja desperdiciará parte de las ganancias industriales y la eficiencia, y es relativamente difícil controlar la calidad del producto. Dado que el enlace de empaque y el enlace de fábrica de pantalla son independientes entre sí, Es difícil cooperar y coordinar de manera efectiva para abordar las dificultades técnicas en el proceso de producción. Una vez que el cliente final usa un producto con problemas de calidad., Es difícil responsabilizar con muchos enlaces involucrados.
Desde la perspectiva de la dificultad de la implementación técnica en todo el proceso de producción y el impacto en la confiabilidad del producto, El color y el significado de la curva en la figura a continuación son los mismos que los de la figura anterior. De la figura, Podemos ver que hay un pico de tecnología de doble joroba en la cadena de la industria de envases de exhibición SMD. Ambas dificultades técnicas aparecen en el enlace de fábrica de pantalla, y el enlace de empaque es relativamente bajo debido a la tecnología madura y estable. Por lo tanto, La dificultad técnica de la pantalla SMD excederá la dificultad de la tecnología de envasado de COB cuando se agregue juntos.
