Le processus de paquet LED haute puissance est complexe et la structure est lourde. Technologie de boîtier LED influence les performances et la durée de vie des LED. Au cours des dernières années, La technologie d'emballage LED est un projet de recherche en vogue. De nombreuses grandes entreprises ont investi beaucoup de ressources humaines et matérielles dans la recherche. La technologie d'emballage LED a été considérablement améliorée, en particulier, la recherche sur les emballages de LED blanches haute puissance a été plus approfondie, et une variété de processus d'emballage de LED ont été obtenus.
Les fonctions de l'emballage LED comprennent principalement:
- Renforcer la force et la stabilité des LED et améliorer la fiabilité des LED
- Renforce la dissipation thermique pour réduire la température de jonction des puces et améliorer les performances des LED;
- Renforcer le contrôle du flux lumineux, améliorer l'efficacité du flux lumineux et optimiser la répartition du faisceau;
- Renforcer la gestion de l'alimentation électrique, optimiser le contrôle de l'alimentation électrique, et améliorer l'efficacité de conversion du courant continu / CA;
La sélection des méthodes de package LED, matériels, les structures et les processus dépendent principalement de nombreux facteurs tels que la structure de la plaquette, caractéristiques optoélectroniques/mécaniques, applications spécifiques, et le coût. Après plus de 40 années de développement, L'emballage LED a connu des étapes de développement telles que le type de support (Lampe LED), type de patch (LED CMS), et LED d'alimentation (LED d'alimentation). Avec l'augmentation de la puissance de la puce, en particulier la demande pour le développement de la technologie d'éclairage à semi-conducteurs, des exigences nouvelles et plus élevées sont mises en avant en matière d'optique, thermique, structures électriques et mécaniques du boîtier LED. Afin de réduire efficacement la résistance thermique de l'emballage et d'améliorer l'efficacité de l'extraction de la lumière, nous devrions adopter de nouvelles idées techniques dans la conception de l'emballage.
Technologie clé du boîtier LED haute puissance
L'emballage des LED haute puissance implique des composants optiques, thermique, domaines électriques et autres, ainsi que la structure de conception et technologie de fabrication. Ces facteurs sont indépendants et s’influencent mutuellement. L'ensemble LED réduit l'indice de réfraction de la lumière, améliore le taux de passage de la lumière, réduit la résistance des matériaux, réduit le chauffage des LED et réduit la consommation électrique des LED. Pour atteindre ces objectifs, nous avons besoin d'un meilleur processus de fabrication et d'une meilleure conception. L'amélioration de ces propriétés est l'incarnation du niveau de package LED. La conception des puces est étroitement liée à la conception des emballages LED. Nous devrions réfléchir au processus et à la structure d'emballage à utiliser dans la conception des puces.. Sinon, une fois la fabrication de la puce terminée, la structure de la puce peut être ajustée en raison des besoins de l'emballage, ce qui prolonge le produit R & Cycle D et coût du processus, et conduit parfois même à une inadéquation entre le processus d'emballage des LED et la puce et à la défaillance du boîtier LED..
Processus d'emballage à faible résistance thermique
L’efficacité lumineuse théorique des LED est très élevée, mais l'efficacité de l'éclairage LED existant ne concerne que 20%, et 80% de l'énergie électrique sera convertie en chaleur. La lampe LED a un petit volume et une petite zone de puce. La dissipation thermique de la lampe LED est la considération clé du package LED. Mode de dissipation thermique des LED, Disposition de la dissipation thermique des puces, sélection du matériau d'emballage, forte dissipation thermique, conception du dissipateur thermique, etc..
La résistance thermique du boîtier LED comprend principalement la résistance thermique interne et la résistance thermique d'interface des matériaux (substrat de dissipation thermique et structure de dissipateur thermique). Le substrat de dissipation thermique absorbe la chaleur générée par la plaquette et la transfère au dissipateur thermique. Le dissipateur thermique transfère la chaleur à l'air. La LED transfère la chaleur de la plaquette à travers le substrat de dissipation thermique et le dissipateur thermique. Les matériaux utilisés pour les substrats de dissipation thermique sont généralement des matériaux à forte conductivité thermique, y compris la céramique (comme Al2O3, aïn, SiC), métaux (comme l'aluminium, cuivre), silicium et composites.
Afin de résoudre la dissipation thermique de la lampe haute puissance, le processus de fabrication des LED haute puissance est relativement complexe. Nous devons souder ensemble la puce LED et le substrat de dissipation thermique correspondant.. Il intègre un circuit de conduite, circuit de compensation de commande, circuit de protection des points scéniques et couche de soudure eutectique sur le substrat. Le substrat de dissipation thermique présente une structure simple et une conductivité thermique élevée, ce qui améliore considérablement les performances de dissipation thermique et résout le problème de dissipation thermique des emballages LED haute puissance.
Le traitement de l'interface de l'emballage est un autre facteur important pour résoudre le problème de dissipation thermique. Une manipulation correcte de l'interface améliorera considérablement l'effet de dissipation thermique, et l'interface de l'emballage a un grand impact sur la résistance thermique. L'interface de l'emballage est en bon contact à température ambiante. À haute température, le substrat se pliera légèrement avec la température élevée, résultant en un écart entre l'interface et l'interface, ce qui affectera la liaison et la dissipation thermique locale.
Un point d'optimisation du packaging LED est de réduire la résistance thermique de contact entre les interfaces et d'améliorer la dissipation thermique.. Interface thermique (TIM) est la couche intermédiaire entre la plaquette et le substrat thermique. Le choix des matériaux de TIM est très important. Les matériaux TIM couramment utilisés sont l'adhésif conducteur et l'adhésif thermoconducteur, qui ont une mauvaise conductivité thermique, généralement 0,5-2,5w/mk. L'adhésif conducteur du TIM incorporera des nanoparticules thermiquement conductrices pour réduire la résistance thermique de l'interface.
Structure et processus d'emballage à taux d'extraction de lumière élevé
La lumière générée par les LED entraînera de grandes pertes lorsqu'elle sera envoyée vers l'extérieur. Ces pertes se situent principalement sous trois aspects: les défauts de structure interne de la plaquette et l'absorption de certains photons par le matériau de la plaquette; La perte de réflexion causée par le grand indice de réfraction de la couche adhésive transparente lorsque le photon est décoloré; La perte de réflexion totale causée par l'angle d'émission thermique des photons entrant dans la couche adhésive transparente est supérieure à l'angle de réflexion total de la réflexion totale. Il est dommage que de nombreux photons soient perdus lorsqu'ils sont émis depuis la puce vers l'extérieur.
L'adhésif d'enrobage appliqué sur la surface de la plaquette a un indice de réfraction relativement élevé., ce qui réduira la perte de photons à l'interface et augmentera la transmission. Pendant que la colle d'empotage enveloppe la plaquette, la colle d'enrobage doit avoir un effet de protection mécanique sur la plaquette. Donc, l'adhésif d'enrobage ne doit pas seulement avoir un indice de réfraction et une transmission de la lumière élevés, mais aussi avoir une bonne stabilité et fluidité. Afin d'améliorer la durée de vie des LED et de réduire la dégradation lumineuse des LED, la colle d'enrobage doit de préférence avoir les caractéristiques d'une faible absorption d'humidité et d'une résistance au vieillissement.
À l'heure actuelle, les adhésifs d'empotage couramment utilisés comprennent la résine époxy et l'adhésif silicone. L'adhésif silicone a une faible hygroscopique, faible stress, bonne stabilité thermique, transmission élevée et indice de réfraction élevé. Elle présente des avantages évidents par rapport à la résine époxy. La plupart des boîtiers LED haute puissance utilisent un adhésif silicone, mais le coût est bien plus élevé que la résine époxy. Bien que le gel de silice ait une bonne stabilité et une bonne transmission de la lumière, ses performances sont liées à la température de l'environnement extérieur. Avec l'augmentation de la température, la contrainte thermique à l'intérieur du gel de silice augmentera et l'indice de réfraction diminuera, ce qui augmentera la perte de réfraction des photons et de réflexion totale et affectera la distribution uniforme de l'intensité lumineuse.
Le rôle des phosphores est de combiner la lumière et la couleur pour former une lumière blanche.. Les propriétés des phosphores incluent la taille, forme, stabilité, taux lumineux et taux de conversion. Les principaux indices de performance sont le taux lumineux et le taux de conversion. Des études ont montré qu'à mesure que la température augmente, l'efficacité quantique du phosphore diminue, le rendement lumineux diminue, et la longueur d'onde du rayonnement changera également, ce qui fera changer la température de couleur et la chromaticité de la LED blanche. Des températures plus élevées accéléreront également le vieillissement du phosphore. Le revêtement de phosphore utilise généralement du phosphore et du silicone ou de l'époxy.. Le problème majeur est une mauvaise dissipation de la chaleur. Lorsqu'il est exposé à un rayonnement à haute température ou à un rayonnement violet et ultraviolet, il absorbera trop de chaleur et vieillira, réduire l'efficacité lumineuse du phosphore.
En outre, il existe également des problèmes avec la stabilité thermique de la colle d'empotage et des phosphores à haute température. Étant donné que la taille des luminophores couramment utilisés est supérieure à 1 μm, l'indice de réfraction est supérieur ou égal à 1.85, tandis que l'indice de réfraction du silicone est généralement d'environ 1.5. L'indice de réfraction des deux matériaux est différent. Quand la lumière traverse des particules de poudre fluorescente, la réfraction et la réflexion totale se produiront, qui forme une diffusion de la lumière au niveau macro, réduit l'efficacité du flux lumineux et affecte la répartition de l'intensité lumineuse. En incorporant du nano-phosphore dans le gel de silicium, l'indice de réfraction peut être augmenté jusqu'à plus 1.8, la diffusion de la lumière peut être réduite, l'efficacité du flux lumineux LED (10%-20%) peut être amélioré, et la qualité de la couleur de la lumière peut être efficacement améliorée.
Il est difficile de contrôler avec précision l'épaisseur du revêtement de phosphore, ce qui entraîne un éclairage LED inégal, taches lumineuses, et la couleur de certaines zones d'irradiation est bleue ou jaune. Afin de résoudre ce problème, de nombreuses entreprises ont fait différentes tentatives. La technologie de revêtement conforme développée par la société MOKOLight peut résoudre le problème de la couverture uniforme du phosphore et de la distribution uniforme de la lumière LED.. Cependant, il y a un problème de diffusion de la lumière lors d'une utilisation spécifique, et le taux de rendement lumineux diminuera. L'Institut de recherche Rensselaer des États-Unis a proposé une méthode d'extraction par diffusion de photons-Méthode d'extraction de photons dispersés (SPÉ). Placer une lentille de focalisation sur la surface de la plaquette, et placer la feuille de verre contenant du phosphore à proximité du foyer de la lentille peut améliorer l'efficacité de la transmission de la lumière.
En général, afin d'améliorer l'efficacité et la fiabilité de la lumière LED, la couche d'encapsulation a tendance à être progressivement remplacée par du verre transparent ou de la vitrocéramique à indice de réfraction élevé. En ajoutant ou en enduisant de poudre de phosphore sur la surface du verre, cela n'améliorera pas seulement l'uniformité du phosphore est améliorée, et l'efficacité de l'emballage est améliorée.
Technologie de conditionnement de baies et d'intégration de systèmes
Après des années de développement, la conception des mécanismes menés et la technologie d'emballage ont connu d'innombrables changements, et les autres ont quatre itérations technologiques subversives.
- Type de prospect (Lampe) Pack LED
Le boîtier de type broche est la structure de boîtier A3-5 mm d'usage courant. Généralement utilisé dans les boîtiers LED à faible courant (20-30mA) et faible puissance (moins de 0,1 W). Il est principalement utilisé pour l'affichage ou l'indication des instruments, et peut également être utilisé comme écran d'affichage lors d'une intégration à grande échelle. L'inconvénient est que l'emballage a une grande résistance thermique (généralement supérieur à 100K/W) et une vie courte.
- Montage en surface (CMS) type de paquet(Pack LED CMS)
La technologie de boîtier LED SMT est une technologie de boîtier qui peut souder des composants électroniques à la position désignée de la carte de circuit électronique.. Spécifiquement, utilisez un outil ou un équipement spécifique pour aligner les broches de la puce sur le motif de terre pré-enduit d'adhésif et de pâte à souder, puis montez-le directement sur la surface du PCB sans percer les trous de montage. Suivant, nous pouvons fixer fermement les composants électroniques sur la carte de circuit électronique grâce au soudage par refusion ou au soudage à la vague, et dans ce processus, nous pouvons exploiter pleinement les caractéristiques des composants électroniques. La technologie SMT présente les avantages d'une grande fiabilité, bonnes caractéristiques haute fréquence, et une automatisation facile. Il s'agit de la technologie et du processus d'emballage les plus populaires dans l'industrie électronique..
- Puce à bord (ÉPI) Pack LED
COB est l'abréviation anglaise de Puce à bord (Puce à bord). C'est une sorte de puce LED qui est directement collée sur la carte PCB via un adhésif ou une soudure., et l'utilisation de la technologie d'emballage par liaison filaire peut aider à réaliser l'interconnexion électrique entre la puce et la carte PCB.. Le choix du matériau du PCB dépend de l'utilisation de la LED. S'il est utilisé dans des endroits importants, cela peut accepter des coûts élevés. Les PCB doivent utiliser des matériaux techniques coûteux ou des matériaux céramiques avec une bonne conductivité thermique (tel qu'un substrat en aluminium ou un substrat en céramique recouvert de cuivre, etc.); Le PCB peut utiliser FR-4 (résine époxy renforcée de fibre de verre) comme matériau s'il est utilisé dans des endroits sans importance qui ont de faibles exigences de performance et sont sensibles au coût.
Pour le collage de fils, il peut utiliser une liaison thermosonique à haute température (liaison par boule de fil d'or) et collage par ultrasons à température normale (collage de cales en aluminium). La technologie COB peut non seulement réduire efficacement la résistance thermique des emballages, mais améliore également la densité de puissance des emballages LED. Désormais, l'emballage des LED multi-puces haute puissance utilise principalement la technologie COB.
- Système emballé (Siroter) Pack LED
Au cours des dernières années, l'emballage des puces est une nouvelle façon de répondre aux besoins du système d'emballage des puces. La technologie d'emballage LED SIP peut non seulement assembler plusieurs puces électroluminescentes dans un seul emballage, mais également intégrer divers composants électroniques ensemble pour assembler un système complet et multifonctionnel. Par rapport à d'autres structures d'emballage, SIP est plus enclin au packaging de circuits intégrés complexes, pas seulement un simple emballage LED. Le processus d'emballage SIP présente une grande flexibilité, faible coût, tests séparés et cycle de développement court. Les emballages SIP peuvent être divisés en quatre types selon la technologie: tridimensionnel (3D) type d'emballage, type d'empilement de plaquettes, type de module et type MCM.
À l'heure actuelle, le remplacement des lampes à incandescence et des lampes au mercure haute pression par des dispositifs LED haute luminosité nécessite une augmentation du flux lumineux total ou du flux lumineux disponible. Et nous pouvons augmenter le flux lumineux grâce à des mesures telles que l'augmentation de l'intégration, augmenter la densité de courant, et en utilisant des puces de grande taille.
Pour réaliser des lampes LED haute luminosité, nous devons augmenter la puissance des LED, ce qui veut dire que la led produira plus de chaleur. Les performances de dissipation thermique des LED affectent directement l'efficacité lumineuse et la durée de vie des LED.. Si la dissipation thermique est mauvaise, la température de la puce LED augmentera en raison de l'accumulation de chaleur, ce qui peut réduire l'efficacité lumineuse, accélérer le vieillissement des composants concernés et réduire la durée de vie des LED. La matrice multi-puces est le meilleur moyen d'obtenir un débit élevé, mais l'emballage du tableau présente de nombreux problèmes, comme la dissipation thermique, connexion de composants électroniques, espace disponible et ainsi de suite, ce qui limite son développement, surtout la dissipation de la chaleur.
L'intégration haute densité des puces LED produit beaucoup de chaleur, qui ne peut pas disparaître en peu de temps, et la température du substrat de dissipation thermique augmente rapidement. Il est très nécessaire d'adopter un processus d'emballage et une structure de dissipateur thermique efficaces. Il existe deux types de structures de dissipateurs thermiques, l'un est une dissipation thermique active, et l'autre est la dissipation thermique passive. La dissipation thermique passive sélectionne généralement des ailettes avec un coefficient de nervure élevé, et dissipe la chaleur dans l'environnement par convection naturelle entre les ailettes et l'air. Cette solution a une structure simple et une grande fiabilité, mais en raison du faible coefficient de transfert de chaleur de la convection naturelle, il ne convient qu'à une faible densité de puissance et une faible intégration. Pour LED haute puissance (forfaits), il devrait adopter une dissipation thermique active, comme les palmes + les fans, caloducs, convection forcée des liquides, réfrigération à microcanaux, réfrigération à changement de phase, et ainsi de suite.
Comparaison de la technologie d'emballage COB et de la technologie d'emballage SMD
L'emballage COB a progressivement mûri dans le domaine des applications d'affichage LED, notamment dans le domaine des petits emplacements extérieurs avec ses avantages techniques uniques. Surtout ces deux dernières années, avec l'amélioration de la technologie de production et du processus de production, La technologie d'emballage COB a fait une percée qualitative. Certains facteurs qui limitaient le développement dans le passé ont également été résolus grâce au processus d'innovation technologique..
Donc, quels sont les avantages de la technologie d'emballage COB? Quelle est la différence entre celui-ci et l'emballage CMS traditionnel? Va-t-il remplacer le SMD et devenir le courant dominant de l'affichage LED à l'avenir?
Comparaison technologique
L'emballage COB consiste à fixer directement la puce LED avec de la colle conductrice et de la colle isolante sur le plot de soudure de la perle de lampe sur la carte PCB., puis soudez la puce LED pour des performances de conduction. Après avoir terminé le test, nous devons encapsuler la puce avec de la résine époxy.
Le package SMD consiste à fixer la puce LED sur le support du support de lampe avec de la colle conductrice et de la colle isolante., puis utilisez les mêmes performances de conduction que le package COB pour souder. Après le test de performance, il est encapsulé avec de la résine époxy, puis soumis à une légère division, découpe et collage, et transporté à l'usine de criblage.
Comparaison des avantages et des inconvénients
Il ne fait aucun doute que l'usine d'emballage SMD peut produire des perles de lampe de haute qualité, mais le processus de production est trop long et le coût sera relativement élevé. Cela augmentera également le coût du transport, stockage des matériaux et contrôle qualité depuis l'usine de conditionnement de perles de lampe jusqu'à l'usine de tamisage.
SMD estime que la technologie d'emballage COB est trop compliquée, et le taux de réussite unique du produit n'est pas aussi facile à contrôler qu'une seule lampe, et c'est même un obstacle insurmontable. Le point de défaillance ne peut pas être réparé, et le rendement est faible.
Emballage CMS, une technologie d'emballage monomère à billes de lampe unique, a accumulé de nombreuses années d'expérience pratique. Chaque entreprise possède des compétences uniques, Balance, et une technologie mature. C'est relativement simple à mettre en œuvre.
L'emballage COB est une nouvelle technologie d'emballage intégrant plusieurs perles de lampe. En pratique, beaucoup d'expérience technique dans les équipements de production, l'équipement du processus de production et les méthodes de test sont accumulés et vérifiés dans une pratique d'innovation continue. Cela nécessite un seuil technique élevé et une grande difficulté. La plus grande difficulté actuelle est de savoir comment améliorer le premier taux de réussite du produit.. Le packaging COB est confronté à un pic technologique, ce qui n’est pas insurmontable mais est relativement difficile à mettre en œuvre.
Le support à quatre coins ou hexagonal utilisé dans le boîtier CMS entraîne des difficultés techniques et des risques de fiabilité pour les liens de production ultérieurs. Par exemple, le processus de soudure par refusion de la surface du cordon de lampe doit résoudre le problème du rendement de soudure d'un grand nombre de broches de support. Si SMD doit être appliqué à l’extérieur, nous devons résoudre le problème de rendement de la protection extérieure des broches de support.
La technologie COB est précisément due au fait que ce support est omis, il n'y aura guère de difficultés techniques et de dangers cachés en matière de fiabilité dans les chaînes de production ultérieures. Il n'y a que deux collines techniques: La première consiste à s'assurer que la surface du cordon de lampe ne présente pas de points de défaillance lorsque la surface de la puce du pilote IC est refondue., et l'autre est de savoir comment résoudre le problème de la cohérence des couleurs de l'encre du module..
Comparaison complète
Technologie d'emballage COB:
De l’emballage à la finalisation de la fabrication des présentoirs, La technologie d'emballage COB intègre les maillons intermédiaires et en aval de la chaîne industrielle des écrans LED, et toute la production est réalisée dans une seule usine. Ce type d'organisation de la production est simple, le processus est compact, l'efficacité de la production est plus élevée, et il est plus propice à la configuration de la production entièrement automatisée. Cette forme organisationnelle est également plus propice au contrôle qualité de l'ensemble du processus produit.. Cette forme d'organisation est encore un tout organique. En phase de développement du produit, il est nécessaire de considérer les problèmes que vous pouvez rencontrer dans chaque maillon de production, et évaluer et formuler de manière exhaustive un plan de mise en œuvre technique. Ce type d'organisation peut également mieux assumer la responsabilité de la qualité auprès des clients finaux..
L'emballage COB n'est confronté qu'à un sommet technologique sur la route de la technologie d'emballage intégrée multibilles dans le domaine de l'affichage LED, qui apparaît dans le lien d'emballage des perles de lampe. Et ce genre de technologie n'est pas insurmontable, mais tout le monde ne peut pas y grimper. C'est une manifestation d'une technologie globale. Cela nécessite d’innombrables échecs et leçons apprises ainsi que des années d’accumulation et de précipitation techniques.. Il faut un esprit d’artisan ferme, terre à terre, n'a pas peur des difficultés et est innovant. Une fois franchi ce pic technologique, c'est comme une carpe sautant par-dessus une porte de dragon, et la route derrière la montagne sera douce. Il n'y aura plus de difficultés techniques dans l'ensemble du processus de production.
La courbe rouge de fiabilité du produit montre qu'une fois que le cordon de la lampe est scellé par le boîtier COB, le processus de production ultérieur a peu d'effet sur sa fiabilité. Après un an de candidature client, l'indice de fiabilité est quasiment le même que celui de l'emballage.
Technologie d'emballage CMS:
Dans la chaîne industrielle des écrans CMS, les entreprises d'emballage et les entreprises d'affichage sont deux types d'entreprises indépendants, et ces deux types d'entreprises se partagent les bénéfices industriels. Même si le gâteau est gros, il existe de nombreuses entreprises, concurrence féroce et faibles bénéfices. Ce type d’organisation complexe de la production gaspillera une partie des profits et de l’efficacité industriels., et il est relativement difficile de contrôler la qualité des produits. Puisque le lien d'emballage et le lien d'usine d'affichage sont indépendants l'un de l'autre, il est difficile de coopérer et de se coordonner efficacement pour résoudre les difficultés techniques du processus de production. Une fois que le client final utilise un produit présentant des problèmes de qualité, il est difficile de tenir des comptes avec de nombreux liens impliqués.
Du point de vue de la difficulté de mise en œuvre technique dans l'ensemble du processus de production et de l'impact sur la fiabilité du produit, la couleur et la signification de la courbe de la figure ci-dessous sont les mêmes que celles de la figure précédente. De la figure, nous pouvons voir qu'il existe un pic technologique à double bosse dans la chaîne industrielle de l'emballage des écrans CMS. Ces deux difficultés techniques apparaissent dans le lien d'usine d'écran, et le lien d'emballage est relativement faible en raison de la technologie mature et stable. Donc, la difficulté technique de l'affichage SMD dépassera la difficulté de la technologie d'emballage COB une fois additionnée.
