【導讀】LED在照明市場一直都是關鍵所在,無論是LED驅動、LED照明設計、LED光學設計、LED散熱技術等等都至關重要。本文要講解的也是LED領域的一部分,LED封裝技術。本文就分享資深工程師多年經(jīng)驗總結的LED封裝技術。
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,或經(jīng)紫外線照射,發(fā)黃發(fā)黑,并導致密封膠和支架剝離。
鍵合線
金線:電導率大、耐腐蝕、韌性好,最大優(yōu)點是抗氧化,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,價格金線10%-30%,電導熱導 機械性能,焊點可靠性大于金
金線失效模式:
①虛焊脫焊,工藝不當,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兩種元素的擴散速率不同,導致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋。降低了焊點力學性能和電學性能
銅線失效模式:
①銅容易被氧化,鍵合工藝不穩(wěn)定
②硬度、屈服強度等物理參數(shù)高于金和鋁,鍵合時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:光學級PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯,即亞克力),塑膠類材料
優(yōu)點:生產(chǎn)效率高(注塑);透光率高(3mm時93%);
缺點: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:光學級尼龍料 (PC)聚碳酸酯,塑膠類材料
優(yōu)點:生產(chǎn)效率高(注塑);耐溫高(130度以上);
缺點:透光率稍底(87%)。
4.玻璃透鏡:光學玻璃材料,具有透光率高(97%)耐溫高等特點
缺點:易碎、非球面精度不易實現(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.對芯片進行機械保護,應力釋放
2.一種光導結構
3.折射率介于芯片和空氣之間,擴大全反射角,減少光損失
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硅膠
按分子鏈基團的種類分:
①甲基系有機硅膠(大部分,耐侯性更好)
②苯基系有機硅膠(成本高,折射率更好)
按使用領域分:
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:
1.耐溫
Si-O鍵為主鏈結構,鍵能121千卡/克分子,高于C-C82.6,熱穩(wěn)定性高,高溫或輻射化學鍵不斷裂,也耐低溫,化學,物理,機械性能,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上的應用
(1)固晶:混合銀粉以提高導熱效果,稱為固晶銀膠。
(2)混熒光粉硅膠
(3)表面填充LED硅膠:保護LED芯片,大功率LED透鏡內填充、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PPA的附著會提高,對固化,透光折射和MOD硬度沒影響,但會造成膠層的黃變,苯基類的硅膠也會引起變黃。
②添加熒光粉,添加填充物達到要求的硬度,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,半年時間就會失效
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,因為在硅膠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去,換成升溫固化的產(chǎn)品,可以解決這個問題。
④固化后表面不夠光滑,這是因為膠遇到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、良好的機械強度及電器絕緣性。
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間高溫下會變黃。
②過回流焊時,環(huán)氧耐高溫性能差導致環(huán)氧與襯底分離,產(chǎn)生光衰死燈等情況,所以應用在大功率照明上時壽命很短。
環(huán)氧樹脂因為價格低廉(和硅膠完全不是一個級別),而且儲存、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
白光的幾種實現(xiàn)形式
1.藍色LED芯片上涂敷能被藍光激發(fā)的黃色熒光粉
460nm波長的藍光芯片上涂一層YAG熒光粉,利用藍光LED激發(fā)熒光粉以產(chǎn)生與藍光互補的555nm波長黃光,并將互補的黃光、藍光混合得到白光。
2.藍色LED芯片上涂覆綠色和紅色熒光粉
芯片發(fā)出的藍光與熒光粉發(fā)出的綠光和紅光復合得到白光。
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)熒光粉而實現(xiàn)白光發(fā)射。
失效模式:
①熒光粉的材質對白光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光衰的影響程度也不相同,這與熒光粉的原材料成分關系密切。
③選用最好材質的白光熒光粉,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:亮度高,發(fā)射峰寬,成本低,應用廣泛
缺點: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:日亞化學壟斷
2.硅酸鹽熒光粉:
優(yōu)點:激發(fā)波段寬,綠粉和橙粉較好
缺點:發(fā)射峰窄,對濕度較敏感,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、歐司朗光電半導體等公司所擁有
3. 氮化物與氮氧化物熒光粉:
優(yōu)點:激發(fā)波段寬,溫度穩(wěn)定性好,非常穩(wěn)定紅粉、綠粉較好,藍色到紅色的全部色域
缺點:制造成本較高,發(fā)射峰較窄
專利:荷蘭Eindhoven大學、日本 材料科學國家實驗室(NIMS)、三菱化學公司、Ube工業(yè)與歐司朗光電半導體,北京宇極科技。
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