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惊艳无比的LED封装形态

发布时间:

2023-09-14 09:32


LED封装技术的要素有三点:封装结构设计、选用合适封装材料和工艺水平。

  目前LED封装结构形式有100多种,主要的封装类型有Lamp系列40多种、SMD(chip LED和TOP LED)系列30多种、COB系列30多种、PLCC、大功率封装、光集成封装和模块化封装等,封装技术的发展要紧跟和满足LED应用产品发展的需要。

  LED封装技术的基本内容

  LED封装技术的基本要求是:提高出光效率、高光色性能及器件可靠性。

  (1)提高出光效率

  LED封装的出光效率一般可达80~90%。

  ①选用透明度更好的封装材料:透明度≥95%(1mm厚度),折射率大于1.5等。

  ②选用高激发效率、高显性的荧光粉,颗粒大小适当。

  ③装片基板(反射杯)要有高反射率,出光率高的光学设计外形。

  ④选用合适的封装工艺,特别是涂覆工艺。

  (2)高光色性能

  LED主要的光色技术参数有:高度、眩光、色温、显色性、色容差、光闪烁等。

  显色指数CRI≥70(室外)、≥80(室外)、≥90(美术馆等)。

  色容差≤3 SDCM≤5 SDCM(全寿命期间)

  封装上要采用多基色组合来实现,重点改善LED辐射的光谱量分布SPD,向太阳光的光谱量分布靠近。要重视量子点荧光粉的开发和应用,来实现更好的光色质量。

  (3)LED器件可靠性

  LED可靠性包含在不同条件下LED器件性能变化及各种失效模式机理(LED封装材料退化、综合应力的影响等),这是主要提到可靠性的表征值—寿命,目前LED器件寿命一般为3~5小时,可达5~10万小时。

  ①选用合适的封装材料:结合力要大、应力小、匹配好、气密性好、耐温、耐湿(低吸水性)、抗紫外光等。

  ②封装散热材料:高导热率和高导电率的基板,高导热率、高导电率和高强度的固晶材料,应力要小。

  ③合适的封装工艺:装片、压焊、封装等结合力强,应力要小,结合要匹配。

  LED光集成封装技术

  LED光集成封装结构现有30多种类型,正逐步走向系统集成封装,是未来封装技术的发展方向。

  (1)COB集成封装

  COB集成封装现有MCOB、COMB、MOFB、MLCOB等30多种封装结构形式,COB封装技术日趋成熟,其优点是成本低。COB封装现占LED光源约40%左右市场,光效达160~178 lm/w,热阻可达2℃/w,COB封装是近期LED封装发展的趋势。

  (2)LED晶园级封装

  晶园级封装从外延做成LED器件只要一次划片,是LED照明光源需求的多系统集成封装形式,一般衬底采用硅材料,无需固晶和压焊,并点胶成型,形成系统集成封装,其优点是可靠性好、成本低,是封装技术发展方向之一。

  (3)COF集成封装

  COF集成封装是在柔性基板上大面积组装中功率LED芯片,它具有高导热、薄层柔性、成本低、出光均匀、高光效、可弯曲的面光源等优点,可提供线光源、面光源和三维光源的各种LED产品,也可满足LED现代照明、个性化照明要求,也可作为通用型的封装组件,市场前景看好。

  (4)LED模块化集成封装

  模块化集成封装一般指将LED芯片、驱动电源、控制部分(含IP地址)、零件等进行系统集成封装,统称为LED模块,具有节约材料、降低成本、可进行标准化生产、维护方便等很多优点,是LED封装技术发展的方向。

  (5)覆晶封装技术

  覆晶封装技术是由芯片、衬底、凸块形成了一个空间,这样封装出来的芯片具有体积小、性能高、连线短等优点,采用陶瓷基板、覆晶芯片、共晶工艺、直接压合等来达到高功率照明性能要求。

  用金锡合金将芯片压合在基板上,替代以往的银胶工艺,“直接压合”替代过去“回流焊”,具有优良的导电效果和导热面积。该封装技术是大功率LED封装的重要发展趋势。

  (6)免封装芯片技术

  免封装技术是一个技术的整合,采用倒装芯片,不用固晶胶、金线和支架是半导体封装技术70种工艺形成中的一种。

  PFC免封装芯片产品的光效可提升至200lm/w,发光角度大于300度的超广角全周光设计,不要使用二次光学透镜,将减少光效的耗损与降低成本,但要投入昂贵的设备。

  PFC新产品主打LED照明市场,特别是应用在蜡烛灯上,不仅可以模拟钨丝灯的造型,同时可以突破散热体积的限制。

  (7)LED其他封装结构形式

  ①EMC封装结构:是嵌入式集成封装形式(Embedded LED Chip)不会直接看到LED光源。

  ②EMC封装技术:(Epoxy Molding Compound)以环氧塑封料为支架的封装技术,具有高耐热、高集成度、抗UV、体积小等优点,但气密性差些,现已批量生产。

  ③COG封装:(Chip On Glass)将LED芯片放在玻璃基板上进行封装。

  ④QFN封装技术:小间距显示屏象素单元小于或等于P.1时,所采用的封装形式,将替代PLCC结构,市场前景看好。

  ⑤3D封装技术:以三维立体形式进行封装的技术,正在研发中。

  ⑥功率框架封装技术:(Chip-in-Frame Package)在小框架上封装功率LED芯片,产业化光效已达160~170 lm/w,可达200 lm/w以上。

  LED封装材料

  LED封装材料品种很多,而且正在不断发展,这里只简要介绍。

  (1)封装材料

  环氧树脂、环氧塑封料、硅胶、有机硅塑料等,技术上对折射率、内应力、结合力、气密性、耐高温、抗紫外线等有要求。

  (2)固晶材料

  ①固晶胶:树脂类和硅胶类,内部填充金属及陶瓷材料。

  ②共晶类:AuSn、SnAg/SnAgCu。

  (3)基板材料:铜、铝等金属合金材料

  ①陶瓷材料:Al2O3、AlN、SiC等。

  ②铝系陶瓷材料:称为第三代封装材料AlSiC、AlSi等。

  ③SCB基板材料:多层压模基板,散热好(导热率380w/m.k)、成本低。

  ④TES多晶质半导体陶瓷基板,传热速度快。

  (4)散热材料:铜、铝等金属合金材料

  石墨烯复合材料,导热率200~1500w/m.k。

  PCT高温特种工程塑料(聚对苯二甲酸1,4-环已烷二甲脂),加陶瓷纤,耐高温、低吸水性。

  导热工程塑料:非绝缘型导热工程塑料,导热率14w/m.k。

  绝缘型导热工程塑料,导热率8w/m.k。

LED,LED封装

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2023.11.15

LED光源的种类很多,不同的LED灯,内部结构所用的灯珠也会有细微差别。今天,小编为大家全面、系统地科普一下LED灯珠的常见类型,供大家参考使用。 1引脚插入型(DIP) 这种LED灯珠是结构最简单的发光二极管,因为灯珠下面有两根形似“脚”的细丝,可以直接穿接在电路板上,所以称之为引脚插入式的灯珠。     使用特点: 它的安全性好、性能稳定,在低电压的情况下就可以发光,并且低损耗、效能高、寿命长,还可以进行多色彩调光。   常见形状: 这种灯珠可以有各种不同的形状,像圆形、椭圆形、方形、甚至是异形等。虽然粗略地看上去,形状、大小都没有太大的区别,但是不同形状灯珠的横截面是不一样的。     发光类型: 如果你仔细地去观察不同灯珠,会发现有些灯珠“引脚”的数量是不同的,这些“引脚”可以使发光二极管产生不同颜色的光。     应用领域: 在照明领域里,几乎不使用引脚插入式灯珠;一般多用做车灯、指示灯、显示屏等。   2小功率表面贴装型(SMD) 这种灯珠光源是将发光二极管焊接在电路板表面,而不是穿过电路板。它的体积小,有的甚至比引脚插入式的灯珠还小上许多。   常见型号: 这类灯珠的型号有很多,最常用的有2835(PCT)、4014、3528、3014等,每个型号数字的前两位表示宽“x.x毫米”,后两位则表示长“x.x毫米”。比如2835代表宽2.8毫米、长3.5毫米。 表面涂有黄色荧光粉的灯珠,发出白光   应用领域: 这类小功率表贴灯珠的使用范围非常广泛,由于它体积很小,随便贴哪儿都可以使用,所以各种LED灯内都可以贴上它,并且数量可以根据需求调整更改。     3大功率表面贴装型 第三种灯珠也是表贴型,它与小功率表贴在本质上很类似,只不过大功率、体积都大一点;在细微结构上,多了一个透镜,可以将光线更好地汇聚在一起。     常见类型: 大功率表贴灯珠的类型也有很多种:     这里告诉大家一个小窍门:如果灯珠表面颜色偏黄,一般是低色温;如果表面颜色偏绿,一般是高色温;如果没有荧光粉、灯珠呈无色透明,一般是彩光的。   应用领域: 这种灯珠一般会套上透镜后使用(方便光线汇聚或分散),常做成射灯、投光灯。     4集成封装型(COB) 最后一类是集成封装型灯珠,它是将很多灯珠芯片封装在同一块板上,大小与5毛钱硬币的直径一致。     常见形状: 一般有圆形、长条形和方形,长条形集成板常用做台灯。     应用领域: 集成封装型LED灯逐渐应用地越来越多,在室内照明和户外照明均有使用。  

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2023.11.15

LED 即为发光二极管,是一种将电能转化为光能的半导体固体发光器件,其核心是 PN 结,它除了具有一般 PN 结的正向导通、反向截止和击穿特性外,在一定条件下,它还具有发光特性 。其结构主要包含以下几个部分:引线、支架、封装胶、键合丝、LED 芯片、固晶胶和荧光粉。LED 灯珠变色失效与其材料、结构、封装工艺和使用条件密切相关,以下将通过具体的案例来对其变色原因进行分析。     封装胶原因  1  封装胶中残留外来异物  失效灯珠的外观呈现局部变色发黑,如图 2 所 示。揭开封装胶,发现有一个黑色异物夹杂在封装胶内,用扫描电镜及能谱仪 (SEM&EDS) 对异物进行成分分析,确认其主成分为铝(Al)、碳(C)、氧 (O)元素, 还含有少量的杂质元素,测试结果如图 3 所示。结合用户反馈的失效背景可知,该异物是在封装过程中引入的。  2  封装胶受化学物质侵蚀发生胶体变色  失效品为玻璃光管灯,内部的 LED 灯带使用单组份室温固化硅橡胶粘结固定在玻璃管上,固胶部位灯带上的 LED 灯珠出现发黄变暗现象。失效灯珠封装胶的材质为硅橡胶,使用 SEM&EDS 测试封装胶的元素成分,发现其比正常灯珠封装胶成分多检出了硫(S)元素。 通常硫磺、有机二硫化物和多硫化物等含硫物质可以作为硫化剂,使橡胶发生硫化交联反应,从而使橡胶的结构改变,呈现出颜色发黄变暗、热分解温度升高的现象。通过 TGA 测试灯珠封装胶体的热分解温度可知,失效灯珠封装胶在失重 2%、5%、10%、15%和 20%时的温度均比同批次良品封装胶相同失重量的温度高出 25 ℃以上,封装胶热分解曲线如图 5 所示,证实了封装胶因发生硫化交联导致其热分解温度升高的现象。使用 ICPOES 进一步对起固定作用的单组份固化硅橡胶进行化学成分分析,检出其中含有约 400ppm 的硫(S)元素。 由此可知,LED 灯珠发黄变暗的原因为玻璃灯管内粘结固定用的单组份室温固化硅橡胶在固化过程中挥发出的含硫(S)的气体侵入到了 LED 封装胶中,使封装胶发生了进一步的硫化交联反应, 而再次硫化交联导致封装胶体变黄变暗。后续用户改用未使用单组份固化硅橡胶的塑料灯管则未出现灯珠变色的现象。因此,LED 生产方在产品设计选材和制造时应考虑产品各部件所用不同材料相互间的匹配性,避免因材料的不兼容而导致后续出现可靠性问题。     荧光粉沉降 灯珠装配成 LED 灯具后在仓库储存时,发生了色温漂移失效,失效 LED 灯珠的封装胶由橙色变为浅黄色,对其进行 I-V 特性测试,发现灯珠可以正常点亮,且 I-V 曲线正常,只是出光亮度发生改变。取一些失效灯珠,以机械开封方式取出封装胶,发现支架表面均残留有透明颗粒物,使用 SEM&EDS 测试颗粒物成分,结果显示其含有高含量的锶(Sr)元素,如图 6 所示;而封装胶与支架接触面也检出了高含量的锶(Sr)元素和钡(Ba)元素。 与之相比,良品灯珠开封后,支架表面较干净,表面主成分为银(Ag)和少量的碳(C)元素,未检出锶(Sr)元素, 且在其封装胶与支架的接触面上也未检出锶(Sr)和钡(Ba)元素。通过测试失效品和良品灯珠封装胶的截面成分得知,二者所用的荧光粉的成分相 同,均为钇铝石榴石(主要成分为氧 (O) 、铝(Al)和钇(Y))与硅酸锶钡(主要成分为碳(C)、氧(O)、 硅(Si)、锶(Sr)、钡(Ba)和钙(Ca))混合荧光粉。 因此,LED 灯珠的失效原因为所使用的硅酸盐荧光粉沉降到了封装胶底部及支架表层,致使因光折射规律不一致而发生色散现象,导致色温漂移,同时发生灯珠变色现象。     支架原因  1  异物污染支架  失效灯珠一侧变色,揭开封装胶后可以看到变色部位的支架的表面覆盖了一层异物,对异物进行元素成分测试,显示其主成分为锡 (Sn) 、铅(Pb)元素,测得的结果如图 8 所示。揭开灯珠变色部位外围的白色塑胶,在与白色塑胶接触的支架 表面也检出了锡 (Sn)、 铅 (Pb) 成分。由于异物覆盖部位的支架与灯珠一侧的引脚相连,而引脚采用锡铅焊接。 显而易见,如果灯珠在进行表面贴装时,引脚沾附了多余的锡膏,则在焊接时,熔化的焊料会沿着引脚爬升至与之相连的支架表面,形成覆盖层。因此,此案例中 LED 灯珠失效的原因是LED灯珠在进行组装焊接时,引脚焊接部位的焊料进入了支架表面,形成了覆盖物,从而导致了灯珠变色。  2  支架腐蚀  失效 LED 灯珠的中间部位变色发黑,开封后将其放在光学显微镜下观察,发现整个支架的表面明显地变黑,使用 SEM&EDS 测试发黑支架的成 分,结果显示,除了正常的材质成分外,发黑支架中还具有较高含量的腐蚀性硫 (S)元素,而支架表面镀银层局部也呈现出疏松的腐蚀形貌,如图 9 所示。通常 LED 灯珠在生产过程中,由于材料自身不纯或工艺过程污染等原因引入硫(S)、氯 (Cl)等腐蚀性元素时,在一定条件下(如高温、水汽残留等),其金属支架极易发生腐蚀,导致灯珠出现变色、漏电等失效现象。  3  支架镀层质量差  LED 灯珠点亮老化后出现变色发黑现象,且失效率高达30%。去掉灯珠表面的封装胶后,发现支架表层银镀层失去原有的光亮,呈现灰色。使用SEM 观察支架表层微观形貌,发现与未装配的半成品支架相比,LED 失效灯珠的支架表面银层疏松且有较多的孔洞。 将半成品支架和失效 LED 制作成切片, 观察其截面镀层质量,发现支架镀层结构为铜镀镍再镀银,与半成品相比,失效品支架的镍镀层变薄,表层银层变得疏松,且镍银镀层界限变得模糊, 样品的支架截面形貌如图 10 所示。使用 AES 测试失效 LED 支架浅表层成分,发现其中会有镍(Ni)元素, 测试结果如图 11b 所示,很显然,镍镀层扩散至了银层表面。 由此得出,LED 灯珠变色的原因为所用的支架镀层不良, 老化后银层疏松产生孔洞、镍层经过银层孔洞扩散到银层表面,导致银层发黑,灯珠变色。 在众多的 LED 变色失效案例中,因支架变色或腐蚀导致的失效所占的比例是最高的。因 此,LED 或支架生产方应采取一些措施来预防产品失效。例如:选择质量良好的、耐蚀的支架基材;采取适宜的电镀工艺条件,保证形成晶粒细腻、结构致密的镀层,镀层厚度均匀并达到防护要求;对于表层镀层为银的支架,选取有效的银保护工艺,提高银支架的防变色能力;在 LED 生产装配的过程中,则应防止外来的污染或腐蚀性物质的引入,确保LED 封装严密,以降低因环境中的水汽和氧气等的侵入而引发各种腐蚀的可能性。 以上分析了因封装胶、荧光粉和支架构件异常导致 LED 灯珠变色失效的原因和机理,希望能为业界提供参考和指引,使 LED 生产方在选材及制造过程中采取有效的措施来预防这些失效现象的发生,进一步地提高 LED 成品的可靠性。

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2023.11.15

贴片LED灯珠的焊接方法有多种,下面是其中一种常用的方法,供参考。首先用电烙铁在灯珠的正、负极焊盘上烫上一些焊锡(焊锡千万不能多,否则,用热风枪一加热,正、负极的焊盘就会连在一起),然后用热风枪同时加热正、负极焊盘,待锡熔化后,用镊子将灯珠的正负极放在对应的焊盘上即可。    该操作要快、要准,否则,热风枪会把LED的塑封熔化而损坏。    在没有热风枪的情况下,按LED灯珠的结构和所用基板的不同也可用不同的焊接方法。贴片LED灯珠引脚有采用半塑封的,即灯珠两边外露一小部分引脚,如常用的5730、7020、4014等;也有采用全塑封的,即灯珠的正负极全部在芯片的底部,如3030等。对半塑封的灯珠如7020的焊接也比较容易,同样在焊接前要先在焊盘上烫一点锡(灯珠的引脚不要烫锡),两边用镊子把灯珠的正负极对应放在焊盘上,用手指或小改锥压住灯珠,最后用电烙铁迅速对外露的电极进行加热,同时手指适当加力往下压(加热时,烙铁不能来回搓动,手指的压力也不要过大,否则会损坏灯珠)。      对于全塑封的灯珠(如3030),若灯条基板为普通的电路板,则先用刀片把灯珠焊盘周围的漆刮干净,露出铜线,然后在焊盘上烫少许锡,先焊焊盘大的电极,接着把电烙铁放在新刮出的铜线上加热(不能放到焊盘上),待焊盘上的锡熔化后,用镊子把灯珠的对应极放在焊盘上略加压即可,最后焊焊盘小的电极。必须先焊焊盘大的电极是因为所需的加热时间长,若后焊此电极,灯珠易过热而损坏。      若灯条基板为铝基板,就不能用上述方法了,因为用铝基板的线路都设计得很细。在焊接这类灯条的灯珠时,可利用热传导来焊接灯珠,对灯珠正负极焊盘的背面铝板同时加热,待焊盘上的锡熔化后,把灯珠放在焊盘上略加压即可。加热器可从淘宝上购买,也可用大功率电烙铁(不小于100W的)来代替。      用电烙铁焊接灯珠时,电烙铁的外壳必须很好地接地,最好也戴上防静电手环,以防感应电和静电损坏LED灯珠。另外,烙铁头要磨成马蹄形的,以增大接触面积,缩短焊接时间。

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