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    什么是LED封裝技術？SMD封裝和COB封裝如何推动

    发布者：聯誠發 时间：2022-09-28 11:18 浏览量：3505

    大功率LED封裝由于結構和工藝複雜，並直接影響到LED顯示屏的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封裝更是研究热点中的热点。接下来，聯誠發小编就给大家详细介绍一下什么是大功率LED封裝技術？


    LED封裝的功能主要包括：

    1、機械保護，以提高可靠性；

    2、加強散熱，以降低晶片結溫，提高LED性能；

    3、光學控制，提高出光效率，優化光束分布；

    4、供電管理，包括交流/直流轉變，以及電源控制等。


    LED封裝方法、材料、结构和工艺的选择主要由晶片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封裝先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、裸芯型LED(COB LED)等發展階段。


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    大功率LED封裝关键技術


    大功率LED封裝主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封裝的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封裝设计应与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。


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    低熱阻封裝工藝


    对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED晶片面积。虼耍⑷仁荓ED封裝必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择(基板材料、热介面材料)与工艺、热沉设计等。


    LED封裝热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al2O3，AIN，Sic)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将 1mm晶片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，并开发了相应的LED封裝技術。该技術首先制备出适于共晶焊的大功率LED晶片和相应的陶瓷基板，然后将LED晶片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热介面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解決方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强。其中氮化铝(AIN)的热导率为 160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃(与矽的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当)，从而降低了封装热应力。


    研究表明，封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。


    高取光率封裝結構與工藝


    在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：晶片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于晶片和空气之间，从而有效减少了光子在介面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封裝的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和矽胶。矽胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力。缘偷忍氐悖飨杂庞诨费跏髦诖蠊βLED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高矽膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但矽膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高，矽膠內部的熱應力加大，導致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。


    螢光粉的作用在于光色複合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性(熱和化學)等，其中，發光效率和轉換效率是關鍵。研究表明，隨著溫度上升，螢光粉量子效率降低，出光減少，輻射波長也會發生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速螢光粉的老化。原因在于螢光粉塗層是由環氧或矽膠與螢光粉調配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時，易發生溫度猝滅和老化，使發光效率降低。此外，高溫下灌封膠和螢光粉的熱穩定性也存在問題。由于常用螢光粉尺寸在1μm以上，折射率大于或等于1.85，而矽膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及螢光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm)，因而在螢光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在矽膠中摻入納米螢光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10%-20%)，並能有效改善光色質量。


    传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合，然后点涂在晶片上。由于无法对萤光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技術可实现萤光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图4b。但研究表明，当萤光粉直接涂覆在晶片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通过在晶片表面布置一个聚焦透镜，并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)。


    近些年來，LED芯片逐漸成爲顯示行業的寵兒，憑借著高亮度、自發光、全彩色的優勢，不斷進入各類顯示場所，而SMD封裝和COB封裝正是推動這一發展的主要因素。


    表贴三合一(SMD)LED于2002年兴起，并逐渐占据LED顯示屏器件的市场份额，从引脚式封装转向SMD。表贴封装是将单个或多个LED芯片粘焊在带有塑胶“杯形”外框的金属支架上(支架外引脚分别连接LED芯片的P、N极)，再往塑胶外框内灌封液态封装胶，然后高温烘烤成型，最后切割分离成单个表贴封装器件。由于可以采用表面贴装技術(SMT)，自动化程度较高。与引脚式封装技術相比，SMD LED的亮度、一致性、可靠性、视角、外观等方面表现都良好。


    SMD封裝的技術优势：


    1.技術成熟、相关生产设备工艺完备，供应体系健全。


    2.應用廣泛、顯示控制兼容配套成熟、穩定性高。


    3.燈珠一次通過率高，品質穩定，質量高。


    SMD封裝微间距LED顯示屏實例


    正是凭借技術成熟稳定、散热效果好、维修方便、无缝拼接、低亮高灰等优点，SMD封裝LED顯示屏产品迅速获得了市场的认可，一路高歌猛进，在LED应用市场占据了较大份额。如今LED顯示屏在指挥室、控制室、会议室等应用场合获得了广泛应用，在政府应急指挥、智能指挥控制、公安交警指挥、通用会议决策、能源调度中心、军队武警指挥等领域均完成了一系列备受瞩目的重大项目，使得SMD封裝LED顯示屏的影响力不断扩大。


    而COB是一种多灯珠集成化无支架封装技術，直接将发光芯片封装在PCB板上，省却了繁琐的表贴工艺，没有了支架的焊接脚，每一个像素的 LED芯片和焊接导线都被环氧树脂胶体紧密严实地包封在胶体内，没有任何裸露在外的元素，为LED芯片提供了保护，可以解决外界因素对像素点造成损害的问题，长期使用过程中像素失效率极低，因此COB封裝技術为微间距LED顯示屏提供了超高的稳定性，无需修灯。


    2013年最早推出微間距LED高清顯示系統應用于信息化前沿，同時不斷專研革新，潛心研究Micro LED技術并结合COB封裝工艺，在2017年有效推动COB小间距LED进入信息化领域。COB封裝采用的类面发光，因此视角更广，使得COB封裝LED顯示屏具备垂直及水平双向170°超宽视角，任何角度观看都是中心视角，任何角度确保颜色、亮度一致，具有更优秀的光学漫散色浑光效果，显示覆盖面积更大，确保任意角度观看无死角、不偏色，图像始终都能完美显示。


    另外，COB封裝技術将像素点封装在PCB板上，实现PCB 电路板、晶体颗粒、焊脚和引线等全面密封，表面光滑无裸露元件，达到IP65 的完全防护能力，像素点表面光滑而坚硬，具有防磕、防撞击、防震、抗压、防水、防潮、防尘、防油污、防氧化、防静电等性能，高稳定易维护，日常清洁维护可直接用湿布擦除表面污渍。


    同时，COB封裝微间距LED顯示屏采用高品質超黑面板，使得黑色在整個屏幕中所占的比例提高到了99%以上，從而將顯示屏的對比度提升到了10000:1，取得了質的飛躍，保證了畫面的色彩表現能力，呈現精美絕倫的高畫質影像。


    來源：投影時代

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