LED (발광 다이오드)는 새로운 국제 전략 산업의 경쟁에서 뜨거운 자리가되었습니다. LED 산업 체인에서 업스트림은 기판 재료, 에피 택시, 칩 설계 및 제조를 포함하며, 중간은 패키징 기술, 장비 및 테스트 기술을 다루며 다운 스트림은 LED 디스플레이, 조명 및 조명 애플리케이션을 포함합니다. 현재, 청색 LED + 황색 형광체 공정은 주로 백색광 고출력 LED를 구현하는데 사용되며, 즉 황색 발광 YAG (Yttrium Aluminum Garnet) 황색 형광체는 GaN 계 청색 형광체의 일부분에 의해 방출된다 LED이고, 청색광의 다른 부분은 형광체를 통해 방출된다. 황색 형광체에 의해 방출 된 황색 광은 투과 된 청색 광과 혼합되어 백색광을 얻는다. 청색 LED 칩에 의해 방출 된 청색광은 주위에 코팅 된 황색 형광체를 통과하고, 형광체는 청색광의 일부에 의해 여기되어 황색 광을 방출하고, 청색광 스펙트럼 및 황색 광 스펙트럼은 서로 겹쳐서 백색을 형성한다 빛.
산업 체인의 중요한 부분 인 고출력 LED 패키징은 반도체 조명 및 디스플레이의 실제 응용을 촉진하는 핵심 제조 기술입니다. 낮은 열 저항, 높은 발광 효율 및 높은 신뢰성 LED 포장 및 제조 기술의 개발을 통해서만, LED 칩은 기계적, 전기적, 열적, 습기 및 기타 외부 요소의 영향을 감소시키는 기계적 및 전기적 보호 장치입니다 칩을, 지키기 위하여 LED의 안정되어 있고는 믿을 수있는 일은 능률적이고 및 지속적인 고성능 점화 및 전시 효력을 제공 할 수 있고, LED의 유일한 에너지 절약 그리고 근속 기간 이점을 깨닫고 전체 반도체 점화의 자비로운 발달을 승진시키고 디스플레이 산업 체인. 해외 관련 회사의 시장 관심도를 고려하여 관련 핵심 기술 및 장비가 차단됩니다. 따라서 독립적 인 고출력 LED 패키징 기술, 특히 백색 LED 패키징 장비를 개발하는 것이 시급하다. 이 기사에서는 고전력 LED 패키징의 연구 및 응용 상태를 간략하게 소개하고, 고출력 LED 패키징 프로세스의 핵심 기술 문제를 분석 및 요약하여 국내 경쟁자의 관심을 끌고 자율성 달성을 위해 노력할 것입니다. 고출력 LED 핵심 기술 및 장비 .
패키징 공정 기술은 LED 성능에서 중요한 역할을합니다. LED 패키징 방법, 재료, 구조 및 공정의 선택은 주로 칩 구조, 광전자 / 기계 특성, 특정 애플리케이션 및 비용과 같은 요소에 의해 결정됩니다. 전력의 증가, 특히 고체 상태 조명 기술의 발전으로 LED 패키지의 광학, 열, 전기 및 기계 구조에 대한 새로운 요구 사항이 제시되었습니다. 패키지의 열 저항을 효과적으로 줄이고 광효율을 향상시키기 위해서는 패키지 설계에 새로운 기술적 아이디어를 채택해야합니다. 프로세스 호환성 및 생산 비용 절감의 관점에서 LED 패키지 디자인은 칩 디자인과 동시에 수행되어야합니다. 즉, 패키지 디자인은 패키지 구조 및 프로세스를 고려해야합니다. 현재 파워 LED 패키지 구조의 주요 발전 추세는 다음과 같다 : 크기의 소형화, 소자 열 저항의 최소화, 평면 패칭, 최대 내압 접합 온도, 단일 램프 플럭스의 극대화; 목표는 광속, 광효율을 높이고 빛을 줄이는 것입니다. 부패, 효율성 저하, 일관성 및 신뢰성 향상. 특히, 고출력 LED 패키징의 주요 기술에는 열 분산 기술, 광학 설계 기술, 구조 설계 기술, 형광체 코팅 기술 및 공정 솔더링 기술이 포함됩니다.
1, 냉각 기술
평균 LED 노드 온도는 120 ° C를 초과 할 수 없습니다. Lumileds, Nichia, CREE 등이 도입 한 최신 장치조차도 최대 노드 온도는 1500 ° C를 초과 할 수 없습니다. 따라서 LED 장치의 방열 효과는 기본적으로 무시할 수 있으며 열 전도 및 대류가 LED 열 방출의 주요 방법입니다. 방열 설계에서 열 전도는 LED 패키지 모듈에서 방열판으로 열이 먼저 전달되기 때문에 먼저 고려됩니다. 따라서 접합 재료와 기판은 LED 방열 기술의 핵심 링크입니다.
본딩 재료는 주로 열 전도성 아교, 전도성은 페이스트 및 합금 솔더의 세 가지 주요 방법을 포함합니다. 열전 도성 접착제는 SiC, AlN, A12O3, SiO2 등과 같이 기판 내부에 열전도율이 높은 충진제를 첨가하여 열전도를 향상시킨 것입니다. 전도성은 페이스트는 에폭시 수지에은 분말을 첨가하여 형성된 복합 재료이고, 페이스트의 경화가 적용된다. 온도는 일반적으로 200 ° C보다 낮으며 열 전도성이 좋고 접착 성능이 우수하지만은 페이스트에 의한 빛 흡수가 상대적으로 커서 광효율이 감소합니다.
기판은 주로 세라믹 기판, 세라믹 기판 및 복합 기판의 세 가지 주요 모드를 포함한다. 세라믹 기판은 주로 LTCC 기판 및 AlN 기판이다. LTCC 기판은 성형이 쉽고, 공정이 간단하며, 비용이 저렴하고 다양한 형상을 쉽게 만들 수있는 등의 많은 장점을 가지고있다. Al 및 Cu는 LED 패키지 기판에 우수한 재료입니다. 금속 재료의 전도성으로 인해 종종 표면 절연체를 통과시켜야합니다. 양극 산화 처리하여 표면에 얇은 절연 층을 형성합니다. 금속 매트릭스 복합 재료는 주로 Cu 계 복합 재료 및 Al 계 복합 재료를 포함합니다. Occhionero et al. 플립 칩, 광전자 장치, 전력 장치 및 고전력 LED 방열판에서 AlSiC의 응용을 연구했습니다. AlSiC에 열분해 흑연을 첨가하면 더 높은 열 발산에 대한 요구 사항도 충족합니다. 장래에 다섯 가지 주요 유형의 복합 소재 기판이 있습니다 : 단일체 탄소 재료, 금속 매트릭스 복합 재료, 폴리머 기반 복합 재료, 탄소 복합 재료 및 고급 금속 합금.
또한 패키지 인터페이스는 열 저항에 큰 영향을 미칩니다. LED 패키지를 개선하는 핵심은 인터페이스 및 인터페이스 접촉 열 저항을 줄이고 열 발산을 향상시키는 것입니다. 따라서 칩과 히트 싱크 기판 사이의 열 계면 재료 선택은 매우 중요합니다. 열 계면 재료로서 나노 입자를 갖는 저온 또는 공융 솔더, 솔더 페이스트 또는 전도성 페이스트의 사용은 계면 열 저항을 크게 감소시킬 수있다.
2, 광학 설계 기술
LED 패키지의 광학 설계는 내부 광학 설계 및 외부 광학 설계를 포함한다.
내부 광학 설계의 핵심은 포팅 (potting) 접착제의 선택과 적용입니다. 포팅 접착제의 선택에는 높은 광선 투과율, 높은 굴절률, 우수한 열 안정성, 우수한 유동성 및 쉬운 분무가 요구됩니다. LED 패키지의 신뢰성을 향상시키기 위해, 포팅 화합물은 또한 낮은 흡습성, 낮은 스트레스, 온도 및 환경 보호가 요구된다. 현재 사용되는 포팅 화합물은 에폭시 수지 및 실리카 겔을 포함합니다. 실리카겔은 높은 가시 광선 투과율 (99 % 이상의 고 투과율), 고 굴절률 (1.4 ~ 1.5), 우수한 열 안정성 (200 ° C의 고온에도 견딜 수 있음), 낮은 응력 Young modulus) Low), 저 흡습성 (0.2 % 미만) 등이 고휘도 LED 패키징에 널리 사용되는 에폭시 수지보다 월등히 우수합니다. 그러나 실리카겔의 성능은 주위 온도에 크게 영향을받으며, 이는 LED 광 효율 및 광도 분포에 영향을 미친다. 따라서, 실리카 겔의 제조 공정을 개선 할 필요가있다.
외부 광학 설계는 균일 한 세기 분포를 갖는 명 필드를 형성하기 위해 출사 빔의 수렴 및 성형을 지칭한다. 주로 반사 집중 설계 (기본 광학) 및 성형 렌즈 설계 (보조 광학)를 포함합니다. 어레이 모듈의 경우 칩 어레이의 분배도 포함됩니다. 일반적으로 사용되는 렌즈는 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 구면 거울, 프레 넬 렌즈, 결합 렌즈 등을 포함합니다. 렌즈 및 고전력 LED의 조립 방법은 기밀 및 반 밀폐 일 수 있습니다. 최근, 패키징 후의 집적 요구를 고려하여 연구가 심화됨에 따라, 빔 형상화에 사용되는 렌즈는 마이크로 렌즈 어레이를 사용하고, 마이크로 렌즈 어레이는 광학계에 2 차원 평행 집속, 성형, 시준 등을 할 수있다 통로. 높은 정렬 정밀도, 편리하고 신뢰할 수있는 제조 및 다른 평면형 장치와의 쉬운 커플 링의 장점이 있습니다. 연구에 따르면 일반 렌즈 또는 프레 넬 마이크로 렌즈 대신 회절 마이크로 렌즈 어레이를 사용하면 빔 품질을 크게 향상시키고 방출되는 빛의 강도를 높일 수 있습니다. LED는 빔 형성을위한 가장 유망한 신기술입니다.
3, LED 패키지 구조
LED 패키징 기술과 구조는 리드, 파워 패키지, 칩 (SMD), 칩 온 보드 (COB)의 4 단계로 나뉩니다.
(1) 리드 LED 패키지
LED 풋 패키지는 리드 프레임을 다양한 패키지 유형의 핀으로 사용합니다. 이것은 시장에서 성공적으로 개발 된 첫 번째 패키지 구조입니다. 제품의 다양성이 높고, 기술 성숙도가 높으며, 패키지 내부의 구조 및 반사층이 여전히 개선되고 있습니다. 일반적으로 3 ~ 5mm 패키지 구조로 사용되며 저 전류 (20 ~ 30mA) 및 저전력 (0.1W 미만)의 LED 패키지에 일반적으로 사용됩니다. 주로 계측기 디스플레이 또는 표시 장치에 사용되며 대규모 통합을위한 디스플레이 화면으로도 사용할 수 있습니다. 단점은 패키지가 큰 열 저항 (일반적으로 100K / W 이상)을 가지며 수명이 짧다는 점입니다.
(2) 전원 LED 패키지
LED 칩 및 패키지는 고전력의 방향으로 개발된다. 높은 전류 하에서 광속은 Φ5mm LED보다 10-20 배 더 큽니다. 효과적인 열 방출 및 비 분해 포장재를 사용하여 광 붕괴 문제를 해결해야합니다. 따라서 패키지와 패키지도 핵심입니다. 기술, 여러 승 전원을 견딜 수있는 LED 패키지가 등장했습니다. 5W 계열 백색, 녹색, 청색 녹색, 청색 전원 LED는 2003 년 초부터 사용 가능합니다. 백색 LED 광 출력은 1871m에 도달하고 광 효율은 44.31lm / W 녹색 광 감쇠 문제이며 10W 전력에 견딜 수있는 LED 개발되었습니다. 튜브; 크기는 2.5mm X2.5mm이며, 5A 전류로 작동 할 수 있으며, 고체 조명 소스로 개발을위한 여지가 많은 2001 년까지 최대 광 출력.
(3) 표면 실장 (SMD) 타입 (SMD) LED 패키지
2002 년 초 SMDLED (Surface Mount Package LED)가 점차 시장에 채택되어 특정 시장 점유율을 얻었습니다. 리드 패키지부터 SMD까지 전체 전자 산업의 발전 추세에 부합했으며, 많은 제조업체들이 그러한 제품을 도입했습니다.
SMDLED는 현재 LED 시장에서 가장 높은 패키징 시장 점유율입니다. 이 LED 패키지 구조는 사출 성형 공정을 사용하여 금속 리드 프레임을 PPA 플라스틱으로 감싸고 특정 모양의 리플렉터 컵을 형성합니다. 금속 리드 프레임은 반사기 컵의 바닥에서 장치의 측면까지 연장된다. 장치 핀은 외측 또는 내측으로 편평하게 형성된다. 개선 된 SMDLED 구조는 백색 LED 조명 기술을 수반합니다. 단일 LED 장치의 전력 소비를 증가시켜 장치의 밝기를 증가시키기 위해 엔지니어는 SMDLED의 열 저항을 줄이는 방법을 찾기 시작했고 방열판의 개념을 도입했습니다. 이 향상된 구조는 원래 SMDLED 구조의 높이를 줄입니다. 금속 리드 프레임은 LED 장치의 바닥에 직접 배치됩니다. 반사 컵은 금속 프레임 주위에 플라스틱을 주입하여 형성됩니다. 칩이 금속 프레임에 놓입니다. 금속 프레임은 솔더 페이스트를 통해 직접 납땜됩니다. 수직 방열 채널이 회로 기판 상에 형성된다. SMD 패키징 기술은 재료 기술의 발달로 인해 초기 열 방출 및 수명 문제를 극복하고 1 ~ 3W의 고전력 백색 LED 칩을 패키징하는 데 사용될 수 있습니다.
(4) COB-LED 패키지
COB 패키지는 금속 기반 인쇄 회로 기판 MCPCB에 직접 여러 개의 칩을 패키징 할 수 있으며 기판을 통해 열을 직접 방출하므로 제조 공정 및 브래킷 비용이 절감 될뿐만 아니라 열 방출을 줄이는 이점이 있습니다. PCB는 저비용의 FR-4 소재 (유리 섬유 강화 에폭시) 또는 높은 열전 도성 금속 기반 또는 세라믹 기반 복합 재료 (예 : 알루미늄 기판 또는 구리 코팅 세라믹 기판) 일 수 있습니다. 와이어 본딩은 고온에서 열 음향 결합 (금 와이어 볼 본딩) 및 상온에서 초음파 결합 (알루미늄 보링 공구 용접)에 의해 수행 될 수있다. COB 기술은 주로 고전력 멀티 칩 어레이의 LED 패키징에 사용됩니다. SMD와 비교하여 패키지 전력 밀도가 크게 증가 할뿐만 아니라 패키지 열 저항 (일반적으로 6-12W / m K)이 감소합니다.
비용 및 응용 관점에서 COB는 향후 조명 설계의 주류가 될 것입니다. COB 패키지의 LED 모듈은 기판 상에 장착 된 다수의 LED 칩을 갖는다. 다중 칩의 사용은 밝기를 향상시킬뿐만 아니라 LED 칩의 합리적 구성을 용이하게하고 단일 LED 칩의 입력 전류량을 줄여 높은 효율을 보장합니다. 또한,이면 광원은 패키지의 방열 면적을 크게 확장시킬 수있어, 외부 케이싱으로의 열 전달을보다 용이하게 할 수있다. 전통적인 LED 등기구의 실습은 다음과 같습니다 : LED 광원 별개 장치 - MCPCB 광원 모듈 - 주로 적용 가능한 핵심 광원 구성 요소를 사용하지 않는 관행에 기반한 LED 등기구. 시간 소모적이면서도 비용이 많이 듭니다. 실제로 "COB 광원 모듈 - LED 램프"의 경로를 택하면 노동력과 시간을 절약 할 수 있으며 장치 포장 비용을 절감 할 수 있습니다.
즉, 저전력에서 고출력에 이르는 단일 소자 패키지 또는 모듈 식 COB 패키지이든간에 LED 패키지 구조는 소자의 열 저항을 줄이고 광 출력을 향상시키고 신뢰성을 향상시키는 방법을 중심으로 설계됩니다.
4, 형광체 코팅 기술
광 변환 구조체, 즉 인광체 코팅 구조는 주로 LED 백색광 조명 기술에 관한 것이고, LED 칩에 의해 방출 된보다 짧은 파장의 광을 보색에 상보적인 더 긴 파장의 광으로 변환하는 것을 목표로한다 (백색 보완).
현재, 인광 물질을 사용하여 백색광을 생성하는 3 가지 방법이있다 : 황색 형광체를 갖는 청색 LED; 빨강 및 녹색 인광체가있는 파란색 LED; 적색, 녹색 및 청색 형광체가있는 UV-LED. 그 중 상업용 백색 LED는 주로 청색 LED와 황색 형광체가있는 단일 칩 유형입니다. 적색과 녹색 인광체가 첨가 된 청색 LED의 백색광 생성 방법은 OSRAM, Lumileds 등의 특허에서만보고되었지만 상용화되지는 않았습니다. 제품이 등장하고 UV-LED가 3 색 형광체와 결합되는 방식은 아직 개발 중에 있습니다.