4.LED封装硅胶技术

1 LED 封装硅胶技术封装硅胶技术 前言 LED Light Emitting Diode 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接把 电能转化为光能 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附着在一个支架上 是负 极 另一端连接电源的正极 整个晶片被环氧树脂或硅胶封装起来 灯珠 贴片 LED LAMP LED 2 SMD LED 与 LED 相关的几个名词解释 1 光通量 由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度 我们不能直接用光源的辐射功率或 辐射通量来衡量光能量 必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位 光通量来衡量 光 通量用符号 表示 单位为流明 lm 2 发光强度 光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量 不同光源发出的光通量在空间 的分布是不同的 发光强度的单位为坎德拉 符号为 cd 它表示光源在某单位球面度立体 角 该物体表面对点光源形成的角 内发射出的光通量 1 cd 1 lm 1 sr sr 立体角的球面 度单位 3 亮度 亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度 单位为坎德拉 平方米 cd m2 符号为 L 表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量 它等于 1 平方米表面 上发出 1 坎德拉的发光强度 4 色温 Color Temperature 当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时 黑体的温度就称为 该光源的色温 用绝对温度 K 开尔文 开氏度 摄氏度 273 15 表示 5 显色性 Color rendering property 原则上 人造光线应与自然光线相同 使人的肉眼能正确辨别事物的颜色 当然 这 要根据照明的位置和目的而定 光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性 通常叫做 显色指数 Ra 显色性是指事 物的真实颜色 其自身的色泽 与某一标准光源下所显示的颜色关系 Ra 值的确定 是将 DIN6169 标准中定义的 8 种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较 色差越小则表明 被测光源颜色的显色性越好 Ra 值为 100 的光源表示 事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致 一 LED 灯简介 随着国家推出淘汰白炽灯的政策后 取而代之的就是 LED 灯产品的发展 作为新时代 的照明产品 LED 灯具具有节能环保等优点 被大众一致看好 目前 LED 市内照明的应 用已经十分广泛 其中 LED 路灯的发展就是这方面的佼佼者 LED 灯主要优点如下 1 环保 无污染 耐紫外线 红外线和热辐射 2 低能耗设计 150 小时耗电才一度 台灯在提供足够照明的情况下 功率越小越好 采 用半导体技术制作的光源具有极高的光电转化效率 让提供的电能 能最大限度的变成光 3 亮 直流供电 有效的消除了额外电磁损耗 进一步降低了整体的能耗 使整机功率不到 7 5w 3 长寿命光源 10 年不用换灯泡 是普通灯泡的 100 倍 4 发光源不含钨 汞等有毒重金属 半导体发光源没有白炽灯里的钨丝也没有荧光灯 节 能灯里面的汞 5 安全 12V 低压直流供电 无容易破碎的玻璃部件 保证使用者的安全 36V 是人体能 够感觉的到的最小电压 小于 36V 的电源对人体是安全的 甚至不需要 3C 认证 直流供 电 杜绝了高频交流电的电磁辐射污染 6 无频闪 不炫目 无紫外线 半导体光源采用直流供电 没有交流供电产生的频闪 高 级导光板将光线柔化处理 直视不炫目 半导体光源光谱可控 完全杜绝伴随产生的紫外 线 长时间使用眼不痛 7 偏高色温 清凉光感 让你学习不易累 色温较高 看起来光的颜色更凉 就像秋天里 的晴天 最适合阅读 可见 LED 灯性能之卓越 相信站在高端的性能之下 价格是不会影响 LED 灯具的发 展的 而且随着技术提高 成本降低 其价格一定还会下降 迅速普及到大家的生活中 二 LED 硅胶介绍 LED 硅胶是 LED 光电行业有机硅胶材料的总称 由于环氧的抗臭氧能力较弱以致于 胶体变黄 影响透光效果 而硅胶材料具有的抗大气老化 紫外老化等优异性能 在高端 的产品应用上环氧树脂己被 LED 硅胶材料所取代 2 1 分类 1 按分子链基团的种类分 可分为甲基系有机硅胶与苯基系有机硅胶 目前 LED 光电市 场上所广泛应用的大多数是甲基系有机硅胶 苯基系有机硅胶由于成本较高 只在高要求 的领域中使用 2 按使用领域分 可分为 LED 灯珠封装用有机硅胶与 LED 应用产品灌封用硅胶 LED 灯珠封装用有机硅胶包括透镜填充硅胶和 LED 固晶硅胶等 LED 应用产品灌封用硅胶价 格比较低 主要是防水之用 如 LED 水低灯灌封硅胶 太阳能 LED 灯密封硅胶 LED 显示屏保护硅胶 LED 模组透明硅胶等 2 2 性能特征 LED 硅胶产品的基本结构单元是由硅 氧链节构成的 侧链则通过硅原子与其他各种 有机基团相连 因此 在大功率 LED 硅胶产品的结构中既含有 有机基团 又含有 无机 4 结构 这种特殊的组成和分子结构使它集有机物的特性与无机物的功能于一身 与其他高 分子材料相比 LED 硅胶产品的最突出性能是 1 耐温特性 LED 硅胶产品是以硅 氧 Si O 键为主链结构的 C C 键的键能为 82 6 千卡 克 分子 Si O 键的键能在 LED 硅胶中为 121 千卡 克分子 所以 LED 硅胶产品的热稳定性 高 高温下 或辐射照射 分子的化学键不断裂 不分解 大功率 LED 硅胶不但可耐高温 而且也耐低温 可在一个很宽的温度范围内使用 无论是化学性能还是物理机械性能 随 温度的变化都很小 2 耐候性 LED 硅胶产品的主链为 Si O 无双键存在 因此不易被紫外光和臭氧所分解 大功率 LED 硅胶具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及耐辐照和耐候能力 LED 硅 胶中自然环境下的使用寿命可达几十年 3 电气绝缘性能 LED 硅胶产品都具有良好的电绝缘性能 其介电损耗 耐电压 耐电弧 耐电晕 体 积电阻系数和表面电阻系数等均在绝缘材料中名列前茅 而且它们的电气性能受温度和频 率的影响很小 因此 它们是一种稳定的电绝缘材料 被广泛应用于电子 电气工业上 LED 硅胶除了具有优良的耐热性外 还具有优异的拒水性 这是电气设备在湿态条件下使 用具有高可靠性的保障 4 生理惰性 聚硅氧烷类化合物是已知的最无活性的化合物中的一种 它们十分耐生物老化 与动 物体无排异反应 并具有较好的抗凝血性能 5 低表面张力和低表面能 大功率 LED 硅胶的主链十分柔顺 其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多 因此 比同分子量的碳氢化合物粘度低 表面张力弱 表面能小 成膜能力强 这种低表面张力 和低表面能是它获得多方面应用的主要原因 疏水 消泡 泡沫稳定 防粘 润滑 上光 等各项优异性能 三 LED 硅胶用途 LED 硅胶在光电行业己被广泛应用 它因优异的性能而受到广大 LED 生产厂商的青 睐 LED 硅胶在光电行业的应用分类可以分为以下几大类 5 在大功率 LED 贴片式 LED 灯珠上 从芯片的固定 白光 LED 灯珠的上混合荧光粉 透镜式的填充等都是由 LED 硅胶所担任的 1 固晶用 LED 硅胶 芯片固定俗称固晶胶 常混合银粉以提高导热效果 所以市场上 称为固晶银胶 2 LED 混荧光粉硅胶 白光 LED 是由蓝光 LED 芯片表面均匀覆盖一层黄色荧光分 蓝色光线通过荧光粉以达到白光效果 这就需要用到 LED 混荧光粉硅胶 3 表面填充 LED 硅胶 在 LED 灯珠上的表面硅胶目的是保护 LED 芯片 常见的有大 功率 LED 透镜内填充 透镜模封 贴片式平面封装 COB 式大面积不规格封装等 四 LED 大功率硅胶的性能测试 主要测试有冷热冲击测试 黄变测试 折射率测试 透光率测试 耐湿 热测试 加速 老化测试等 一 收缩率 要求收缩率为零 并且产品有非常优秀的耐冷热循环温差 50 到 200 度 产品的粘接性 收缩率 抗撕 抗张等指标都无任何变化 这就对原料的挥发性物质含量 有非常严格的要求 通常要求挥发分必须小于 1 二 热膨胀系数 根据有机硅的特性 只要温度在 50 到 200 度之间 该数据忽略不计 三 粘接性能 四 耐老化性 如果采用有机硅来做填充 只要在非人为破坏的情况下 可以保持十年以 上的粘接等性能不变化 五 各电性能指标 导热率 颜色 不黄变 产品流动性 黏度 等这些都是可以调整 的 六 透光率 七 抗紫外 八 不变黄 九 低杂质含量 十 温度范围 55 260 C 十一 光衰 测试项目 测试的 对象 测试方法合格标准 外观硅胶 肉眼观察加显微镜观 察 颜色为透明无色 也有呈雾装的 固化后变透明 没有明显的杂质 6 密度硅胶通常的密度测量方法 相溶性硅胶 和荧光粉混合后是否 沉淀 在混合后到使用前不能够沉淀 一 般为半个小时左右 亮度 封装好 的 LED 封装好后在标准情况 下点亮进行测试 结合力 封装好 的 LED 固化好后进行观察 在固化好后就要进行剥离实验 将 SMD 从中间剪断挑落硅胶 检测 硅胶与 PPA SMD 支架基材 的结合 力 导热性能 封装好 的 LED 盐雾实验 封装好 的 LED 色温封装好后在标准情况下 点亮进行测试 黄变 封装好后长时间点亮 进行观察 硅胶不能明显黄变 亮度 光衰 封装好后长时间点亮 一般 1000h 进行亮 度测试 老 化 实 验 结合力 封装好 的 LED 固化好后以及长时间 点亮后进行观察 在长期点再进行剥离实验 过回流焊 相比生产工艺多一倍 甚至数倍的回流焊次 数 主要是检验胶是否容易脱落 是否 黄化 冷热冲击 实验 零下 40 度 15 20 分钟 然后 80 度 15 20 分钟 一个循环 100 个循环 后检查胶的状况以及 光衰 测试项目主要是结合力 其它如老 化测试项目 可 靠 性 实 验 高温高湿 实验 封装好 的 LED 80 度下湿度为 80 次 序电量 100h 以上 测试项目主要是结合力 其它如老 化测试项目 加速实验 封装好 的 LED 主要是加大电流使功 率加大缩短实验时间 如老化实验各项目 7 一周左右 环境实验 封装好 的 LED 将封装好的 LED 放在 具体的使用环境下进 行老化实验 如老化实验各项目 五 大功率 LED 封装关键技术 一 低热阻封装工艺 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 芯片面积小 因此 芯片散热是 LED 封装必须解决的关键问题 二 高取光率封装结构与工艺 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 芯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 很多光线无法从芯片中出 射到外部 通过在芯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 于芯片和空气之间 从而有效减少了光子在界面的损失 提高了取光效率 此外 灌封胶 的作用还包括对芯片进行机械保护 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 封装的可靠性 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硅胶 硅胶由于具有透光率高 折射率大 热稳定性好 应力小 吸湿性低等特点 明显优于环 氧树脂 在大功率 LED 封装中得到广泛应用 但成本较高 研究表明 提高硅胶折射率可 有效减少折射率物理屏障带来的光子损失 提高外量子效率 但硅胶性能受环境温度影响 较大 随着温度升高 硅胶内部的热应力加大 导致硅胶的折射率降低 从而影响 LED 光 效和光强分布 荧光粉的作用在于光色复合 形成白光 其特性主要包括粒度 形状 发光效率 转 换效率 稳定性 热和化学 等 其中 发光效率和转换效率是关键 研究表明 随着温 度上升 荧光粉量子效率降低 出光减少 辐射波长也会发生变化 从而引起白光 LED 色 温 色度的变化 较高的温度还会加速荧光粉的老化 原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅 胶与荧光粉调配而成 散热性能较差 当受到紫光或紫外光的辐射时 易发生温度猝灭和 老化 使发光效率降低 此外 高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题 由于常用 荧光粉尺寸在 1um 以上 折射率大于或等于 1 85 而硅胶折射率一般在 1 5 左右 由于两 者间折射率的不匹配 以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限 30nm 因而在荧光粉颗 粒表面存在光散射 降低了出光效率 通过在硅胶中掺入纳米荧光粉 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 并能有效改善光色质量 三 阵列封装与系统集成技术 经过 40 多年的发展 LED 封装技术和结构先后经历了四个阶段 1 引脚式 Lamp LED 封装 引脚式封装就是常用的 3 5mm 封装结构 一般用于电流较小 20 30mA 功率较 低 小于 0 1W 的 LED 封装 主要用于仪表显示或指示 大规模集成时也可作为显示屏 其缺点在于封装热阻较大 一般高于 100K W 寿命较短 2 表面组装 贴片 式 SMD LED 封装 表面组装技术 SMD 是一种可以直接将封装好的器件贴 焊到 PCB 表面指定位置 上的一种封装技术 具体而言 就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接 剂和焊膏的焊盘图形上 然后直接贴装到未钻安装孔的 PCB 表面上 经过波峰焊或再流 焊后 使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接 SMD 技术具有可靠性高 高频特性 8 好 易于实现自动化等优点 是电子行业最流行的一种封装技术和工艺 3 板上芯片直装式 COB LED 封装 COB 是 Chip On Board 板上芯片直装 的英文缩写 是一种通过粘胶剂或焊料将 LED 芯片直接粘贴到 PCB 板上 再通过引线键合实现芯片与 PCB 板间电互连的封装技术 COB 技术主要用于大功率多芯片阵列的 LED 封装 同 SMD 相比 不仅大大提高了封装功 率密度 而且降低了封装热阻 一般为 6 12W m K 4 系统封装式 SiP LED 封装 SiP System in Package 是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求 在系统芯片 System on Chip SOC 基础上发展起来的一种新型封装集成方式 对 SiP LED 而言 不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片 还可以将各种不同类型的器 件 如电源 控制电路 光学微结构 传感器等 集成在一起 构建成一个更为复杂的 完整的系统 同其他封装结构相比 SiP 具有工艺兼容性好 可利用已有的电子封装材料 和工艺 集成度高 成本低 可提供更多新功能 易于分块测试 开发周期短等优点 按 照技术类型不同 SiP 可分为四种 芯片层叠型 模组型 MCM 型和三维 3D 封装型 四 封装可靠性测试与评估 LED 器件的失效模式主要包括电失效 如短路或断路 光失效 如高温导致的灌封 胶黄化 光学性能劣化等 和机械失效 如引线断裂 脱焊等 而这些因素都与封装结构 和工艺有关 LED 的使用寿命以平均失效时间 MTTF 来定义 对于照明用途 一般指 LED 的输出光通量衰减为初始的 70 对显示用途一般定义为初始值的 50 的使用时 间 由于 LED 寿命长 通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估 测试内容主 要包括高温储存 100 1000h 低温储存 55 1000h 高温高湿 85 85 1000h 高低温循环 85 55 热冲击 耐腐蚀性 抗溶性 机械冲击等 六 国内外厂家及技术特点 长期以来 国内 LED 市场主要被英国的高阳化学 日本的日立化学 HITACHEM 道 康宁 信越 东芝 台湾的天宝等占据 国内产品所占有的份额甚少 这主要由于国内的 技术空缺和应用技术的不足造成的 核心技术没有完全攻克 近几年 随着各大公司投入 大量的人力 财力 物力等重点攻关 技术已日渐成熟 逐步为高端应用客户所接受 所 占的市场份额也不断扩大 其价格也由高价位时的 5000 6000 元 公斤降至 1000 2000 元 公斤 普通折光率 10000 20000 元 公斤降至 6000 10000 元 公斤 高折光率 但相对 于原料成本 利润还是