从LED支架结构材料演变看LED封装发展趋势

1、从led支架结构.材料演变看led封装发展趋势晶科电子(广州)有限公司何贵平陈海英肖国伟摘 要led支架(lead frame)作为led芯片承裁体，其结构及材料的演变随着芯片技术发 展和市场需求变化而变化。led技术发展历程表明：led支架结构经过了 plcc到 ceramic再到qfn的演变.，led支架材料经过了 ppa(pa6t-pa9t-pct)到 emc/smc的进化过程。led支架不同结构与不同材料之间的竞争，共同促进led 封装技术的发展，最终使得led封装器件朝着依积更小、光通童更高，不断提升lm/ $的良性轨道发展。至于目前大热的免封装光源是否会成为led器件的终极形式，需

2、 要继续关注。关键词plcc qfn ceramic免封装542014 7上海1前言led照明被称为第四代照明光源，具有节能、环 保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示 灯、显示屏、装饰照明、背光源、普通照明等领域叫 2014年lcd显示领域led背光源的渗透率已经攀 升至95%以上叫led室内照明渗透率也大幅提升, 应用涵盖公共照明、商用照明、办公照明乃至家居。在 技术与市场双重驱动下丄ed产业突飞猛进，处于核 心地位的led封装器件近年来更是日新月异，各种 新结构、新材料层出不穷。如何透过现象看本质，从 led繁荣的表象下抓住led器件未来发展趋势，把 握先机，占领未来led领域

3、制高点，是led从业者 迫切需要解决的现实问题。笔者认为，通过考察led 支架结构、材料演变过程从某种程度上可以知晓led 封装发展趋势。led支架作为芯片承载体，既起导电作用又起导 热作用，是led器件不可或缺的关键辅料。为了最大 效率提取led芯片发出的光，提升led器件可靠 性,led支架结构、材料必须与时俱进。从led封装 技术伊始到现在,led支架从plcc (plastic leaded chip carrier)结构演变为现在的 qfn(quad flat no- lead package)结构,封装器件尺寸日趋紧凑化。led封装器件发展的初期阶段，片面追求技术指 标】m/w,大

4、尺寸芯片、大块头封装尺寸比比皆是。然 则，科技的发展始终是高效率、低成本为主导,led也 不例外，经历早期非理性发展阶段,led器件已经从 lm/w转向lm/$,性价比成为led产品的核心竞争 力。毋庸置疑，在led光电转换效率已经高于传统光 源的时候,lm/$的就成为最为关注的指标。提升lm/ $最终表现在两点，第一是提升led芯片的能够承受 的电流密度，提升单颗封装体的光通量并解决芯片在 大电流使用下效率下降的问题，第二是缩小封装体 积,降低封装的物料成本及制造成本。但为了满足日 趋提升的lm/$技术指标,主要公关方向就落在芯片的 大电流驱动上，依托超电流驱动提升亮度，以降低单 位封装产品

5、成本。单颗封装器件的输入功率和发光强 度在不断提升的同时，对材料的耐热性能要求也越来 越高。因而led支架塑胶料也经历了 pa6t、pa9t、 pct、emc甚至smc的由低端到高端到更高端的技 术演变过程。2 led支架结构2.1 plcc led 支架i-ad package)结构，封装器件尺寸日趋紧凑化。(plastic leaded chip carrier)支架为主流结构支架,早期led封装领域,1990-2005年间,plcc (plastic leaded chip carrier)支架为主流结构支架,行业内一般称之为第一代支架"plcc支架以高导热 率的铜、浹、铝等金

6、属或金属合金作为金属羞板金属 皋板表而及背面电镀银，然后采用射出成型丁艺制作 支架反射杯。lei）支架反射杯要求采用高反光率、低 吸光的、耐高温的特种工程塑胶，plcc支架封装光源体积大，金属基板与塑胶之 间cte失配严重，再者plcc支架采用pa6t、pa9t 等热翊性羽胶不适合户外及高温环境使用,应用范 围狭窄可靠性风险大（见图12）。图2 plcc支架结构分解图2.2 ceramic led 支架2005年至今,ceramic基板支架广泛应用于led 封装领域，业内$业人士称其为第二代led支架，相 对于第一代plcc led支架.陶瓷基板led支架尺 寸更小，以其为支架封装的led光源

7、体积更紧凑,但 散热更优。传统氧化铝陶瓷基板导热系数为20-30w/ k,氮化铝陶瓷基板导热系数髙达170w/m.k,可以 取代传统k2结构支架用于1w及以上功率驱动。此 外相对于plcc系列led支架，陶瓷基板支架封装 光源具右更髙的气密性,i.e【）芯片上表面被硅胶透镜 密封环境中的水汽较难通过硅胶本身和硅胶与支架 结合界面渗入尤其适合高湿等恶劣环境因而陶瓷 封装光源在led路灯光源中大放异彩.陶瓷基板还 可以实现高精度加工.适合对精度要求较高的光源, 晶科电子享誉业界的易星封装光源，率先在陶瓷基板 上实现无金线封装，实现新一代高可靠性、高光效 led器件（见图3）。图3晶科电子陶瓷基封装

8、无金线封装光源-易星2.3 qfn led 支架2014 7-shanghaj55陶瓷基板led支架具有大电流驱动、高耐热、耐 湿性等显著优点.其封装的led光源具有高可靠性 等优势;其劣势在于:陶瓷基板技术复杂，陶瓷胚原材 料依赖于国外进口 慕板上刻蚀电路需要高将、尖仪 器，t艺掌握在少数几家国外及台资企业中价格高 昂不利于led推广c性能与价格之间的矛盾呼唤性 能上与陶瓷基板相当但价格却与传统plcc支架相 当的支架，因而qfn支架作为第三代led支架登上 f led历史舞台。qfn支架最先应用于ic封装领域.一般米用 emc（epoxy molding compound）作为辘 封料，但

9、ic领域的封装不需要考虑出光，其以机械保 护和气密性为目标,因而多以黑色emc塑胶为主。应 用于led封装领域的emc必须考虑出光，以白色蜩 料为主。qfn结构支架体积小（见图4）,emc塑胶耐热 性能强，且emc与金属铜片间cte失配小，塑胶与 铜片之间结合更紧密，emc支架封装光源性价比高. 可靠性佳，是led室内照明领域首选光源,2014年其 市占率有望大幅提升。图4晶科电子qfn 3030光源3 led支架塑胶材料led支架用塑胶材料可以分为热塑性塑胶和热 固性班胶两大类，一般而言前者适用于中、低功率 led封装，后者适用于中、大功率led驱动光源° 3.1热塑性塑胶热刻性塑

10、胶是指在一定的温度条件下,塑料能软 化或熔融成任意形状，冷却后形状不变;这种状态可 多次反复而始终具有可塑性，且这种反复只是一种物 理变化称这种赠料为热翊性須料'热颦性刻料以热 蜩性树脂主要成分，并添加各种助剂而配制成，种类 包罗万象，是门类复杂的特殊工程高分子材料，应用 于led支架领域的热塑性塑胶主要为ppa （polyphlhalamide）, ppa塑胶呈乳白色，具有较髙的初 始白度，耐热性较强，适合射出成型工艺，在lei）封 装领域有广泛使用，具体而言,ppa塑胶又可细分为 pa6t、pa9t、pa10、pct、lcp等5类，各类蜩胶材料 分子结构、添加剂及玻璃纤维含就不同，

11、功能各有侧 重，应用最广泛的为pa6t、pa9t利pct蜩胶。3.1.1 pa6tpa6t是led支架般先应用的ppa塑胶料，工艺 成熟。该坯胶料的优点在于塑胶初始白度高封装光 源光通慑高，但耐热性、抗uv性能差，不适合较大功 率和室外等恶劣环境使用（见图56）。pa6t原材料 供应商主要有美国solvay和日本otuka等。图6 pa6t空间分子结构图3.1.2 pa9tpa9t是日本genestar推出的一款高性能ppa 幫胶料，该蜩胶料目前占据led支架刻胶料赧大市 场份额，市场接受度最高。pa9t塑胶料在pa6t基础 上实现功能改进克服了后者不耐uv和髙温的劣 势（见图7-8）0 pa

12、9t目前主要有ta112.ta113及 ta104三款，该塑胶适合于0.5w左右中功率led 封装。3.1.3 pct2014 7上海terephthalate）分寸-谿啊、添丿川別/文毁隅纤绯育里小旧j,切曲齐们侧 料，相对于pa6t、绍股科丿码于1t八 尖同夏而犁股初pc1（ 1.4-cvclohexylenedimethrlene terephthalate） 塑胶料属于ppa类高端塑胶材料，相对于pa6t、图8 pa9t空间分子结构图pa9t其最显著的待点在于优异的耐热性、低吸湿率、 抗uv.且价格适中.是1w左右封装光源优选支架 (见图9)0以pct为支架型胶料封装的1w 2835光

13、 源，在直下式tv背光中占据较大市场份额超高性 价比颇受tv厂青睐：图9 pct分子结构图目前，已实现pct批笊供货的供应商为三星第 一毛织，其pct塑胶牌号多，定位明确,基本覆盖中、 高功率led领域c第一毛织旗下的pct-2o46系列定 位于0.5-1 w中功率封装光源;pct-2o55适合于1 1.5w封装;其故新的pct-2o6o对外宣称赧高可以 驱动到i.5-2w.pct巨大的市场容ift和明确的应用前景,使得各 翊胶材料公司您js欲动纷纷推出pct材料.以期迅 速占领市场,solvay就为后来居上典型代表。solvay pct-224舉胶料改善了三星第一毛织pct蜩胶料熔 融状态流

14、动性差、成型加t.困难、塑胶料脆性高等不 利因索同时该pct耐热性能不下降,一经推出便受 到led支架厂及封装公司的关注以224 pct生产 的led支架已实现小批址址产。3.2热固性塑胶热固性塑胶是指在受热或其它条件下能固化或 具有不溶(熔)特性的处料;热固性塑料的树脂固化前 是线型或带支链的，固化后分子链之间形成化学键, 成为三维网状结构，不仅不能再熔触,在溶剂中也不 能溶解，产品性能稳定。应用于led支架领域的热固 性？b胶为白色 emc(epoxy molding compound)0 emc 成型反射杯与传统ppa塑胶差异大，前者盂采用 molding匸艺，设备投入大资金实力小的厂商

15、无法涉 足。日本松下公司看准emc无法射出成型的劣势，适 时推出up (unsaturated polyester)新一代热固性材 料耐热性能及抗uv均与emc相当，最大优势 在于传统注刻机通过料管改造可以实现注塑成型。 emc/ip led支架定位于1-2w驶动，若要实现2w 及以上更大功率驱动，需要使用smc(epoxy molding compound),smc赠胶料耐热性及抗uv性能与硅胶 相当，但其价格高昂且专利掌握在国际大厂中离广 泛应用还有较大差距。3.3 emc塑胶料简介emc应用于ic封装领域由来已久，但ic领域 的封装不需要考虑出光其以机械保护和气密性为目 标.因而多以黑色

16、emc塑胶为主。ic封装领域的 emc塑封料要作为led塑封料，必须进行改性，因为 出光率是led最重要的参数之一.外观必须由黑色 更改为白色尽可能提高光反射率降低对光的吸收, 同时还要保证产品的高可靠性,因而相对应组份必须 发生改变。led用emc型封料主要成分见表1也2014 7-shahghaj57 八亠. 一 ga '叫呢応问兀丿乂勿半，p平i氐刃兀"吹耳乂，离功率led领域。第一毛织旗下的pct 2046系列定 同时还要保证产品的奇可靠性，因而相对应组份必须目前,应用于led封装领域的白色emc已经实 现商业化的是日立化工,客户批辛使用的产品型号为表1 led用白色

17、emc主要成分表主要成分比例（wt%）化学式cas编号三（23环氧丙基） 异亂尿酸骑5-10ci2h15na245)-62-9骑环族酸升5-10trade secret二氧化钦10-40tio.13463-67.7填料130-70sio260676-86-0填料25-15trade secret添加剂<2trade secretcel-w-7oo5系列，其最新产品为cel-w-8ooo系 列，后者在材料初始反射率，耐高温及耐老化性能方 面有明显提升。cel-w-7oo5系列和cel-w-8ooo 系列emc材料性能对比如表2所示。产品塑号初始反射率£化后反肘率驱动功耐热住(a

18、»460nm)(l50rf looohr)率(w)(ocel-w.7005di90%70%w1nocel-w.7005dhr2b93%73%nocel-w-8000d193%8345%1-3130表2 cel-w-7005/8000系列emc性能对比在巨大的市场应用前景及高额利润驱使下其它 传统emc塑胶厂摩举擦掌、跃跃欲试希望打破日立 一统天下的局面.各厂家依托其技术优势,奋起也追 取得了可喜进展目前日本的日东电工、积水化学等 公司生产的emc塑胶料已经送样客户测试，反馈良 好，大有后来者居上之势。竞争对手的加人，使得 emc翊胶产品性能提升、产品更新换代速度加快，同 时带动价格的

19、下降,客户接受度不断提升形成良性 循环。3.4 ppa支架与emc支架对比ppa支架因其价格低廉，产出效率高，多年来一 苴是客户的最爱，占据led支架领域最大市场份额. 然而,ppa蜩胶存在耐热性能差，抗uv弱等劣势，在 某些环境恶劣应用场所，如led路灯照明则无法使 用。各翊胶公司百尺竿头更进一步，不断升级翊胶性 能，以期达到应用端需求ppa塑胶因而也经历了pa6t 到 pa9t（ta1121131o4 等）到 pct.lcp 等演 变过程，产品性能不断提升，然而，不论ppa如何升 级，其热塑性处胶的本性决定了其耐热性不如emc 等热固性测胶- ppa与emc关键性能差异如表3所 示,其支架

20、封装工艺如图10所示。表3 ppa与emc塑胶性能对比emc (epoxy)ppa (pobphalmide)base material(thennosetting)(thermoplastic)reflectance initiil)%<m93reflectance l50t,1000h aging%40lifetime130r.60000h90r,60000hflexural strengthmpa100-130160flexural modulusgpa217glass transition temp.r160coefficient of thermalalppm/t1330卜1毗

21、）ttfaiiooa2ppnvtmadhesionag plitingmpa5.5strengthsoft silicone305hot harder (shore d)8$release abilitygoodwarpagenun固晶烬线点粉（a）ppa支架封装工艺（b）map方式emc支架封装工艺图10 ppa和emc支架封装工艺除了 emc与ppa塑胶本身性能差异外,emc支 架相对于ppa支架还有以下不同。(1 )emc支架通常采用蚀刻方式制作金属铜片， 因而电路布线精度高。蚀刻精度依铜片厚度不同而不 同，比如0.2mm厚度铜片,led支架蚀刻梢度可以达 到0.15-0.1 mm;0.

22、25mm厚度铜片，led支架蚀刻精 度可以达到o.2o.15mm.emc支架公司不断革新其 丁艺,最新的蚀刻丁艺针对0.2mm厚度铜片,蚀刻精 度已经可以达到0.075mm.传统ppa支架冲压精度远 逊于蚀刻工艺精度，以0.2mm厚度铜片为例，前者冲 压精度在0.2-0.18mm,尽管部分冲压厂表示其冲圧 精度可以达到0.15mm,但工艺并不稳定。(2) emc热膨胀系数远小于ppa塑胶，前者与支 架铜片结合时,cte失配导致的内应力也小于后者, 因而emc支架具有更高的可靠性。(3) 目前主流的map方式制作的emc支架与 ppa支架在封装应用端工序差别较大。4 led封装发展趋势更高的性能

23、，更低的价格,最大程度普及的市场, 永远是科技发展的主旋律,led作为新一代绿色光 源,承载节能、环保、为地球减负的重任,必须普及,因 而性价比成为led发展必经之路。经过led发展前 期不计成本的投入，尤其是芯片领域不惜重金的研 发，芯片性能已趋完善，成本趋于平稳，如何提升led 光源lm/$的任务就落到封装结构的创新头上。高im/ $最终落实到提升led芯片光取岀效率、降低封装原 材料成本。led发展初期,芯片效率低下，要实现较高1叫 芯片尺寸必须足够大,45mil芯片较长一段时间均为 主流尺寸芯片。芯片电、光转换效率低慰味着产生了 大莹的热址，为了科学、合理的平衡光和热,第一代封 装采用

24、plcc支架，绘早的大功率封装采用k2封装 结构，封装光源体积大，物料成本高，单位产出低, led光源成本远远超出普通家庭接受范围,led光 源在政府“十城万盏”项目大力推导下艰难发展。led从业人员意识到，缩小封装光源尺寸,降低 物料成本、提升led散热为发展led有效途径，于 是第二代以陶瓷基板为支架的封装光源蓬勃发展。相 对于第一代plcc封装光源，陶瓷基板封装光源单位 面积内产品密度大，易于实现全自动化生产,生产效 率高，且陶瓷基板耐热、耐湿气、抗uv几乎适用于 室内和室外一切照明领域，大有成为“万能光源”的 趋势。然而,led的发展超出了业界的预期，价格迅速 成为led光源竞争的最大

25、筹码，陶瓷基封装光源成 本居高不下，于是价格更亲民的第三代qfn支架迅 速席卷led封装领域。第三代qfn支架以奇耐热的 emc、up、smc等热固性班胶为支架反射腔，制造工 艺与ic支架兼容,ic支架公司携资金、设备及技术 的先发优势迅速圈地，对前沿技术敏锐的led封装 公司迅速跟进，引入切割生产线，实现批量化生产，对 陶瓷封装光源形成巨大冲击，仅仅两、三年时间， qfn封装光源已经广泛应用于tv直下式背光源领 域和室内照明领域，且有进一步扩大的趋势。qfn封 装产品左打ppa市场,右攻陶瓷光源市场的格局已 经形成。那么qfn封装结构光源是否是led封装的终 极形式呢,市场需求和技术变革均给

26、出了否定答案。 笔者判断，阻止qfn封装光源进一步攻城拔寨的劲 敌已经显现并有越演越烈的苗头。首先，传统ppa坯胶公司不会坐以待毙,眼睁睁 看着ppa被emc等吞噬,ppa塑胶公司不断对瓊胶 进行配方改良，推出性能更优的新塑胶料，以期与 emc抗衡，利用ppa塑胶明显的价格优势保住市场 份额，其中pct塑胶料最先取得突破。三星第一毛织 在原有2046h系pct基础上对材料改性,推出了 1 2w张动的pct-2060h新材料，触及emc优势领域, 但前者价格远低于后者。2014年广州光亚展就有国 内大公司主打pct大功率驱动封装光源，多数厂商 都持关注态势，最终是pct笑傲市场还是emc贏家 通吃、抑或pct.emc双雄并立,需要市场大浪淘沙。其次，免封装光源成为挑战qfn光源的重要一 极。所谓免封装光源是指封装器件无专用l