高出力LEDパッケージで一般的に使用される5つの主要技術と4つの構造形態 - 知識

LED（発光ダイオード）は、新興の国際戦略産業における競争のホットスポットとなっています。 LED産業チェーンでは、上流は基板材料、エピタキシー、チップの設計と製造を含み、中流はパッケージング技術、機器と試験技術をカバーし、下流はLEDディスプレイ、照明と照明の用途です。現在、青色ＬＥＤ＋黄色蛍光体プロセスは、白色光高出力ＬＥＤを実現するために主に使用されている。すなわち、黄色発光ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）黄色蛍光体は、ＧａＮ系青色の一部によって放射される。ＬＥＤ、および青色光の他の部分は蛍光体を通して放出される。黄色蛍光体によって放射された黄色光は、白色光を得るために透過された青色光と混合される。青色ＬＥＤチップによって放射された青色光は、その周囲に被覆された黄色蛍光体を通過し、蛍光体は青色光の一部によって励起されて黄色光を放射し、青色光スペクトルと黄色光スペクトルは互いに重なり合って白色を形成する。光。

産業チェーンの重要な部分として、高出力LEDパッケージングは、半導体照明およびディスプレイの実用化を促進するためのコア製造技術です。低熱抵抗、高発光効率および高信頼性LEDパッケージングおよび製造技術の開発を通してのみ、LEDチップは機械的および電気的保護に優れ、機械的、電気的、熱的、湿気およびその他の外的要因による性能への影響を低減します。 LEDを確実にするチップ安定した信頼できる仕事は、効率的で継続的な高性能の照明と表示効果を提供し、LEDの独自の省エネと長寿命の利点を実現し、そして半導体照明全体の良性の発展を促進する。産業チェーンを表示します。外国の関連会社による市場の利益の考慮を考慮して、関連する中核技術および機器はブロックされています。したがって、独立した高出力LEDパッケージング技術、特に白色LEDパッケージング装置を開発することが急務です。この記事は簡単に高出力LEDパッケージングの研究と応用状態を紹介し、高出力LEDパッケージングの過程における重要な技術的問題を分析して要約し、国内の対応者の注意を引き付け、そして自治を達成するように努めるハイパワーLEDの主要技術と機器の。。

パッケージングプロセス技術はLEDの性能において重要な役割を果たしています。 LEDパッケージング方法、材料、構造、およびプロセスの選択は、主にチップ構造、オプトエレクトロニクス/機械的特性、特定の用途、およびコストなどの要因によって決まります。電力の増加、特に固体照明技術の開発に伴い、ＬＥＤパッケージの光学的、熱的、電気的および機械的構造に対する新たなそしてより高い要求が提唱されてきた。パッケージの熱抵抗を効果的に低減し、光効率を向上させるためには、パッケージ設計に対して新しい技術的思想を採用しなければならない。プロセスの適合性および製造コストの低減の観点から、ＬＥＤパッケージ設計はチップ設計と同時に実行されるべきであり、すなわちパッケージ設計はパッケージ構造およびプロセスを考慮に入れるべきである。現在、パワーLEDパッケージ構造の主な開発動向は次のとおりです。サイズの小型化、デバイスの熱抵抗の最小化、平面パッチ、最大接合部温度の最大化、単一ランプの光束の最大化。目標は、光束、光効率を上げ、光を減らすことです。減衰し、効率を失い、一貫性と信頼性を向上させます。具体的には、高出力LEDパッケージの主要技術には、熱分散技術、光学設計技術、構造設計技術、蛍光体コーティング技術、および共晶はんだ付け技術が含まれます。

1、冷却技術

平均LEDノード温度は120℃を超えることはできません。 Lumileds、Nichia、CREEなどによって導入された最新のデバイスでも、最大ノード温度は1500℃を超えることはできません。したがって、ＬＥＤデバイスの熱放射効果は基本的に無視できる程度であり、熱伝導および対流がＬＥＤの熱放散の主な方法である。放熱設計では、最初に熱がLEDパッケージモジュールからヒートシンクに伝導されるため、熱伝導が最初に考慮されます。したがって、接合材料と基板はLED放熱技術の重要なリンクです。

接合材料は主に熱伝導性接着剤、導電性銀ペーストおよび合金はんだの3つの主な方法を含みます。熱伝導性接着剤は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの、基板の内側に添加された高熱伝導性の一種のフィラーであり、それによってその熱伝導性を改善する。導電性銀ペーストは、エポキシ樹脂に銀粉を添加した複合材料であり、ペーストの硬化が施されている。温度は一般に２００℃より低く、これは良好な熱伝導性および信頼性のある結合性能の利点を有するが、銀ペーストによる光の吸収は比較的大きく、その結果光効率の低下をもたらす。

基板は、主にセラミック基板、セラミック基板および複合基板の３つの主な形態を含む。セラミック基板は、主にＬＴＣＣ基板とＡｌＮ基板である。ＬＴＣＣ基板は、成形が容易であり、プロセスが簡単であり、低コストであり、様々な形状を作りやすいなど、多くの利点を有する。ＡｌおよびＣｕはＬＥＤパッケージ基板用の優れた材料である。金属材料の導電性のために、表面絶縁材を通過させることがしばしば必要である。表面に薄い絶縁層を形成するための陽極酸化。金属マトリックス複合材料は、主に、Ｃｕベースの複合材料およびＡｌベースの複合材料を含む。 Occhionero等。フリップチップ、オプトエレクトロニクスデバイス、パワーデバイス、およびハイパワーLEDヒートシンクへのAlSiCの応用を検討しました。 AlSiCへの熱分解グラファイトの追加はまたより高い熱放散のための要件を満たします。将来的には、複合基板には5つの主な種類があります。モノリシック炭素質材料、金属マトリックス複合材料、ポリマーベースの複合材料、カーボン複合材料、そして先進金属合金です。

また、パッケージ界面は熱抵抗に大きな影響を与えます。 LEDパッケージを改善するための鍵は、インタフェースとインタフェース接点の熱抵抗を減らし、放熱性を高めることです。従って、チップとヒートシンク基板との間の熱界面材料の選択は非常に重要である。熱界面材料として低温または共晶半田、半田ペーストまたはナノ粒子を含む導電性ペーストを使用すると、界面熱抵抗を大幅に減らすことができます。

2、光学設計技術

ＬＥＤパッケージの光学設計は、内側光学設計と外側光学設計とを含む。

内部光学設計の鍵は、ポッティング接着剤の選択と用途です。ポッティング接着剤の選択においては、高い光透過率、高い屈折率、良好な熱安定性、良好な流動性および容易な噴霧性を有することが要求される。ＬＥＤパッケージの信頼性を改善するために、ポッティング化合物はまた、低吸湿性、低応力、温度および環境保護を有することが必要とされる。現在使用されている注封材料はエポキシ樹脂とシリカゲルを含む。その中でも、シリカゲルは、高い光透過率（９９％を超える可視領域での高い透過率）、高い屈折率（１．４〜１．５）、良好な熱安定性（２００℃の高温に耐えることができる）、および低い応力（ヤング率が低い）、吸湿性が低い（０．２％未満）など、エポキシ樹脂よりもはるかに優れており、高出力ＬＥＤパッケージに広く使用されている。しかしながら、シリカゲルの性能は周囲温度によって大きく影響され、それはＬＥＤの光効率および光強度分布に影響を与える。したがって、シリカゲルの製造方法を改善する必要がある。

外部光学設計は、均一な強度分布を有する光照射野を形成するための出射ビームの収束および成形を指す。それは主に反射集光器設計（一次光学系）および成形レンズ設計（二次光学系）を含む。アレイモジュールの場合は、チップアレイの配布も含まれます。一般的に使用されるレンズには、凸レンズ、凹レンズ、球面鏡、フレネルレンズ、複合レンズなどが含まれる。レンズと高出力ＬＥＤの組み立て方法は、気密性および半気密性であり得る。近年、パッケージング後の集積化要件を考慮して研究の深化と共に、ビーム整形に使用されるレンズはマイクロレンズアレイを使用し、マイクロレンズアレイは光学における二次元平行収束、整形、コリメーションなどを果たすことができる。パス。それは、高い位置合わせ精度、便利で信頼できる製造、および他の平面装置との容易な結合という利点を有する。研究によると、通常のレンズやフレネルマイクロレンズの代わりに回折型マイクロレンズアレイを使用すると、ビーム品質が大幅に向上し、放出される光の強度が増加する可能性があります。 LEDはビーム形成のための最も有望な新技術です。

3、LEDパッケージ構造

LEDのパッケージング技術と構造は、リード、パワーパッケージ、チップ（SMD）、チップオンボード（COB）の4段階にあります。

（1）リードLEDパッケージ

LEDフットパッケージは、さまざまなパッケージタイプのピンとしてリードフレームを使用しています。それは市場で首尾よく開発された最初のパッケージ構造です。製品の多様性は高く、技術の成熟度は高く、そしてパッケージ内部の構造と反射層はまだ改善されています。通常3〜5mmのパッケージ構造で使用され、一般に低電流（20〜30mA）および低電力（0.1W以下）のLEDパッケージに使用されます。主に計器の表示や表示に使用され、大規模な統合のための表示画面としても使用できます。デメリットは、パッケージの熱抵抗が大きく（通常100K / W以上）、寿命が短いことです。

（2）パワーLEDパッケージ

LEDチップとパッケージは高出力の方向に開発されています。高電流下では、光束はΦ5mmLEDの光束の10〜20倍です。有効な熱放散および劣化しない包装材料は、光減衰の問題を解決するために使用されなければならない。したがって、パッケージとパッケージも重要です。技術、数Wの電力に耐えることができるLEDパッケージが登場しました。白色LEDの光出力は1871mに達し、光効率は44.31lm / Wの緑色光減衰問題、および10Wの電力に耐えることができるLEDです。開発されています。チューブ; サイズは2.5 mm x 2.5 mmで、5Aの電流、2001 lmまでの光出力で動作できます。固体光源には開発の余地がたくさんあります。

（3）表面実装（SMD）タイプ（SMD）LEDパッケージ

2002年には早くも、表面実装型パッケージLED（SMDLED）が徐々に市場に受け入れられ、一定の市場シェアを獲得しました。リードパッケージからSMDまで、それはエレクトロニクス業界全体の開発動向に適合し、そして多くの製造業者がそのような製品を紹介しました。

SMDLEDは現在LED市場で最も高いパッケージング市場シェアです。このＬＥＤパッケージ構造は、射出成形プロセスを使用して金属リードフレームをＰＰＡプラスチックで包み、特定の形状の反射カップを形成する。金属リードフレームは反射カップの底部から装置の側面まで伸びている。デバイスピンは、外向きまたは内向きに平坦化することによって形成される。改良されたＳＭＤＬＥＤ構造は白色ＬＥＤ照明技術を伴う。単一のLEDデバイスの消費電力を増加させてデバイスの明るさを向上させるために、エンジニアはSMDLEDの熱抵抗を減らす方法を見つけ始め、ヒートシンクの概念を導入しました。この改良された構造は、元のSMDLED構造の高さを減らします。金属製のリードフレームは、LEDデバイスの底面に直接配置されています。反射カップは金属フレームの周りにプラスチックを注入することによって形成されます。チップは金属フレームの上に置かれます。金属フレームは、はんだペーストを介して直接はんだ付けされています。回路基板には垂直方向の放熱チャネルが形成されている。材料技術の発展により、ＳＭＤパッケージ技術は熱放散と耐用年数の初期の問題を克服し、１〜３Ｗの高出力白色ＬＥＤチップをパッケージするのに使用することができる。

（4）COB-LEDパッケージ

ＣＯＢパッケージは、金属ベースのプリント回路基板ＭＣＰＣＢ上に複数のチップを直接パッケージすることができ、基板を通して直接熱を放散することができ、これはブラケットの製造工程およびコストを削減するだけでなく、熱放散を低減するという利点も有する。ＰＣＢは、低コストのＦＲ − ４材料（ガラス繊維強化エポキシ）または高熱伝導性金属ベースまたはセラミックベースの複合材（アルミニウム基板または銅被覆セラミック基板など）であり得る。ワイヤボンディングは、高温でのサーモソニックボンディング（金ワイヤボールボンディング）と常温での超音波ボンディング（アルミニウムボーリングツール溶接）によって行うことができる。ＣＯＢ技術は、主に高出力マルチチップアレイのＬＥＤパッケージングに使用されている。 SMDと比較すると、パッケージの電力密度が大幅に向上するだけでなく、パッケージの熱抵抗（通常6〜12 W / m・K）も減少します。

コストと用途の観点から、COBは将来の照明デザインの主流となるでしょう。ＣＯＢパッケージのＬＥＤモジュールは、基板上に実装された複数のＬＥＤチップを有する。複数のチップを使用することは、明るさを向上させるだけでなく、ＬＥＤチップの合理的な構成を容易にし、単一のＬＥＤチップの入力電流量を減少させて高い効率を保証する。また、この面光源は、パッケージの放熱面積を大幅に拡大することができるので、熱を外装ケースに伝導しやすくなる。伝統的なLED照明器具の実践は以下のとおりです。LED光源ディスクリートデバイス - MCPCB光源モジュール - LED照明器具、主に該当するコア光源コンポーネントを使用しないという実践に基づき、時間がかかるだけでなく、費用もかかる。実際、あなたが「COB光源モジュール - LEDランプ」のルートをたどれば、それは労力と時間を節約することができ、そしてデバイスパッケージのコストを節約することができます。

要するに、低電力から高電力まで、単一デバイスパッケージであろうとモジュール式COBパッケージであろうと、LEDパッケージ構造は、デバイスの熱抵抗を減らし、光出力を改善し、信頼性を改善する方法を中心に設計されています。

4、蛍光体コーティング技術

光変換構造、すなわち蛍光体コーティング構造は、主にＬＥＤ白色光照明技術に向けられており、ＬＥＤチップによって放射されたより短い波長の光を、補色（白色）に相補的なより長い波長の光に変換することを目的とする。補完的な）。

現在、蛍光体を使用して白色光を生成するには3つの方法があります。赤と緑の蛍光体を含む青色LED。赤、緑、青の蛍光体を使ったUV-LED。なかでも、市販の白色LEDは、青色LEDと黄色蛍光体を組み合わせたシングルチップタイプが主流です。赤色および緑色蛍光体を有する青色ＬＥＤの白色光生成方法は、オスラム、ルミレッズなどの特許にしか報告されていないが、商品化されていない。製品が登場し、UV-LEDを3色蛍光体と組み合わせる方法はまだ開発中です。