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大功率白光封装工艺及可靠性分析

日期: 2022-05-16 22:54 浏览次数 :

 一、led灯珠封装工艺由于led灯珠的结构形式不同,封装工艺上也有一些差别,但关键工序相同,led灯珠封装主要工艺有:固晶→焊线→封胶→切脚→分级→包装。
二、大功率led灯珠封装关键技术2.1 led灯珠封装技术的要求大功率led灯珠封装关键技术大功率led灯珠封装涉及到光、电、热、结构和工艺等方面,这些因素既独立又影响。光是封装的目的,电、结构与工艺是手段,热是关键,性能是封装水平的具体体现。考虑到工艺兼容性及降低生产成本,应同时进行led灯珠封装设计与芯片设计,否则,芯片制造完成后,可能因封装的需要对芯片结构进行调整,将可能延长产品研发的周期和成本,甚至会不能实现量产。2.2 led灯珠封装结构设计和散热技术led灯珠的光电转换效率仅为20%~30%,输入电能的70%~80%转变成了热量,芯片的散热是关键。小功率led灯珠封装一般采用银胶或绝缘胶将芯片黏接在反射杯里,通过焊接金丝(或铝丝)完成内外连接,最后用环氧树脂封装。封装热阻高达150~250℃/W,一般采用20mA左右的驱动电流。大功率led灯珠的驱动电流达到350mA、700mA甚至1A,采用传统直插式led灯珠封装工艺,会因散热不良导致芯片结温上升,再加上强烈的蓝光照射,环氧树脂很容易产生黄化现象,加速器件老化,甚至失效,迅速热膨胀产生的内应力造成开路而死灯。大功率led灯珠封装结构设计的重点是改善散热性能,主要包括芯片结构形式、封装材料(基板材料、热界面材料)的选择与工艺、将导电与导热路线分开的结构设计等,比如:采用倒装芯片结构、减薄衬底或垂直芯片结构的芯片,选用共晶焊接或高导热性能的银胶、采用COB技术将芯片直接封装在金属铝基板上、增大金属支架的表面积等方法。2.3 led灯珠光学设计技术不同用途的产品对led灯珠的色坐标、色温、显色性、光强和光的空间分布等要求不同。为提高器件的取光效率,并实现更优的出光角度和配光曲线,需要对芯片反光杯与透镜进行光学设计。大功率led灯珠通常是将led芯片安装在反射杯的热沉、支架或基板上,反射杯一般采用镀高反射层(镀Ag或Al)的方式提高反射效果,大功率led灯珠出光效率还受模具精度及工艺影响很大,如果处理不好,容易导致很多光线被吸收,无法按预期目标发射出来,导致封装后的大功率led灯珠发光效率偏低。2.4 led灯珠灌封胶的选择led灯珠灌封胶的作用有两点(1)对芯片、金线进行机械保护;(2)作为一种光导材料,将更多的光导出。封装时,led芯片产生的光向外发射产生的损失主要有:(1)光子在led芯片出射界面由于折射率差引起的反射损失(即菲涅尔损失);(2)光学吸收;(3)全内反射损失。因此,在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明光学材料,可以减少光子在界面的损失,提高出光效率。常用的灌封胶有环氧树脂和硅胶。环氧树脂黏度低、流动性好、固化速度适中,固化后无气泡、表面平整、有很好的光泽、硬度高,防潮防水防尘性能佳,耐湿热和大气老化,成本较低,是led灯珠封装首选。硅胶具有透光率高、热稳定性好、折射率大、吸湿性低、应力小等特点,优于环氧树脂,但成本较高。小功率led灯珠一般选用环氧树脂封装,大功率led灯珠内部通常填充透明度高的柔性硅胶,胶体不会因照射高温或紫外线出现老化变黄,也不会因温度骤变而导致器件开路的现象,通过提高硅胶折射率,可减少菲涅尔损失,提高出光效率。2.5 led灯珠荧光粉涂敷量和均匀性控制技术大功率白光led灯珠的发光效率和光的质量与荧光粉的选择和工艺过程有关。荧光粉的选择包括激发波长与芯片波长的匹配、颗粒大小与均匀度、激发效率等。荧光粉涂覆根据蓝光芯片的发光分布进行调整,使混出的白光均匀,否则会出现蓝黄圈现象,严重的会影响光源质量,激发效率也会大幅下降。荧光粉与胶体的混合配方及涂胶工艺是保证led灯珠光色在空间分布均匀和一致性的关键。将荧光粉与胶按一定配比混合后涂到芯片上,在led灯珠芯片上方形成半球状。这种分布会使光色的空间分布不均匀,有黄圈或蓝圈。另外,在荧光粉涂敷过程中,由于胶的黏度是动态参数、荧光粉比重大于胶产生沉淀,使荧光粉的涂敷量控制增加了更多变数,容易导致白光的光色空间分布不均匀。目前,美国Lumileds公司率先研制使用的荧光粉等厚蒸镀工艺,通过蒸镀的方法在芯片上均匀地覆盖一层荧光粉,可改善光色的空间分布均匀性。
三、大功率led灯珠封装的可靠性分析3.1 静电对led灯珠芯片造成的损伤瞬间的电场或电流产生的热使led灯珠局部受损伤,表现为漏电流迅速增加,有时虽能工作,但亮度降低或白光变色,寿命受损。当电场或电流击穿led灯珠的PN结时,led灯珠内部完全破坏造成死灯。在led灯珠封装生产线,所有设备都要求接地,一般接地电阻为4Ω,要求高的场所接地电阻为≤2Ω。led灯珠应用流水线设备和人员接地不良也会造成led灯珠损坏。按照led灯珠使用手册标准规定,led灯珠引线距胶体应不少于3~5mm进行弯脚或焊