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Hochleistungs-LED-Verpackungstechnologie
Nov.20.2024
Wegen ihrer komplexen Struktur und Prozesse ist die Verpackung von High-Power-LEDs in den letzten Jahren zu einem Forschungsschwerpunkt geworden, da sie direkt die Leistung und Lebensdauer der LED beeinflusst. Insbesondere ist die Verpackung von High-Power-Weißlicht-LEDs ein besonderer Schwerpunkt unter den Forschungsthemen.
Die Funktionen der LED-Verpackung umfassen hauptsächlich: 1. Mechanischer Schutz zur Verbesserung der Zuverlässigkeit; 2. Intensivierte Wärmeabfuhr zur Reduzierung der Chip-Knotentemperatur und zur Verbesserung der LED-Leistung; 3. Optische Steuerung zur Erhöhung der Lichtausgabeeffizienz und Optimierung der Strahldichte; 4. Spannungsmanagement, einschließlich Wechsel-/Gleichstrom-Umsetzung und Spannungsregelung.
Die Auswahl der LED-Verpackungsmethoden, -materialien, -strukturen und -prozesse wird hauptsächlich von Faktoren wie Chipstruktur, optoelektronische/mechanische Eigenschaften, spezifische Anwendungen und Kosten bestimmt. Nach mehr als 40 Jahren Entwicklung hat die LED-Verpackung die Entwicklungsstufen von Klammertyp (Lamp LED), SMD-Typ (SMD LED) und Kern-Typ LED (COB LED) durchlaufen.
Schlüsseltechnologien der Hochleistungs-LED-Verpackung
Die Verpackung von Hochleistungs-LEDs umfasst hauptsächlich Licht, Wärme, Elektrizität, Struktur und Prozess. Diese Faktoren sind sowohl voneinander unabhängig als auch gegenseitig beeinflussend. Davon ist das Licht das Ziel der LED-Verpackung, die Wärme der Schlüssel, Elektrizität, Struktur und Prozess sind Mittel, und die Leistung ist die konkrete Ausprägung des Verpackungsniveaus. Aus der Perspektive der Prozesskompatibilität und der Senkung der Produktionskosten sollte die LED-Paketgestaltung gleichzeitig mit der Chipgestaltung durchgeführt werden, das heißt, die Paketstruktur und der Prozess sollten bei der Chipentwicklung berücksichtigt werden. Andernfalls muss die Chipstruktur nach der Fertigung möglicherweise aufgrund von Verpackungsanforderungen angepasst werden, was den Produktentwicklungszyklus und die Prozesskosten verlängert und manchmal sogar unmöglich macht.
01 Verpackungsprozess mit geringem thermischem Widerstand. Für das derzeitige Effizienzniveau von LED-Beleuchtung wird etwa 80 % der eingebrachten elektrischen Energie in Wärme umgewandelt, und da die Chipfläche klein ist, stellt die Kühlung des Chips ein Schlüsselproblem dar, das bei der Verpackung von LEDs gelöst werden muss. Dies umfasst insbesondere die Chipanordnung, die Auswahl der Verpackungsmaterialien (Trägermaterial, thermisches Interface-Material) und des Prozesses sowie die Gestaltung des Kühlers usw.
02 Hochleistungsausbeute-Verpackungsstruktur und -prozess. Während der Verwendung von LEDs verliert die durch Strahlungsrekombination entstehenden Photonen beim nach außen emittieren hauptsächlich in drei Bereichen: interne Strukturdefekte des Chips und Absorption des Materials; Reflexionsverluste der Photonen an der Ausgangsoberfläche aufgrund des Brechungsindexunterschieds; sowie Totalreflexionsverluste, die durch einen Einfallswinkel größer als der kritische Winkel für Totalreflexion verursacht werden. Deshalb können viele Strahlen nicht vom Chip nach außen emittiert werden. Durch das Auftragen einer Schicht transparenten Klebstoffs (Gießharz) mit einem relativ hohen Brechungsindex auf die Oberfläche des Chips wird der Verlust der Photonen an der Schnittstelle effektiv reduziert und die Lichtextraktionseffizienz verbessert. Darüber hinaus umfasst die Funktion des Gießharzes auch den mechanischen Schutz des Chips, Spannungsauflockerung und als Lichtleitstruktur. Daher wird erwartet, dass es eine hohe Lichtdurchlässigkeit, einen hohen Brechungsindex, gute thermische Stabilität, gute Fließeigenschaften und einfaches Sprühen aufweist. Um die Zuverlässigkeit der LED-Verpackung zu verbessern, wird von dem Gießharz auch eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme, niedrige Spannung und Alterungsbeständigkeit verlangt. Derzeit gebräuchliche Gießharze umfassen Epoxidharz und Silikon. Silikon ist deutlich besser als Epoxidharz aufgrund seiner hohen Lichtdurchlässigkeit, hohen Brechzahl, guter thermischer Stabilität, geringer Spannung und geringer Feuchtigkeitsaufnahme. Es wird weitgehend in der Verpackung von Hochleistungs-LEDs eingesetzt, hat jedoch relativ hohe Kosten.
In den letzten Jahren sind LED-Chips allmählich zum Liebling der Display-Industrie geworden. Mit den Vorteilen hoher Helligkeit, Eigenleuchtkraft und Vollfarbe sind sie kontinuierlich in verschiedene Anzeigefelder vorgedrungen, wobei SMD-Verpackung und COB-Verpackung die Hauptfaktoren sind, die diese Entwicklung vorantreiben.
Die Oberflächenmontage-Drein-eins (SMD)-LED kam 2002 auf den Markt und eroberte allmählich den Marktanteil von LED-Anzeigegeräten, wobei der Übergang von Nadeltyp-Verpackungen zu SMD erfolgte. Die Oberflächenmontage-Verpackung besteht darin, einen oder mehrere LED-Chips an eine metallene Halterung mit einem plastischen, "becherförmigen" äußeren Rahmen zu binden (die äußeren Kontakte der Halterung sind jeweils mit dem P- und N-Pol des LED-Chips verbunden), dann den plastischen äußeren Rahmen mit flüssigem Verpackungskleber auszufüllen und ihn bei hoher Temperatur zu backen, um die Formung zu vollenden, und abschließend in einzelne oberflächenmontierte Verpackungseinheiten zu schneiden. Da Oberflächenmontagetechnologie (SMT) verwendet werden kann, ist der Automatisierungsgrad relativ hoch. Im Vergleich zur Nadelverpackungstechnologie weisen SMD-LEDs in Bezug auf Helligkeit, Konsistenz, Zuverlässigkeit, Blickwinkel und Äußeres bessere Leistungsmerkmale auf.