Production efficace d’installations avancéesLes diodes électroluminescentes (DEL) sont devenues un point chaud pour la concurrence dans le secteur stratégique international émergent. En amont de la chaîne de l'industrie des LED, l'amont comprend les matériaux de substrat, l'épitaxie, la conception et la fabrication de puces, le segment intermédiaire couvre la technologie d'emballage, les équipements et la technologie de test, et l'aval concerne les applications d'affichage, d'éclairage et d'éclairage à LED. Actuellement, le procédé LED bleue + phosphore jaune est principalement utilisé pour réaliser la LED haute puissance à lumière blanche, c’est-à-dire un phosphore jaune émettant de la lumière jaune (grenat d'yttrium-aluminium) émis par une partie du bleu à base de GaN LED, et une autre partie de la lumière bleue est émise à travers le phosphore. La lumière jaune émise par le phosphore jaune est mélangée à la lumière bleue transmise pour obtenir une lumière blanche. La lumière bleue émise par la puce DEL bleue passe à travers le luminophore jaune qui s’enroule autour de celui-ci; elle est excitée par une partie de la lumière bleue pour émettre de la lumière jaune. Le spectre de la lumière bleue et le spectre de la lumière jaune se chevauchent pour former du blanc. lumière.
En tant que partie importante de la chaîne de l'industrie, les emballages de LED haute puissance constituent la technologie de base pour promouvoir l'application pratique de l'éclairage et de l'affichage à semi-conducteurs. Ce n’est que grâce au développement de la résistance thermique faible, du rendement lumineux élevé et de la fiabilité de la technologie d’emballage et de fabrication des DEL que la puce à DEL offre une protection mécanique et électrique efficace, réduisant ainsi l’impact des facteurs mécaniques, électriques, thermiques, humides et autres sur la performance des la puce, pour assurer les LED Le travail stable et fiable de la puce peut fournir des effets d’éclairage et d’affichage performants, efficaces et continus, réaliser les avantages uniques des LED en termes d’économie d’énergie et de longévité, et promouvoir le développement sans danger de l’éclairage et du semi-conducteur dans son ensemble afficher la chaîne de l'industrie. Compte tenu de la prise en compte des intérêts du marché par les sociétés liées étrangères, les technologies et équipements de base pertinents sont bloqués. Par conséquent, il est urgent de développer une technologie de conditionnement indépendante pour LED haute puissance, en particulier des équipements de conditionnement pour LED blanches. Cet article présente brièvement l’état de la recherche et des applications des emballages de LED haute puissance, analyse et résume les principaux problèmes techniques rencontrés dans le processus d’emballage de LED haute puissance, afin d’attirer l’attention des homologues nationaux et s’efforce de parvenir à l’autonomie. des technologies et équipements clés à LED haute puissance. .
La technologie des processus d'emballage joue un rôle crucial dans les performances des LED. Le choix des méthodes, matériaux, structures et processus d’emballage des LED est principalement déterminé par des facteurs tels que la structure de la puce, les caractéristiques optoélectroniques / mécaniques, les applications spécifiques et les coûts. Avec l’augmentation de la puissance, en particulier le développement de la technologie d’éclairage à semi-conducteurs, de nouvelles exigences plus élevées ont été avancées pour les structures optiques, thermiques, électriques et mécaniques des boîtiers de LED. Afin de réduire efficacement la résistance thermique de l'emballage et d'améliorer l'efficacité lumineuse, une nouvelle idée technique doit être adoptée pour la conception de l'emballage. Du point de vue de la compatibilité des processus et de la réduction des coûts de production, la conception du boîtier de LED doit être réalisée simultanément à la conception de la puce, c’est-à-dire que la conception du boîtier doit prendre en compte la structure et le processus du boîtier. À l’heure actuelle, les principales tendances en matière de développement de la structure des blocs d’alimentation à LED de puissance sont les suivantes: miniaturisation de la taille, minimisation de la résistance thermique du dispositif, patching plan, température de jonction de tenue maximale, maximisation du flux à lampe unique; L’objectif est d’augmenter le flux lumineux, l’efficacité lumineuse et de réduire la lumière. Décroissance, perte d'efficacité, amélioration de la cohérence et de la fiabilité. Plus précisément, les technologies clés des emballages de LED haute puissance incluent: la technologie de dispersion thermique, la technologie de conception optique, la technologie de conception structurelle, la technologie de revêtement au phosphore et la technologie de brasage eutectique.
1, technologie de refroidissement
La température moyenne des nœuds LED ne peut pas dépasser 120 ° C. Même les derniers appareils introduits par Lumileds, Nichia, CREE, etc., la température maximale des noeuds ne peut dépasser 1500 ° C. Par conséquent, l'effet de rayonnement thermique des dispositifs à LED est fondamentalement négligeable, et la conduction de la chaleur et la convection sont les principaux moyens de dissipation de la chaleur des LED. Dans la conception à dissipation thermique, la conduction thermique est d'abord prise en compte car la chaleur est d'abord acheminée du module de boîtier de LED vers le dissipateur thermique. Par conséquent, le matériau de liaison et le substrat sont les maillons essentiels de la technologie de dissipation thermique par LED.
Les matériaux de liaison comprennent principalement trois types de colle thermo-conductrice, de pâte d'argent conductrice et de brasure en alliage. L'adhésif thermoconducteur est une sorte de charge à haute conductivité thermique ajoutée à l'intérieur du substrat, telle que SiC, A1N, A12O3, SiO2, etc., améliorant ainsi sa conduction thermique; la pâte d'argent conductrice est un matériau composite formé en ajoutant de la poudre d'argent dans la résine époxy, et le durcissement de la pâte est appliqué. La température est généralement inférieure à 200 ° C, ce qui présente les avantages d'une bonne conductivité thermique et de performances de liaison fiables, mais l'absorption de la lumière par la pâte d'argent est relativement importante, ce qui entraîne une diminution du rendement lumineux.
Le substrat comprend principalement trois modes principaux: un substrat en céramique, un substrat en céramique et un substrat composite. Le substrat en céramique est principalement un substrat LTCC et un substrat AIN. Le substrat LTCC présente de nombreux avantages tels qu'un moulage facile, un procédé simple, un faible coût et une grande facilité pour réaliser différentes formes. Al et Cu sont d'excellents matériaux pour les substrats de boîtier de LED. En raison de la conductivité des matériaux métalliques, il est souvent nécessaire de laisser passer l’isolant de surface. Anodisation pour former une mince couche isolante sur la surface. Les composites à matrice métallique comprennent principalement des matériaux composites à base de Cu et des matériaux composites à base d'Al. Occhionero et al. a exploré l’application d’AlSiC sur les puces à retournement, les dispositifs optoélectroniques, les dispositifs d’alimentation et les dissipateurs de chaleur à LED de haute puissance. L'ajout de graphite pyrolytique à AlSiC répond également aux exigences d'une dissipation de chaleur plus élevée. Il existe cinq principaux types de substrats composites à l’avenir: les matériaux carbonés monolithiques, les composites à matrice métallique, les composites à base de polymères, les composites à base de carbone et les alliages métalliques avancés.
De plus, l'interface du boîtier a une grande influence sur la résistance thermique. La clé pour améliorer le boîtier de LED consiste à réduire la résistance thermique de l'interface et du contact de l'interface et à améliorer la dissipation de chaleur. Par conséquent, le choix du matériau d'interface thermique entre la puce et le substrat du dissipateur de chaleur est très important. L'utilisation d'une soudure à basse température ou eutectique, d'une pâte à braser ou d'une pâte conductrice avec des nanoparticules en tant que matériau d'interface thermique peut réduire considérablement la résistance thermique de l'interface.
2, technologie de conception optique
La conception optique du boîtier de DEL comprend une conception optique interne et une conception optique externe.
La clé de la conception optique interne réside dans le choix et l’application de la colle de rempotage. Dans le choix de la colle de rempotage, il est nécessaire que le coefficient de transmission lumineuse, l'indice de réfraction soit élevé, la stabilité thermique, la fluidité et la facilité de pulvérisation. Afin d'améliorer la fiabilité du boîtier de LED, le composé d'enrobage doit également présenter une faible hygroscopicité, une faible contrainte, la protection de la température et de l'environnement. Les composés d'empotage actuellement utilisés comprennent la résine époxy et le gel de silice. Parmi ceux-ci, le gel de silice a une transmittance lumineuse élevée (transmittance dans le visible de plus de 99%), un indice de réfraction élevé (1,4 à 1,5), une bonne stabilité thermique (peut supporter des températures élevées de 200 ° C) et un faible stress ( Module de Young) Faible), faible hygroscopicité (moins de 0,2%), etc., nettement mieux que la résine époxy, largement utilisée dans les emballages de LED haute puissance. Cependant, les performances du gel de silice sont fortement affectées par la température ambiante, ce qui affecte l'efficacité et la distribution de l'intensité lumineuse des LED. Par conséquent, le processus de préparation du gel de silice doit être amélioré.
La conception optique externe fait référence à la convergence et à la mise en forme du faisceau sortant pour former un champ lumineux avec une distribution d'intensité uniforme. Il comprend principalement la conception de concentrateurs réfléchissants (optique primaire) et la conception de lentilles de mise en forme (optique secondaire). Pour les modules de matrice, cela inclut également la distribution de matrices de puces. Les objectifs couramment utilisés comprennent les objectifs convexes, les objectifs concaves, les miroirs sphériques, les objectifs de Fresnel, les objectifs combinés, etc. Le procédé d'assemblage des objectifs et des LED haute puissance peut être étanche à l'air et semi-hermétique. Ces dernières années, avec l’approfondissement de la recherche, compte tenu des exigences d’intégration après l’emballage, la lentille utilisée pour la mise en forme du faisceau utilise un réseau de microlentilles et le réseau de microlentilles peut jouer un rôle de convergence, de mise en forme, de collimation, etc., dans l’optique. chemin. Il présente les avantages d'une précision d'alignement élevée, d'une fabrication pratique et fiable et d'un couplage aisé avec d'autres dispositifs plans. Les recherches montrent que l'utilisation de réseaux de microlentilles diffractifs au lieu de lentilles ordinaires ou de microlentilles de Fresnel peut considérablement améliorer la qualité du faisceau et augmenter l'intensité de la lumière émise. Les LED sont la nouvelle technologie la plus prometteuse pour la mise en forme du faisceau.
3, structure de paquet de LED
La technologie et la structure de l'emballage des LED ont été à la pointe de la technologie, du bloc d'alimentation, de la puce (SMD) et de la puce à bord (COB).
(1) Paquet de leds
Le boîtier de pied à DEL utilise des grilles d’amorçage en tant que broches pour différents types de boîtier. C'est la première structure de paquet développée avec succès sur le marché. La variété des produits est élevée, la maturité de la technologie est élevée, et la structure et la couche réfléchissante à l'intérieur de l'emballage sont en cours d'amélioration. Il est généralement utilisé dans une structure de boîtier de 3 ~ 5 mm, et est généralement utilisé pour les boîtiers de LED à faible courant (20 ~ 30 mA) et à faible puissance (moins de 0,1 W). Il est principalement utilisé pour l'affichage ou l'indication de l'instrument et peut également être utilisé comme écran d'affichage pour une intégration à grande échelle. L'inconvénient est que l'emballage présente une grande résistance thermique (généralement supérieure à 100 K / W) et une courte durée de vie.
(2) boîtier d'alimentation à DEL
La puce LED et son boîtier sont développés dans le sens de la puissance élevée. Sous le courant élevé, le flux lumineux est 10 à 20 fois supérieur à celui de la LED Φ5mm. La dissipation thermique efficace et des matériaux d'emballage non dégradants doivent être utilisés pour résoudre le problème de dégradation de la lumière. Par conséquent, le package et le package sont également la clé. La technologie, des boîtiers de LED pouvant supporter plusieurs puissances en W ont vu le jour. Les LED d'alimentation blanches, vertes, bleues, bleues de la série 5W sont disponibles depuis le début de 2003. La puissance de sortie de la LED blanche atteint 1871m, l'efficacité de la lumière est de 44,31 lm / W, et le voyant pouvant supporter 10W est développé. Tube; la taille est de 2,5 mm X 2,5 mm, peut fonctionner à un courant de 5 A, le rendement lumineux jusqu’à 2001 lm, puisqu’une source d’éclairage solide laisse beaucoup de place au développement.
(3) Groupe de DEL de type à montage en surface (SMD) (SMD)
Dès 2002, les LEDs emballées montées en surface (SMDLED) ont été progressivement acceptées par le marché et ont gagné une certaine part de marché. De paquet de plomb à SMD, il se conformait à la tendance de développement de l’ensemble du secteur de l’électronique, et de nombreux fabricants ont introduit de tels produits.
SMDLED représente actuellement la plus grande part de marché de l'emballage sur le marché des LED. Cette structure de boîtier à LED utilise un processus de moulage par injection pour envelopper la grille de connexion métallique dans du plastique PPA et former un réflecteur de forme spécifique. La grille de connexion métallique s'étend du bas de la coupelle du réflecteur jusqu'au côté de l'appareil. Les broches du dispositif sont formées par aplatissement vers l'extérieur ou vers l'intérieur. La structure améliorée SMDLED est accompagnée d'une technologie d'éclairage à LED blanche. Afin d'augmenter la consommation d'énergie d'un seul dispositif à LED pour augmenter la luminosité de celui-ci, les ingénieurs ont commencé à trouver des moyens de réduire la résistance thermique de SMDLED et ont introduit le concept de dissipateur thermique. Cette structure améliorée réduit la hauteur de la structure SMDLED d'origine. La grille de connexion métallique est placée directement sur la partie inférieure du dispositif à LED. La coupelle réfléchissante est formée en injectant du plastique autour du cadre métallique. La puce est placée sur le cadre en métal. Le cadre en métal est soudé directement à travers la pâte à souder. Un canal de dissipation thermique vertical est formé sur la carte de circuit imprimé. En raison du développement de la technologie des matériaux, la technologie d’emballage SMD a permis de surmonter les premiers problèmes de dissipation de chaleur et de durée de vie, et peut être utilisée pour emballer des puces à LED blanches haute puissance de 1 ~ 3W.
(4) boîtier COB-LED
L'emballage COB peut directement empaqueter plusieurs puces sur la carte de circuit imprimé à base métallique MCPCB et dissiper directement la chaleur à travers le substrat, ce qui non seulement réduit le processus de fabrication et le coût du support, mais présente également l'avantage de réduire la dissipation de chaleur. Le circuit imprimé peut être un matériau FR-4 à faible coût (époxy renforcé de fibre de verre) ou un composite à base de métal ou à base de céramique à conductivité thermique élevée (tel qu'un substrat en aluminium ou un substrat en céramique revêtu de cuivre). Le soudage des fils peut être effectué par soudage thermosonique (soudage à billes en fil d'or) à haute température et soudage par ultrasons à température normale (soudage de l'outil de forage en aluminium). La technologie COB est principalement utilisée pour le conditionnement par LED de matrices multi-puces haute puissance. Comparé au SMD, il augmente non seulement considérablement la densité de puissance du boîtier, mais réduit également sa résistance thermique (généralement de 6 à 12 W / m · K).
Du point de vue des coûts et des applications, COB deviendra l’orientation principale de la conception future de l’éclairage. Le module de LED du boîtier COB comporte une pluralité de puces de LED montées sur le substrat. L'utilisation de plusieurs puces améliore non seulement la luminosité, mais facilite également la configuration rationnelle des puces à LED et réduit la quantité de courant d'entrée d'une puce à LED pour assurer un rendement élevé. De plus, cette source de lumière de surface peut considérablement élargir la zone de dissipation de chaleur de l'emballage, de sorte que la chaleur peut être plus facilement acheminée vers l'enveloppe externe. La pratique traditionnelle des luminaires à LED est la suivante: dispositif discret à source de lumière LED - module source de lumière MCPCB - luminaire à LED, reposant principalement sur la pratique qui consiste à ne pas utiliser les composants de source lumineuse essentiels, non seulement beaucoup de temps, mais également de manière coûteuse. En fait, si vous choisissez "Module source de lumière COB - Lampe LED", vous économiserez du temps et de la main-d’œuvre, ainsi que le coût de l’emballage de l’appareil.
En bref, qu’il s’agisse d’un seul appareil ou d’un ensemble COB modulaire, de la puissance faible à la puissance élevée, la structure du bloc de LED est conçue pour réduire la résistance thermique de l’appareil, améliorer le flux lumineux et améliorer la fiabilité.
4, technologie de revêtement de phosphore
La structure de conversion de la lumière, à savoir la structure de revêtement au phosphore, est principalement orientée vers la technologie d’éclairage par lumière blanche à LED et vise à convertir la lumière émise par la puce à longueur d'onde plus courte en une lumière à longueur d'onde plus longue complémentaire de la couleur complémentaire (couleur blanche). complémentaire).
À l’heure actuelle, il existe trois façons de produire de la lumière blanche en utilisant du phosphore: une LED bleue avec un phosphore jaune; LED bleue avec phosphore rouge et vert; UV-LED avec phosphores rouges, verts et bleus. Parmi celles-ci, les LED blanches commerciales sont principalement du type monopuce avec LED bleue et phosphore jaune. La méthode de génération de lumière blanche de la LED bleue avec les luminophores rouge et vert n’est décrite que dans les brevets d’OSRAM, Lumileds, etc., mais elle n’a pas été commercialisée. Des produits apparaissent et la manière dont les UV-LED sont combinées avec des luminophores tricolores est encore en développement.