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LED封裝結構、工藝發展現狀及趨勢

 1. 前言

  LED封裝的功能主要包括:

精品精品国产自在现拍  1. 機械保護, 以提高可靠性;

精品精品国产自在现拍  2. 加強散熱, 以降低芯片結溫, 提高LED性能;

  3. 光學控制, 提高出光效率, 優化光束分布;

精品精品国产自在现拍  4. 供電管理, 包括交流/ 直流轉變, 以及電源控制等。

  LED封裝是一個涉及到多學科( 如光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等) 的技術。(如圖1所示)從某種角度而言,LED封裝不僅是一門制造技術(Technology), 而且也是一門基礎科學(Science), 優秀的封裝工程師需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質有深刻的理解。芯片級封裝CSP吸引了大家的目光,所以現在與未來的LED封裝技術,需要在LED封裝設計上與芯片設計上同時進行, 并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中, 雖然材料( 散熱基板、熒光粉、灌封膠) 選擇很重要, 但封裝結構( 如熱學界面、光學界面) 對LED光效和可靠性影響也很大, 大功率白光LED封裝必須采用新材料, 新工藝, 新思路。小間距或Mini LED的封裝技術需要對倒裝芯片與回流焊或共晶倒裝封裝制程深刻的理解。對于LED的技術從業者而言, 成本光效與可靠度之外,是需要將光源、散熱、供電和燈具等集成考慮。本篇白皮書針對LED封裝技術的現狀與未來做探討,進而分析未來LED封裝的技術與產品趨勢。

  2.LED技術發展大趨勢

精品精品国产自在现拍  LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電/ 機械特性、具體應用和成本等因素決定的。經過40多年的發展,LED封裝先后經歷了支架式(LampLED)、貼片式(S MD LED)、功率型LED(Power LED)與COB等發展階段。如圖2 所示。

  發展到今天,往后會走向何方?SMD? EMC? COB?還是CSP? 什么是倒裝焊與無封裝?到底LED的封裝會走那個方向,目前還是眾說紛紜。不過從歷史趨勢來看,如圖3所示,封裝材料越來越少,材料導熱性越來越好,功率密度越來越大,封裝制程步驟來越精簡與器件越來越少是未來的趨勢,當然這離開不了芯片技術的進步。

  表1是科技部半導體照明中心的中國LED的技術藍圖,從2004年開始到現在,中國一直往這個藍圖方向走,預計到未來的2022年將達到300流明瓦的目標,單燈成本將小于10塊錢,這對封裝技術而言是一項非常大的挑戰,技術進步,成本降低,海茲定律未來會繼續主導LED的方向,尤其是LED照明產業。過去十年,LED芯片效率的提升將使芯片的面積不斷減小,進而驅動了LED封裝革命,如表2所示。

  未來芯片技術將會以提高效率降低成本為主,瑩光粉技術將以提高效率穩定性與演色指數為進步方向,LED芯片效率的提升將以階段性成長為主, 從10lm/w~80lm/w、80lm/w~100lm/w、100lm/w~150lm/w、150lm/w~200lm/w…… 當技術進步到300lm/w時對比現有的芯片效率提升了1.5~2倍,芯片的發熱量將大幅度減少( 指同體積同面積比較),這將導致目前各種封裝技術進行大比拼,所有的技術路線趨勢將會分化與多元,什么產品使用什么封裝工藝將會固定。LED將迎來主流中有多元,多元分化但離開主流卻不遠。

  3. 正在變化與未來即將改變的LED 封裝技術

  隨著芯片功率密度的不斷增大, 特別是半導體照明技術發展的需求, 對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、高的要求。

  由前文所敘述得知,高光效技術的發展路線可以預見現有的封裝工藝與封裝材料并不能適用于未來的封裝要求。由于芯片內量子效率的提升所以產生的熱量會減少,芯片有源層的有效電流密度會大幅度上升。芯片整體發熱量減少了,所以對于封裝形式的散熱面積要求也會減少, 目前采用的厚重散熱的封裝結構將會發生大的變化,所以LED芯片效率提高使芯片面積大幅度減小,從而改變封裝的方式,使單一器件的光輸出大大增加,現在,單顆高效率LED芯片面積大幅度減小(250mil2=60LM)。發熱變少與應用上對單一LED光源的高光通量需求使集成化封裝成為主流。集成化封裝LED器件的熱聚集效應使LED器件的整體導熱效率變得極為重要。能夠大幅度減低熱阻的封裝技術可能成為LED芯片封裝技術的主流,倒裝的回流焊技術只要解決芯片良率與成本問題,這將會革命性的減低封裝的成本,會使非金線焊接技術的倒裝封裝技術大規模應用。當然仿PC硬度的硅膠成型技術、非球面的二次光學透鏡技術等出光技術都將成為LED封裝技術的基礎。定向定量點膠工藝、圖形化涂膠工藝、二次靜電噴瑩光粉工藝、膜層壓法三基色熒光粉涂布工藝、芯片沉積加壓法等白光工藝都將應用在LED封裝工藝中,將會改善LED器件的出光效率與光色分布。

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