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SMD 封装:最佳中功率 LED

更新时间:2022-01-17    浏览次数:822

中等功率 LED 是一种LED 封装,其工作功耗低于 1 瓦但高于 0.1 瓦。为了在成本和功效之间取得公平的平衡,中等功率 LED 正在引领从低效、短寿命的照明系统向[敏感词]固态照明系统的过渡。绝大多数室内照明产品都采用这些分立封装进行组装,以提供均匀的照明以及设计创新。


    中功率 LED 具有宽光束角和紧凑的占位面积,在所有非定向解决方案中表现非常出色,从改装 A 型灯泡、管状灯和嵌入式暗灯槽到嵌入式吸顶灯,为建筑照明系统设计的侧光面板灯、线性灯具和灯模块。即使在户外和工业照明领域,一些制造商也正在转向将具有成本效益的中等功率 LED 阵列用于光束控制不具挑战性的应用。

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    荧光粉转换 (PC) LED 的架构     

    中等功率 LED通常是表面贴装 PLCC 型封装。PLCC 是塑料引线芯片载体的简称。这种表面贴装器件 (SMD) 由一个或多个半导体芯片(或管芯)组成,这些芯片要么胶合要么焊接到引线框架上。引线框架可由铜合金或镍铁合金制成,旨在为 LED 管芯提供电连接、散热和光反射。它镀有银、金或其他金属,以提供高光反射率并增强导电性。LED管芯的正极和负极分别通过引线键合连接到阳极和阴极引线。现代中等功率 LED 也称为四方扁平无引线 (QFN) 封装,因为大多数中等功率 LED 在封装底部设计有阳极和阴极焊盘,而不是沿周边形成的传统引线。在封装过程的最后阶段,将引线框架模制在塑料外壳中,其中形成空腔。空腔填充有环氧树脂或硅基聚合物,用作荧光粉封装的基质。SMD LED 有多种外形尺寸可供选择。[敏感词]的是 2835 (3.5 x 2.8 mm) 和 3030 (3.0 x 3.0 mm),3014 (3.0 x 1.4 mm) 和 5630 (5.6 x 3.0 mm) 和其他尺寸用于各种利基应用。引线框模制在塑料外壳中,其中形成空腔。空腔填充有环氧树脂或硅基聚合物,用作荧光粉封装的基质。SMD LED 有多种外形尺寸可供选择。[敏感词]的是 2835 (3.5 x 2.8 mm) 和 3030 (3.0 x 3.0 mm),3014 (3.0 x 1.4 mm) 和 5630 (5.6 x 3.0 mm) 和其他尺寸用于各种利基应用。引线框模制在塑料外壳中,其中形成空腔。空腔填充有环氧树脂或硅基聚合物,用作荧光粉封装的基质。SMD LED 有多种外形尺寸可供选择。[敏感词]的是 2835 (3.5 x 2.8 mm) 和 3030 (3.0 x 3.0 mm),3014 (3.0 x 1.4 mm) 和 5630 (5.6 x 3.0 mm) 和其他尺寸用于各种利基应用。

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模具制造

    在荧光粉转换 (PC) LED 中,LED 管芯的外延层通常由镓基晶体制成,例如氮化铟镓 (InGaN)。InGaN 比其他半导体材料更受青睐,因为它的直接带隙允许高效的光电应用。今天,效率[敏感词]的白光 LED 由 InGaN 制成。InGaN LED 可提供大于 70% 的内部量子效率、大于 60% 的外部量子效率和大于 200 lm∕W 的发光效率。

    InGaN 外延生长可以在蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓上进行。今天的 LED 几乎完全是在蓝宝石衬底上制造的,因为蓝宝石是支持相对高质量 GaN 外延生长的[敏感词]成本效益的材料。然而,GaN 在蓝宝石上的异质外延生长会产生大于 13% 的晶格失配,这会导致外延层中的高位错密度。高位错密度意味着更多的暗点和更少的发光效率。另一方面,碳化硅 (SiC) 与 GaN 的晶格匹配比蓝宝石高 4.5 倍,因此能够实现更多的光提取。与 SiC 相关的缺点是 SiC 的物理特性带来了重大的加工挑战。

    一种更复杂的方法是在 GaN 上生长 GaN。GaN-on-GaN 技术从根本上解决了晶格失配和 CTE 失配等外延限制。因此,可以实现高辐射效率,并且可以外延生长非常厚的 GaN 层以制造高击穿电压器件。

LED封装

    LED 封装旨在为 LED 管芯提供机械支撑、电气连接、热管理、光谱转换和光学控制。因此,封装代表了提高性能和可靠性的[敏感词]机会。话虽如此,大多数 LED 故障以某种方式与 LED 封装有关也就不足为奇了。根据应用和设计要求,包装材料的选择至关重要。

引线框架电镀

    在选择引线框架的电镀材料时,光反射和化学稳定性是最重要的特性。银在大部分可见光谱中具有高反射率,因此在优先考虑光输出时是[敏感词]。然而,银与含硫化合物具有高反应性。暴露于腐蚀性气体如硫化氢可能会导致形成不导电的硫化银。在这种情况下,可能会出现间歇性或开放式引线键合针脚和引线框架的反射率下降。相比之下,镀金为引线框架提供了更高的化学稳定性,尤其是对硫的稳定性。然而,镀金引线框架的光反射率低于镀银引线框架。

引线键合

    LED 管芯和引线框架之间的电气连接是通过称为引线键合的固相焊接工艺实现的。在引线键合工艺的两个主要变体中,球键合比楔形键合具有更高的生产率和更先进的能力。键合线可以由金、铜、银或铝制成。凭借其高抗表面腐蚀和通过热超声键合工艺实现的高生产率,金键合线主要用作半导体封装中的互连材料。然而,黄金价格的缓慢上涨导致了从使用金线的球形键合到使用铜和其他较便宜的键合金属的重大转变。铜因其低成本而迅速在 LED 封装中作为互连材料站稳脚跟,比金线更好的导电性和导热性以及更高的机械稳定性。尽管铜在高温下提供了更高的可靠性,但它在相对较低的温度下会发生氧化。这使得铜本质上更难粘合。纯铜线涂有钯以减轻氧化引起的腐蚀,但这会增加总体生产成本。银键合线因其良好的导电性和导热性而成为另一种选择。银的熔点比铜低,耐腐蚀性好。使用银键合线的挑战在于它们需要被合金化以消除银迁移现象。合金化会增加电阻并在室温下导致球形成困难。

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封装

    预计用于荧光粉封装的基质具有高透明度、折射率、化学稳定性、热稳定性、气密性和抗紫外线辐射特性。环氧树脂的特点是气体和湿气渗透率低,热膨胀系数与LED匹配良好,与荧光粉的混溶性好,机械应力保护性好。然而,环氧树脂的光稳定性有限,易受热氧化和降解。在高温下,不希望的变色发生得更快。这个缺点导致最终用有机硅或有机硅-环氧树脂混合物代替环氧树脂封装。有机硅具有更高的热稳定性、优异的防潮/抗紫外线性、高光学透明度和优异的生物相容性。不利的一面是,硅胶的撕裂强度相对较低,附着力差,透湿透气性高,玻璃化转变温度低,热膨胀系数(CTE)大。因此,已经开发出一种混合基质,它结合了环氧树脂和硅树脂的某些有利特性,以提供更耐用和光学稳定的封装。

塑料外壳

    用于模制引线框架的塑料外壳可以由聚邻苯二甲酰胺 (PPA)、聚对苯二甲酸环己二甲酯 (PCT)、环氧模塑料 (EMC) 或硅基复合材料制成。光反射、热稳定性和光稳定性是引线框架外壳材料评估过程中的关键考虑因素。PPA 显示出高反射率 (>95%),但光稳定性和热稳定性较差。在更高功率的应用中,PPA 外壳会以较快的速度变黄,并导致 LED 发出的光出现明显的颜色偏移。与 PPA 相比,PCT 的反射率稍低(93%),成型性较差,但具有更高的气密性和更好的抗光氧化和热降解性。因此,PPA外壳一般用于功耗低于0的SMD封装。4W,而 PCT 外壳可以承受更高的额定功率 (>0.7W)。
    EMC 塑料比传统的 PPA 和 PCT 材料具有更好的热性能和光稳定性,与基于 PPA 和 PCT 的 LED 封装相比,在更高的温度和驱动电流下表现出更高的流明维持率和颜色稳定性。EMC 的初始白度(反射率)为 94.8%。由于有机硅卓越的光学和热性能,有机硅基复合材料是 EMC 塑料的重要竞争对手。除了高温稳定性和抗紫外线性外,有机硅还具有令人印象深刻的 97% 初始白度和对引线框架的良好附着力。EMC 和硅胶外壳都必须使用热成型工艺制造,这意味着比 PPA 和 PCT 塑料的成本更高。EMC 塑料比传统的 PPA 和 PCT 材料具有更好的热性能和光稳定性,与基于 PPA 和 PCT 的 LED 封装相比,在更高的温度和驱动电流下表现出更高的流明维持率和颜色稳定性。EMC 的初始白度(反射率)为 94.8%。由于有机硅卓越的光学和热性能,有机硅基复合材料是 EMC 塑料的重要竞争对手。除了高温稳定性和抗紫外线性外,有机硅还具有令人印象深刻的 97% 初始白度和对引线框架的良好附着力。

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    EMC 和硅胶外壳都必须使用热成型工艺制造,这意味着比 PPA 和 PCT 塑料的成本更高。EMC 塑料比传统的 PPA 和 PCT 材料具有更好的热性能和光稳定性,与基于 PPA 和 PCT 的 LED 封装相比,在更高的温度和驱动电流下表现出更高的流明维持率和颜色稳定性。EMC 的初始白度(反射率)为 94.8%。由于有机硅卓越的光学和热性能,有机硅基复合材料是 EMC 塑料的重要竞争对手。除了高温稳定性和抗紫外线性外,有机硅还具有令人印象深刻的 97% 初始白度和对引线框架的良好附着力。EMC 和硅胶外壳都必须使用热成型工艺制造,这意味着比 PPA 和 PCT 塑料的成本更高。与基于 PPA 和 PCT 的 LED 封装相比,在更高的温度和驱动电流下表现出更高的流明维持率和色彩稳定性。EMC 的初始白度(反射率)为 94.8%。由于有机硅卓越的光学和热性能,有机硅基复合材料是 EMC 塑料的重要竞争对手。
    除了高温稳定性和抗紫外线性外,有机硅还具有令人印象深刻的 97% 初始白度和对引线框架的良好附着力。EMC 和硅胶外壳都必须使用热成型工艺制造,这意味着比 PPA 和 PCT 塑料的成本更高。与基于 PPA 和 PCT 的 LED 封装相比,在更高的温度和驱动电流下表现出更高的流明维持率和色彩稳定性。EMC 的初始白度(反射率)为 94.8%。由于有机硅卓越的光学和热性能,有机硅基复合材料是 EMC 塑料的重要竞争对手。除了高温稳定性和抗紫外线性外,有机硅还具有令人印象深刻的 97% 初始白度和对引线框架的良好附着力。
    EMC 和硅胶外壳都必须使用热成型工艺制造,这意味着比 PPA 和 PCT 塑料的成本更高。s 优越的光学和热性能。除了高温稳定性和抗紫外线性外,有机硅还具有令人印象深刻的 97% 初始白度和对引线框架的良好附着力。EMC 和硅胶外壳都必须使用热成型工艺制造,这意味着比 PPA 和 PCT 塑料的成本更高。s 优越的光学和热性能。除了高温稳定性和抗紫外线性外,有机硅还具有令人印象深刻的 97% 初始白度和对引线框架的良好附着力。EMC 和硅胶外壳都必须使用热成型工艺制造,这意味着比 PPA 和 PCT 塑料的成本更高。

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LED效率

    对于 PC-LED,电能向光能的转移涉及电致发光和光致发光,这意味着该过程总是伴随着电子和光子的损失。如果不计算驱动电子器件的电效率,LED 封装从电功率 (W) 到光功率(以瓦特为单位的辐射通量)的能量转换效率本质上是外量子效率 (EQE) 和封装的乘积效率。外量子效率分为内量子效率(IQE)和光子提取效率(EXE)。封装效率分解为荧光粉的量子效率、下变频的量子效率和封装级的光提取效率。

    由于热容限有限,中等功率塑料 LED 封装无法在高驱动电流下工作。然而,当 InGaN LED 在相对较低的电流密度下工作时,它们具有[敏感词]的外部量子效率。此外,在 PLCC 架构中,反射腔(塑料外壳)允许高效的光提取。因此,与大功率 LED 相比,中功率 LED 具有内在更高的发光效率,范围在 170-200 lm/W (4000K 80 CRI) 之间。即便如此,这些高效 LED 封装仍然存在巨大的能量损失。超过 50% 的电能以热量的形式耗散。

    虽然芯片级[敏感词]的能量损失需要不断改进,但更实际的提高效率的机会是在封装级。由于蓝色光子在荧光粉层处向下转换为绿色和红色光子,因此在宽红色和绿色荧光粉发射带上的大量光溢出会导致大量斯托克斯损耗。在撰写本文时,典型的半峰全宽 (FWHM) 红色 LED 波段为 75 纳米,而 FWHM 绿色荧光粉波段为 100 纳米。由于光功率在绿色和红色光谱峰中以[敏感词]方式分布在较窄的波段中,因此可以降低斯托克斯损耗,该损耗约为荧光粉吸收的蓝光的 15-25%。

    除了不可避免的斯托克斯损耗外,磷光体量子效率低下和混合/散射/吸收损耗仍然是光功率损耗的很大一部分。利用窄带荧光粉,优化荧光粉的量子效率,并[敏感词]限度地减少 LED 和密封剂之间的折射率失配,为提高 PC-LED 的整体效率提供了空间。

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色彩再现

    当今世界,LED照明产品的色彩表现往往让位于发光效率,过度强调能源效率,而忽略了其他同样重要的照明规格。光源忠实再现物体颜色的能力在室内照明中至关重要。色彩再现使用显色指数 (CRI) 表示,这是一种有缺陷但在国际上公认的用于评估光源显色性能的指标。人工照明曾经提供卓越的显色性能。白炽灯泡的 CRI 为 95,它提供的光成分类似于太阳光 (100 CRI)。具有 70-80 CRI 的荧光灯的引入使高 CRI 照明成为过去。

    照明行业似乎没有强烈的意愿将电灯的色彩质量恢复到以前的水平。这是因为目前在色彩再现和发光效率之间存在权衡。具有高 CRI 的白光通常需要在红色波长范围内发射更多的光,这意味着必须将相当大比例的短波长光下转换为较长波长的红光。由于人眼对较短的波长更敏感,因此蓝色波长百分比的降低会转化为以流明为单位测量的不易察觉的光。同时,大量的荧光粉从较短波长的光子转换为较长波长的光子与巨大的斯托克斯能量损失有关。这两个因素解释了为什么大多数人的 CRILED 产品仍处于住宅照明可接受的低端。同样的解释也适用于色温的滥用。在中国和印度等许多市场,住宅照明仍在引入富含蓝光、光生物学风险、昼夜干扰的 6000-6500 K 白光。冷白光具有高百分比的蓝色,因此产生更多的光通量。另一方面,暖白光的光成分中蓝色较少,但红色较多。

    中等功率 LED 是住宅和办公室环境中环境和任务照明的[敏感词]光源。视觉要求高的任务,包括阅读任务和细节工作以及其他颜色关键的视觉任务,需要光谱增强照明。还需要高质量的光来促进人与人之间的面对面互动,并使颜色在室内环境中显得自然逼真。除了使用不同荧光粉层的下变频器外,还可以使用紫光泵浦 LED 光源来提高显色指数。最近的趋势是使用量子点 (QD) 作为下转换器来改善色彩再现性,同时[敏感词]限度地减少效率损失。

颜色稳定性

    颜色稳定性(也称为色度保持、色度偏移或颜色偏移)是 LED 封装行业面临的重大挑战。LED 随时间保持其光谱功率分布 (SPD) 的能力取决于封装材料、生产工艺和结构。LED 中的色度变化可以通过 PLCC 中模塑料的氧化、磷光体量子效率的损失、磷光体分层、不良的热设计、高环境温度、高光通量密度或化学变化和在荧光粉和粘合剂材料。塑料树脂的变色可能由热降解、光氧化或湿聚合物反应引起,是中等功率 LED 封装中的主要色度偏移机制。

    对于许多中等功率 LED,初始色度偏移通常从蓝色方向开始。蓝移通常是由高于饱和通量水平的操作、塑料外壳的氧化以及蓝色光子通过荧光粉粘合剂层中断裂的粘合剂泄漏引起的。黄移可能是由于荧光粉量子效率的增加、荧光粉粘合剂层的破裂或分层以及外壳材料的表面变黄造成的。当绿色荧光粉的排放量下降时,就会发生向红色方向的转变。减少红色发射或磷光体氧化可导致绿移。

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流明维持率

    与大功率 LED 相比,中功率 LED 更容易加速流明衰减。LED 的流明衰减模式通常与一些色度偏移机制一致。与大功率 LED 相比,中等功率封装的塑料结构本质上对化学污染、光氧化和热应力的抵抗力较差。由于中等功率 LED 的高功效主要归功于高反射塑料腔体,因此这种反射外壳的退化和变色会显着破坏 LED 封装的光学效率。在与光、湿气、酸、碱和/或涂层材料不相容性相互作用时,可加速塑料材料的降解。

    然而,不同类型的塑料树脂会产生不同的流明维持性能。基于 PPA 和 PCT 的 LED 封装在较高温度和驱动电流下表现出较差的流明维持率。这些便宜的封装在入门级照明市场中占有相当大的份额。与低成本 PPA 和 PCT 封装相比,EMC 和硅基 LED 封装在高结温下的性能非常稳定。尽管热稳定性有所提高,但当 LED 被用力驱动时,塑料外壳(而不是陶瓷基板)通常无法消散非常高的热通量密度。在高温下连续运行最终会导致 LED 的光输出[敏感词]减少。除了芯片级热应力外,蓝色光子的下转换还会在荧光粉基质中产生大量斯托克斯热。

装箱

    分档(分档选择)是 LED 规格的重要组成部分。在半导体制造过程中,工艺窗口(例如晶圆制造过程中的温度控制)非常小,公差(例如材料结构、成分、厚度)非常严格。实现这种高度控制的困难导致在单个生产批次内或跨不同生产批次的 LED 封装的电气和光学特性的变化。Binning 是一种基于色度(色温)、流明输出和正向电压对 LED 封装进行分类的方法。根据 LED 特性分离 LED 的过程可确保灯具与灯具之间、灯与灯之间的均匀性以及人类感知不明显的颜色差异。

    色度分级是照明项目的重要设计考虑因素,其中高度的颜色一致性是最重要的问题。目前,有两种主要方法用于描述箱内 LED 的颜色一致性。标准偏差颜色匹配 (SDCM) 方法基于 MacAdam 椭圆的级别。MacAdam 椭圆是一个椭圆区域,在该区域内所有颜色都无法被普通人眼区分。美国[敏感词]标准协会 (ANSI) 将颜色箱定义为平行四边形,并使用值 Δu'v' 来传达差异的大小。平行四边形的大小和方向大致围绕一个 7 步麦克亚当椭圆。平行四边形以黑体线为中心。

    照明市场对中等功率 LED 的颜色一致性要求各不相同。大多数住宅照明产品,如 LED 灯泡和 LED 灯管,都有 7 级或 8 级麦克亚当椭圆容差(7SDCM 或 8SDCM),这显然处于色彩控制的低端。商业、酒店和高端住宅照明通常需要在整个安装中提供更一致的灯具光输出。这些灯具中的 LED 通常被分档为 3 步、4 步或 5 步 MacAdam 椭圆。

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