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EMC支架在3030/2835燈珠LED封裝中的應用

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EMC支架在3030/2835燈珠LED封裝中的應用

發布日期:2017-10-10 作者:普朗克光電 點擊:

1 引言

  3030燈珠/2835燈珠Top LED器件主要采用熱塑性(Thermoplastic plastics,TPP)支架,這是一種成熟的LED封裝支架。目前,TPP支架塑封材料主要使用的是PPA、PA6T等熱塑性樹脂,這類支架的氣密性問題一直無法得到改善,吸水性較強且PPA本身會變色,這些問題都會影響LED器件的可靠性[1]。近幾年,國外一些LED企業從微電子封裝領域引進一種新的封裝形式,即環氧模塑料(Epoxy molding compound)封裝,簡稱EMC封裝。EMC是一種熱固性塑料(Thermosetting plastic),在日本已是非常成熟的技術,中國臺灣地區也在幾年前開始研發,內地則起步較晚[2]。由于EMC封裝具有良好的性能優勢,被很多LED 企業看好,已經逐漸成為一個十分熱門的封裝技術。

  2 EMC材料簡介

  EMC是一種重要的微電子封裝材料,通過封裝工藝將半導體芯片包覆形成保護,以免受到外部環境的破壞;同時EMC也起到一定的散熱效果。EMC具備可規模化生產和合理的可靠性特點,是半導體封裝常見的封裝材料之一[3~4]。

  二十世紀中期,環氧、酸酐固化體系模塑料被應用在塑封晶體管中。隨著技術的不斷發展,各種具備如阻燃型、低水解氯、低應力、低膨脹、低翹曲等優良性能的EMC被研發出來,以提高半導體器件的性能和可靠性[3~4]。近幾年,EMC開始被引入到LED封裝領域,對提高LED封裝器件的性能和可靠性有很大的幫助。

  EMC的主要成分有填充劑、環氧樹脂、固化劑、偶聯劑、阻燃劑、脫模劑、改性添加劑等;其中填充劑含量最高,可以改善環氧樹脂的參數和性能,如降低膨脹系數、提高熱導率、增加彈性模量等;環氧樹脂作為基體樹脂將其他組分結合在一起,環氧樹脂決定了EMC固化物的機械、電氣、耐熱等性能 [3~5]。隨著半導體技術的飛速發展,人們不斷研究EMC材料特性和優化工藝參數,使得EMC的性能得到不斷提升。

  3 EMC支架的主要特性

  EMC具有高可靠性、高導熱性、高耐熱耐濕性和低應力、低膨脹系數等優良性能,十分適合于LED封裝器件。LED EMC支架是一種高度集成化的支架,被人們稱為第三代LED支架;相比于第一代PPA預塑封框架和第二代陶瓷基板,EMC支架可具有實現大規模生產、降低成本、設計靈活、尺寸更小等優勢[2]。

  由于LED是發光器件,封裝材料除了要保證器件的良好散熱和氣密性要求外,還要使器件具備良好的取光效果,亦即材料必須要有高反射率,德國 Hankel公司生產的一款型號為GR10000402B的EMC,對460 nm左右藍光的反射率高達94.8%。雖然傳統PPA的反射率也可以達到93%左右,但在經過1 000 h的高溫老化后,其反射率已降到50%以下,而Hankel公司的此款EMC支架經過1 000 h、150 ℃高溫老化后,仍有80%左右的反射率。

  表1是EMC支架和傳統PPA支架的性能參數對比,從表中數據可以看出,EMC材料相比于傳統PPA材料,在高溫老化后光反射率、熱膨脹系數、材料連接強度等方面均有較大改善和提升,更加適用于高品質、大功率LED器件封裝。

  表1 EMC支架和PPA支架的性能參數對比

  4 EMC支架的優勢

  從表1中的對比數據來看,EMC有明顯的封裝性能優勢,很適合用在LED封裝器件。EMC支架相比PPA支架具有較大優勢:

  (1)PPA支架的氣密性問題一直是LED器件的一個難題,而EMC有更低的熱膨脹系數、良好的粘結性能和耐腐蝕性能,其氣密性比PPA有很大的提升,進而提升LED器件的可靠性。

  (2)EMC還具有抗紫外線能力,可以降低LED支架的黃化速度,用EMC做的LED器件可以更好地適應戶外復雜環境。

  (3)EMC較低的熱膨脹系數可以讓器件承受更高的溫度而不影響器件可靠性。相同體積的LED器件,使用EMC的LED可以通過更高的電流。如傳統PPA材料的3014 Top LED器件,正向電流IF不超過40 mA;而EMC封裝的3014 正向電流可以達到150 mA,使得LED功率達到0。5 W。對于3030和3535EMC封裝的LED可以通過350 mA,功率達到1 W以上[2]。

  (4)LED技術發展至今,其光效(lm/W)的提升速度很快。隨著LED光效的提升,人們開始關注單位流明的成本,即lm/$。對比傳統 PPA材料,EMC使得LED器件可以在同樣甚至更小的體積下實現更高功率,獲得更高的光通量。雖然目前EMC的價格比PPA貴,但從單位流明的成本上,EMC的成本優勢十分明顯。另外,EMC由于其生產工藝的特點,加工精度比傳統封裝有很大的提升,集成化程度非常高,生產效率也可以大大提高,進一步提高了成本優勢。

  5 EMC支架工藝制程

  EMC主要是以熔融混合擠出法制作而成[5];而LED EMC支架則采用蝕刻技術,將EMC和蝕刻銅基板在模塑設備封裝加熱而成[2]。

  LED EMC支架工藝制程如圖1所示,包含蝕刻、電鍍、切片、注膠成型、成型烘烤、除溢料等工序;其中注膠成型是主要工序,由成型(molding)設備完成,圖2是EMC支架注膠成型的工藝過程示意圖和一些關鍵工藝參數。

  6 EMC應用在LED封裝中的一些問題

  EMC應用在LED封裝中的一些問題EMC被應用于LED支架,成為LED第三代支架,相比前兩代LED支架,具有明顯的性能優勢和突出的應用效果,但同時也還存在一些問題。(1)EMC是一種熱固性塑料,被引入到LED封裝后,根據LED產品的特點和性能要求對材料成分進行改良,但其填充料和環氧都跟微電子封裝的材料相近,因此EMC在微電子封裝中的一些常見缺陷在LED封裝中也會存在,比如存在氣孔、麻點、開裂、溢料和氣密性、固化后比較脆等不良問題[6~8]。

  (2)EMC的氣密性雖然比PPA有較大的改善,但因材料本身仍具有吸水性,無法完全避免氣密性問題[9]。雖不能完全解決氣密性問題,但后續可以進一步改善,比如研究和添加一些改性添加劑或者從工藝制程去控制,優化制程參數;其中要特別注意控制溫度變化導致界面材料的熱膨脹系數差異,這個差異會影響EMC與銅引線框架的相對位移[1],進而形成水汽滲入的通道。

  (3)由于LED封裝的EMC仍需從國外進口,當前EMC的價格比PPA貴。隨著EMC材料水平和工藝技術的不斷發展以及EMC在LED封裝中的使用規模不斷加大,EMC封裝LED器件的成本優勢將逐步凸顯出來。

  (4)LED封裝如要引入EMC,需要較大的資金和研發投入[2],主要是因為EMC支架的結構與傳統PPA支架有一定差異,見圖3所示的 3014 EMC支架和圖4所示的3014 PPA支架。兩種支架在結構上的差異導致在封裝工序上的不同。如在切筋工序中,PPA支架采用配套的工裝,通過沖床沖壓而成;而EMC支架封裝的LED則要采用劃片機切割。如果要引入EMC,則需要對部分原有設備進行工裝夾具調整或改進,甚至有些設備需要更換,這勢必會增加更多的投入,這是目前很多國內支架廠商和LED封裝廠商仍在猶豫是否要引入EMC的主要原因。

  7 結束語

  當前,LED行業由于產能過剩問題,競爭十分激烈,而在市場拼殺中,價格是首當其沖。LED燈具價格仍然高于傳統燈具,需要進一步降價才能完全打開規模最大的通用照明市場。為此,所有LED企業都在積極研究新材料、新技術和新工藝等,以提高LED產品性能,降低成本,最終提升產品整體競爭力。

  由于EMC的特性優良和工藝簡單等特點,使得EMC支架十分適用于功率在0.5~2 W之間的LED器件,其成本優勢十分明顯,LED器件的性能和可靠性方面也有較大提升。因此, EMC支架封裝的LED將逐漸成為中大功率LED器件的主流選擇。隨著EMC的引入,LED產品的價格將會有更大的降價空間,這也勢必加快LED照明燈具進入通用照明市場的步伐。


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