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驚艷無比的LED封裝形態

發布時間:

2023-09-14 09:32


LED封裝技術的要素有三點:封裝結構設計、選用合適封裝材料和工藝水平。

  目前LED封裝結構形式有100多種,主要的封裝類型有Lamp系列40多種、SMD(chip LED和TOP LED)系列30多種、COB系列30多種、PLCC、大功率封裝、光集成封裝和模塊化封裝等,封裝技術的發展要緊跟和滿足LED應用產品發展的需要。

  LED封裝技術的基本內容

  LED封裝技術的基本要求是:提高出光效率、高光色性能及器件可靠性。

  (1)提高出光效率

  LED封裝的出光效率一般可達80~90%。

  ①選用透明度更好的封裝材料:透明度≥95%(1mm厚度),折射率大于1.5等。

 ?、谶x用高激發效率、高顯性的熒光粉,顆粒大小適當。

 ?、垩b片基板(反射杯)要有高反射率,出光率高的光學設計外形。

 ?、苓x用合適的封裝工藝,特別是涂覆工藝。

  (2)高光色性能

  LED主要的光色技術參數有:高度、眩光、色溫、顯色性、色容差、光閃爍等。

  顯色指數CRI≥70(室外)、≥80(室外)、≥90(美術館等)。

  色容差≤3 SDCM≤5 SDCM(全壽命期間)

  封裝上要采用多基色組合來實現,重點改善LED輻射的光譜量分布SPD,向太陽光的光譜量分布靠近。要重視量子點熒光粉的開發和應用,來實現更好的光色質量。

  (3)LED器件可靠性

  LED可靠性包含在不同條件下LED器件性能變化及各種失效模式機理(LED封裝材料退化、綜合應力的影響等),這是主要提到可靠性的表征值—壽命,目前LED器件壽命一般為3~5小時,可達5~10萬小時。

 ?、龠x用合適的封裝材料:結合力要大、應力小、匹配好、氣密性好、耐溫、耐濕(低吸水性)、抗紫外光等。

 ?、诜庋b散熱材料:高導熱率和高導電率的基板,高導熱率、高導電率和高強度的固晶材料,應力要小。

 ?、酆线m的封裝工藝:裝片、壓焊、封裝等結合力強,應力要小,結合要匹配。

  LED光集成封裝技術

  LED光集成封裝結構現有30多種類型,正逐步走向系統集成封裝,是未來封裝技術的發展方向。

  (1)COB集成封裝

  COB集成封裝現有MCOB、COMB、MOFB、MLCOB等30多種封裝結構形式,COB封裝技術日趨成熟,其優點是成本低。COB封裝現占LED光源約40%左右市場,光效達160~178 lm/w,熱阻可達2℃/w,COB封裝是近期LED封裝發展的趨勢。

  (2)LED晶園級封裝

  晶園級封裝從外延做成LED器件只要一次劃片,是LED照明光源需求的多系統集成封裝形式,一般襯底采用硅材料,無需固晶和壓焊,并點膠成型,形成系統集成封裝,其優點是可靠性好、成本低,是封裝技術發展方向之一。

  (3)COF集成封裝

  COF集成封裝是在柔性基板上大面積組裝中功率LED芯片,它具有高導熱、薄層柔性、成本低、出光均勻、高光效、可彎曲的面光源等優點,可提供線光源、面光源和三維光源的各種LED產品,也可滿足LED現代照明、個性化照明要求,也可作為通用型的封裝組件,市場前景看好。

  (4)LED模塊化集成封裝

  模塊化集成封裝一般指將LED芯片、驅動電源、控制部分(含IP地址)、零件等進行系統集成封裝,統稱為LED模塊,具有節約材料、降低成本、可進行標準化生產、維護方便等很多優點,是LED封裝技術發展的方向。

  (5)覆晶封裝技術

  覆晶封裝技術是由芯片、襯底、凸塊形成了一個空間,這樣封裝出來的芯片具有體積小、性能高、連線短等優點,采用陶瓷基板、覆晶芯片、共晶工藝、直接壓合等來達到高功率照明性能要求。

  用金錫合金將芯片壓合在基板上,替代以往的銀膠工藝,“直接壓合”替代過去“回流焊”,具有優良的導電效果和導熱面積。該封裝技術是大功率LED封裝的重要發展趨勢。

  (6)免封裝芯片技術

  免封裝技術是一個技術的整合,采用倒裝芯片,不用固晶膠、金線和支架是半導體封裝技術70種工藝形成中的一種。

  PFC免封裝芯片產品的光效可提升至200lm/w,發光角度大于300度的超廣角全周光設計,不要使用二次光學透鏡,將減少光效的耗損與降低成本,但要投入昂貴的設備。

  PFC新產品主打LED照明市場,特別是應用在蠟燭燈上,不僅可以模擬鎢絲燈的造型,同時可以突破散熱體積的限制。

  (7)LED其他封裝結構形式

 ?、貳MC封裝結構:是嵌入式集成封裝形式(Embedded LED Chip)不會直接看到LED光源。

 ?、贓MC封裝技術:(Epoxy Molding Compound)以環氧塑封料為支架的封裝技術,具有高耐熱、高集成度、抗UV、體積小等優點,但氣密性差些,現已批量生產。

 ?、跜OG封裝:(Chip On Glass)將LED芯片放在玻璃基板上進行封裝。

 ?、躋FN封裝技術:小間距顯示屏象素單元小于或等于P.1時,所采用的封裝形式,將替代PLCC結構,市場前景看好。

 ?、?D封裝技術:以三維立體形式進行封裝的技術,正在研發中。

 ?、薰β士蚣芊庋b技術:(Chip-in-Frame Package)在小框架上封裝功率LED芯片,產業化光效已達160~170 lm/w,可達200 lm/w以上。

  LED封裝材料

  LED封裝材料品種很多,而且正在不斷發展,這里只簡要介紹。

  (1)封裝材料

  環氧樹脂、環氧塑封料、硅膠、有機硅塑料等,技術上對折射率、內應力、結合力、氣密性、耐高溫、抗紫外線等有要求。

  (2)固晶材料

 ?、俟叹z:樹脂類和硅膠類,內部填充金屬及陶瓷材料。

 ?、诠簿ь悾篈uSn、SnAg/SnAgCu。

  (3)基板材料:銅、鋁等金屬合金材料

  ①陶瓷材料:Al2O3、AlN、SiC等。

 ?、阡X系陶瓷材料:稱為第三代封裝材料AlSiC、AlSi等。

 ?、跾CB基板材料:多層壓?;?,散熱好(導熱率380w/m.k)、成本低。

  ④TES多晶質半導體陶瓷基板,傳熱速度快。

  (4)散熱材料:銅、鋁等金屬合金材料

  石墨烯復合材料,導熱率200~1500w/m.k。

  PCT高溫特種工程塑料(聚對苯二甲酸1,4-環已烷二甲脂),加陶瓷纖,耐高溫、低吸水性。

  導熱工程塑料:非絕緣型導熱工程塑料,導熱率14w/m.k。

  絕緣型導熱工程塑料,導熱率8w/m.k。

LED,LED封裝

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2023.11.15

LED光源的種類很多,不同的LED燈,內部結構所用的燈珠也會有細微差別。今天,小編為大家全面、系統地科普一下LED燈珠的常見類型,供大家參考使用。 1引腳插入型(DIP) 這種LED燈珠是結構最簡單的發光二極管,因為燈珠下面有兩根形似“腳”的細絲,可以直接穿接在電路板上,所以稱之為引腳插入式的燈珠。 ? ? 使用特點: 它的安全性好、性能穩定,在低電壓的情況下就可以發光,并且低損耗、效能高、壽命長,還可以進行多色彩調光。 ? 常見形狀: 這種燈珠可以有各種不同的形狀,像圓形、橢圓形、方形、甚至是異形等。雖然粗略地看上去,形狀、大小都沒有太大的區別,但是不同形狀燈珠的橫截面是不一樣的。 ? ? 發光類型: 如果你仔細地去觀察不同燈珠,會發現有些燈珠“引腳”的數量是不同的,這些“引腳”可以使發光二極管產生不同顏色的光。 ? ? 應用領域: 在照明領域里,幾乎不使用引腳插入式燈珠;一般多用做車燈、指示燈、顯示屏等。 ? 2小功率表面貼裝型(SMD) 這種燈珠光源是將發光二極管焊接在電路板表面,而不是穿過電路板。它的體積小,有的甚至比引腳插入式的燈珠還小上許多。 ? 常見型號: 這類燈珠的型號有很多,最常用的有2835(PCT)、4014、3528、3014等,每個型號數字的前兩位表示寬“x.x毫米”,后兩位則表示長“x.x毫米”。比如2835代表寬2.8毫米、長3.5毫米。 表面涂有黃色熒光粉的燈珠,發出白光 ? 應用領域: 這類小功率表貼燈珠的使用范圍非常廣泛,由于它體積很小,隨便貼哪兒都可以使用,所以各種LED燈內都可以貼上它,并且數量可以根據需求調整更改。 ? ? 3大功率表面貼裝型 第三種燈珠也是表貼型,它與小功率表貼在本質上很類似,只不過大功率、體積都大一點;在細微結構上,多了一個透鏡,可以將光線更好地匯聚在一起。 ? ? 常見類型: 大功率表貼燈珠的類型也有很多種: ? ? 這里告訴大家一個小竅門:如果燈珠表面顏色偏黃,一般是低色溫;如果表面顏色偏綠,一般是高色溫;如果沒有熒光粉、燈珠呈無色透明,一般是彩光的。 ? 應用領域: 這種燈珠一般會套上透鏡后使用(方便光線匯聚或分散),常做成射燈、投光燈。 ? ? 4集成封裝型(COB) 最后一類是集成封裝型燈珠,它是將很多燈珠芯片封裝在同一塊板上,大小與5毛錢硬幣的直徑一致。 ? ? 常見形狀: 一般有圓形、長條形和方形,長條形集成板常用做臺燈。 ? ? 應用領域: 集成封裝型LED燈逐漸應用地越來越多,在室內照明和戶外照明均有使用。 ?

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2023.11.15

LED 即為發光二極管,是一種將電能轉化為光能的半導體固體發光器件,其核心是 PN 結,它除了具有一般 PN 結的正向導通、反向截止和擊穿特性外,在一定條件下,它還具有發光特性 。其結構主要包含以下幾個部分:引線、支架、封裝膠、鍵合絲、LED 芯片、固晶膠和熒光粉。LED 燈珠變色失效與其材料、結構、封裝工藝和使用條件密切相關,以下將通過具體的案例來對其變色原因進行分析。 ????封裝膠原因 ?1??封裝膠中殘留外來異物? 失效燈珠的外觀呈現局部變色發黑,如圖 2 所 示。揭開封裝膠,發現有一個黑色異物夾雜在封裝膠內,用掃描電鏡及能譜儀 (SEM&EDS) 對異物進行成分分析,確認其主成分為鋁(Al)、碳(C)、氧 (O)元素, 還含有少量的雜質元素,測試結果如圖 3 所示。結合用戶反饋的失效背景可知,該異物是在封裝過程中引入的。 ?2??封裝膠受化學物質侵蝕發生膠體變色? 失效品為玻璃光管燈,內部的 LED 燈帶使用單組份室溫固化硅橡膠粘結固定在玻璃管上,固膠部位燈帶上的 LED 燈珠出現發黃變暗現象。失效燈珠封裝膠的材質為硅橡膠,使用 SEM&EDS 測試封裝膠的元素成分,發現其比正常燈珠封裝膠成分多檢出了硫(S)元素。 通常硫磺、有機二硫化物和多硫化物等含硫物質可以作為硫化劑,使橡膠發生硫化交聯反應,從而使橡膠的結構改變,呈現出顏色發黃變暗、熱分解溫度升高的現象。通過 TGA 測試燈珠封裝膠體的熱分解溫度可知,失效燈珠封裝膠在失重 2%、5%、10%、15%和 20%時的溫度均比同批次良品封裝膠相同失重量的溫度高出 25 ℃以上,封裝膠熱分解曲線如圖 5 所示,證實了封裝膠因發生硫化交聯導致其熱分解溫度升高的現象。使用 ICPOES 進一步對起固定作用的單組份固化硅橡膠進行化學成分分析,檢出其中含有約 400ppm 的硫(S)元素。 由此可知,LED 燈珠發黃變暗的原因為玻璃燈管內粘結固定用的單組份室溫固化硅橡膠在固化過程中揮發出的含硫(S)的氣體侵入到了 LED 封裝膠中,使封裝膠發生了進一步的硫化交聯反應, 而再次硫化交聯導致封裝膠體變黃變暗。后續用戶改用未使用單組份固化硅橡膠的塑料燈管則未出現燈珠變色的現象。因此,LED 生產方在產品設計選材和制造時應考慮產品各部件所用不同材料相互間的匹配性,避免因材料的不兼容而導致后續出現可靠性問題。 ????熒光粉沉降 燈珠裝配成 LED 燈具后在倉庫儲存時,發生了色溫漂移失效,失效 LED 燈珠的封裝膠由橙色變為淺黃色,對其進行 I-V 特性測試,發現燈珠可以正常點亮,且 I-V 曲線正常,只是出光亮度發生改變。取一些失效燈珠,以機械開封方式取出封裝膠,發現支架表面均殘留有透明顆粒物,使用 SEM&EDS 測試顆粒物成分,結果顯示其含有高含量的鍶(Sr)元素,如圖 6 所示;而封裝膠與支架接觸面也檢出了高含量的鍶(Sr)元素和鋇(Ba)元素。 與之相比,良品燈珠開封后,支架表面較干凈,表面主成分為銀(Ag)和少量的碳(C)元素,未檢出鍶(Sr)元素, 且在其封裝膠與支架的接觸面上也未檢出鍶(Sr)和鋇(Ba)元素。通過測試失效品和良品燈珠封裝膠的截面成分得知,二者所用的熒光粉的成分相 同,均為釔鋁石榴石(主要成分為氧 (O) 、鋁(Al)和釔(Y))與硅酸鍶鋇(主要成分為碳(C)、氧(O)、 硅(Si)、鍶(Sr)、鋇(Ba)和鈣(Ca))混合熒光粉。 因此,LED 燈珠的失效原因為所使用的硅酸鹽熒光粉沉降到了封裝膠底部及支架表層,致使因光折射規律不一致而發生色散現象,導致色溫漂移,同時發生燈珠變色現象。 ????支架原因 ?1??異物污染支架? 失效燈珠一側變色,揭開封裝膠后可以看到變色部位的支架的表面覆蓋了一層異物,對異物進行元素成分測試,顯示其主成分為錫 (Sn) 、鉛(Pb)元素,測得的結果如圖 8 所示。揭開燈珠變色部位外圍的白色塑膠,在與白色塑膠接觸的支架 表面也檢出了錫 (Sn)、 鉛 (Pb) 成分。由于異物覆蓋部位的支架與燈珠一側的引腳相連,而引腳采用錫鉛焊接。 顯而易見,如果燈珠在進行表面貼裝時,引腳沾附了多余的錫膏,則在焊接時,熔化的焊料會沿著引腳爬升至與之相連的支架表面,形成覆蓋層。因此,此案例中 LED 燈珠失效的原因是LED燈珠在進行組裝焊接時,引腳焊接部位的焊料進入了支架表面,形成了覆蓋物,從而導致了燈珠變色。 ?2??支架腐蝕? 失效 LED 燈珠的中間部位變色發黑,開封后將其放在光學顯微鏡下觀察,發現整個支架的表面明顯地變黑,使用 SEM&EDS 測試發黑支架的成 分,結果顯示,除了正常的材質成分外,發黑支架中還具有較高含量的腐蝕性硫 (S)元素,而支架表面鍍銀層局部也呈現出疏松的腐蝕形貌,如圖 9 所示。通常 LED 燈珠在生產過程中,由于材料自身不純或工藝過程污染等原因引入硫(S)、氯 (Cl)等腐蝕性元素時,在一定條件下(如高溫、水汽殘留等),其金屬支架極易發生腐蝕,導致燈珠出現變色、漏電等失效現象。 ?3??支架鍍層質量差? LED 燈珠點亮老化后出現變色發黑現象,且失效率高達30%。去掉燈珠表面的封裝膠后,發現支架表層銀鍍層失去原有的光亮,呈現灰色。使用SEM 觀察支架表層微觀形貌,發現與未裝配的半成品支架相比,LED 失效燈珠的支架表面銀層疏松且有較多的孔洞。 將半成品支架和失效 LED 制作成切片, 觀察其截面鍍層質量,發現支架鍍層結構為銅鍍鎳再鍍銀,與半成品相比,失效品支架的鎳鍍層變薄,表層銀層變得疏松,且鎳銀鍍層界限變得模糊, 樣品的支架截面形貌如圖 10 所示。使用 AES 測試失效 LED 支架淺表層成分,發現其中會有鎳(Ni)元素, 測試結果如圖 11b 所示,很顯然,鎳鍍層擴散至了銀層表面。 由此得出,LED 燈珠變色的原因為所用的支架鍍層不良, 老化后銀層疏松產生孔洞、鎳層經過銀層孔洞擴散到銀層表面,導致銀層發黑,燈珠變色。 在眾多的 LED 變色失效案例中,因支架變色或腐蝕導致的失效所占的比例是最高的。因 此,LED 或支架生產方應采取一些措施來預防產品失效。例如:選擇質量良好的、耐蝕的支架基材;采取適宜的電鍍工藝條件,保證形成晶粒細膩、結構致密的鍍層,鍍層厚度均勻并達到防護要求;對于表層鍍層為銀的支架,選取有效的銀保護工藝,提高銀支架的防變色能力;在 LED 生產裝配的過程中,則應防止外來的污染或腐蝕性物質的引入,確保LED 封裝嚴密,以降低因環境中的水汽和氧氣等的侵入而引發各種腐蝕的可能性。 以上分析了因封裝膠、熒光粉和支架構件異常導致 LED 燈珠變色失效的原因和機理,希望能為業界提供參考和指引,使 LED 生產方在選材及制造過程中采取有效的措施來預防這些失效現象的發生,進一步地提高 LED 成品的可靠性。

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2023.11.15

貼片LED燈珠的焊接方法有多種,下面是其中一種常用的方法,供參考。首先用電烙鐵在燈珠的正、負極焊盤上燙上一些焊錫(焊錫千萬不能多,否則,用熱風槍一加熱,正、負極的焊盤就會連在一起),然后用熱風槍同時加熱正、負極焊盤,待錫熔化后,用鑷子將燈珠的正負極放在對應的焊盤上即可。    該操作要快、要準,否則,熱風槍會把LED的塑封熔化而損壞。    在沒有熱風槍的情況下,按LED燈珠的結構和所用基板的不同也可用不同的焊接方法。貼片LED燈珠引腳有采用半塑封的,即燈珠兩邊外露一小部分引腳,如常用的5730、7020、4014等;也有采用全塑封的,即燈珠的正負極全部在芯片的底部,如3030等。對半塑封的燈珠如7020的焊接也比較容易,同樣在焊接前要先在焊盤上燙一點錫(燈珠的引腳不要燙錫),兩邊用鑷子把燈珠的正負極對應放在焊盤上,用手指或小改錐壓住燈珠,最后用電烙鐵迅速對外露的電極進行加熱,同時手指適當加力往下壓(加熱時,烙鐵不能來回搓動,手指的壓力也不要過大,否則會損壞燈珠)。      對于全塑封的燈珠(如3030),若燈條基板為普通的電路板,則先用刀片把燈珠焊盤周圍的漆刮干凈,露出銅線,然后在焊盤上燙少許錫,先焊焊盤大的電極,接著把電烙鐵放在新刮出的銅線上加熱(不能放到焊盤上),待焊盤上的錫熔化后,用鑷子把燈珠的對應極放在焊盤上略加壓即可,最后焊焊盤小的電極。必須先焊焊盤大的電極是因為所需的加熱時間長,若后焊此電極,燈珠易過熱而損壞。      若燈條基板為鋁基板,就不能用上述方法了,因為用鋁基板的線路都設計得很細。在焊接這類燈條的燈珠時,可利用熱傳導來焊接燈珠,對燈珠正負極焊盤的背面鋁板同時加熱,待焊盤上的錫熔化后,把燈珠放在焊盤上略加壓即可。加熱器可從淘寶上購買,也可用大功率電烙鐵(不小于100W的)來代替。      用電烙鐵焊接燈珠時,電烙鐵的外殼必須很好地接地,最好也戴上防靜電手環,以防感應電和靜電損壞LED燈珠。另外,烙鐵頭要磨成馬蹄形的,以增大接觸面積,縮短焊接時間。

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