إنتاج فعال للمرافق المتقدمةأصبح LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء) نقطة ساخنة للمنافسة في الصناعة الاستراتيجية الدولية الناشئة. في سلسلة صناعة LED ، يشمل المنبع مواد الركيزة ، epitaxy ، تصميم الرقاقة والتصنيع ، تغطي الروافد الوسطى تكنولوجيا التغليف ، المعدات وتكنولوجيا الاختبار ، والمصب هو تطبيقات LED للإضاءة والإضاءة. في الوقت الحاضر ، يتم استخدام عملية الفوسفور الأصفر LED الزرقاء بشكل أساسي لتحقيق إضاءة LED عالية الطاقة ، أي ينبعث الفوسفور الأصفر YAG (yttrium aluminium garnet) من جزء من الأزرق المستندة إلى GaN الصمام ، وجزء آخر من الضوء الأزرق ينبعث من الفوسفور. يتم خلط الضوء الأصفر المنبعث من الفسفور الأصفر مع الضوء الأزرق المرسل للحصول على الضوء الأبيض. يمر الضوء الأزرق المنبعث من شريحة LED الزرقاء عبر الفوسفور الأصفر المطلي من حوله ، ويتحمس الفوسفور بواسطة جزء من الضوء الأزرق لإصدار الضوء الأصفر ، ويتداخل طيف الضوء الأزرق وطيف الضوء الأصفر معًا لتكوين الأبيض ضوء.
كجزء من سلسلة الصناعة ، فإن عبوة LED عالية الطاقة هي تكنولوجيا التصنيع الأساسية لتعزيز التطبيق العملي للإضاءة وعرض أشباه الموصلات. فقط من خلال تطوير المقاومة الحرارية المنخفضة والكفاءة المضيئة العالية وتكنولوجيا التغليف LED والموثوقية العالية ، فإن رقاقة LED هي حماية ميكانيكية وكهربائية بشكل جيد ، مما يقلل من تأثير العوامل الميكانيكية والكهربائية والحرارية والرطبة وغيرها من العوامل الخارجية على أداء الرقاقة ، لضمان LED يمكن أن يوفر العمل المستقر والموثوق للرقاقة تأثيرات إضاءة وشاشة عالية الكفاءة ومستمرة ، وتحقيق المزايا الفريدة لتوفير الطاقة وطول عمر LED ، وتعزيز التطوير الحميد للإضاءة شبه الموصلة بالكامل و سلسلة صناعة العرض. بالنظر إلى الاهتمام بالسوق من قبل الشركات الأجنبية ذات الصلة ، يتم حظر التقنيات والمعدات الأساسية ذات الصلة. لذلك ، هناك حاجة ملحة لتطوير تكنولوجيا تغليف LED عالية الطاقة مستقلة ، وخاصة معدات التعبئة LED البيضاء. ستعرض هذه المقالة باختصار حالة البحث والتطبيق لتعبئة LED عالية الطاقة ، وتحليل وتلخيص القضايا التقنية الرئيسية في عملية التعبئة والتغليف LED عالية الطاقة ، من أجل جذب انتباه النظراء المحليين ، والسعي لتحقيق الاستقلال الذاتي من التقنيات والمعدات الرئيسية LED عالية الطاقة. .
تلعب تكنولوجيا عملية التغليف دورًا مهمًا في أداء LED. يتم تحديد اختيار طرق التعبئة والتغليف LED والمواد والتركيبات والعمليات أساسًا بعوامل مثل بنية الرقاقة والخصائص الإلكترونية / الميكانيكية والتطبيقات المحددة والتكلفة. مع زيادة الطاقة ، وخاصة تطوير تقنية الإضاءة في الحالة الصلبة ، تم طرح متطلبات جديدة وأعلى للهياكل البصرية والحرارية والكهربائية والميكانيكية لحزم LED. من أجل تقليل المقاومة الحرارية للحزمة بشكل فعال وتحسين كفاءة الإضاءة ، يجب اعتماد فكرة تقنية جديدة لتصميم العبوة. من منظور توافق العملية وخفض تكاليف الإنتاج ، ينبغي تنفيذ تصميم حزمة LED في وقت واحد مع تصميم الرقاقة ، أي ينبغي أن يأخذ تصميم العبوة في الاعتبار بنية الحزمة وعمليةها. في الوقت الحاضر ، اتجاهات التطوير الرئيسية لهيكل حزمة LED هي: تصغير الحجم ، تقليل المقاومة الحرارية للجهاز ، ترقيع مستوي ، أقصى درجة حرارة لتحمل الوصلة ، زيادة تدفق المصباح الفردي ؛ الهدف هو زيادة التدفق الضوئي ، وكفاءة الإضاءة ، وتقليل الضوء. الاضمحلال ، وفقدان الكفاءة ، وتحسين الاتساق والموثوقية. على وجه التحديد ، تشمل التقنيات الرئيسية لتعبئة LED عالية الطاقة: تقنية التشتت الحراري ، تقنية التصميم البصري ، تكنولوجيا التصميم الهيكلي ، تكنولوجيا طلاء الفسفور ، وتقنية لحام سهلة الانصهار.
1 ، تكنولوجيا التبريد
لا يمكن أن يتجاوز متوسط درجة حرارة عقدة LED 120 درجة مئوية. حتى أحدث الأجهزة التي قدمتها Lumileds و Nichia و CREE وغيرها ، لا يمكن أن تتجاوز درجة حرارة العقدة القصوى 1500 درجة مئوية. لذلك ، فإن تأثير الإشعاع الحراري لأجهزة LED ضئيل للغاية ، كما أن التوصيل الحراري والحمل الحراري هما الطريقتان الرئيسيتان لتبديد حرارة المصابيح. في تصميم تبديد الحرارة ، يتم أخذ التوصيل الحراري في الاعتبار أولاً لأنه يتم إجراء الحرارة أولاً من وحدة حزمة LED إلى المشتت الحراري. لذلك ، فإن مواد الربط والركيزة هي الروابط الرئيسية لتكنولوجيا تبديد الحرارة LED.
تشتمل مواد الربط بشكل أساسي على ثلاث طرق رئيسية للغراء موصل حراري ولصق فضي موصل ولحام سبيكة. المادة اللاصقة الحرارية هي نوع من الحشو مع الموصلية الحرارية العالية المضافة إلى داخل الركيزة ، مثل SiC ، A1N ، A12O3 ، SiO2 ، وما إلى ذلك ، وبالتالي تحسين التوصيل الحراري ؛ معجون الفضة موصل هو مادة مركبة تشكلت بإضافة مسحوق الفضة في راتنجات الايبوكسي ، ويتم تطبيق تصلب لصق. درجة الحرارة أقل عمومًا من 200 درجة مئوية ، والتي تتميز بميزة التوصيل الحراري الجيد وأداء الترابط الموثوق به ، لكن امتصاص الضوء بواسطة عجينة الفضة كبير نسبيًا ، مما يؤدي إلى انخفاض في كفاءة الضوء.
الركيزة تشمل أساسا ثلاثة أوضاع رئيسية من الركيزة السيراميك ، الركيزة السيراميك والركيزة المركبة. الركيزة الخزفية هي أساسًا ركيزة LTCC وركيزة AIN. الركيزة LTCC لديها العديد من المزايا مثل القولبة السهلة ، العملية البسيطة ، التكلفة المنخفضة وسهولة صنع الأشكال المختلفة. Al و Cu مواد ممتازة للركائز حزمة LED. نظرًا لتوصيل المواد المعدنية ، غالبًا ما يكون من الضروري اجتياز عزل السطح. أنودة لتشكيل طبقة عازلة رقيقة على السطح. تشتمل مكونات المصفوفة المعدنية بشكل أساسي على المواد المركبة القائمة على النحاس والمواد المركبة القائمة على القاعدة. Occhionero et al. استكشف تطبيق AlSiC على الشرائح الإلكترونية والأجهزة الإلكترونية الضوئية وأجهزة الطاقة والمصارف الحرارية عالية الطاقة LED. تضيف إضافة الجرافيت الحراري إلى AlSiC أيضًا متطلبات تبديد الحرارة العالي. هناك خمسة أنواع رئيسية من الركائز المركبة في المستقبل: المواد الكربونية المتجانسة ، ومركبات المصفوفة المعدنية ، والمركبات القائمة على البوليمر ، ومركبات الكربون ، والسبائك المعدنية المتقدمة.
بالإضافة إلى ذلك ، واجهة الحزمة لها تأثير كبير على المقاومة الحرارية. المفتاح لتحسين حزمة LED هو تقليل المقاومة الحرارية لواجهة الاتصال والواجهة وتحسين تبديد الحرارة. لذلك ، فإن اختيار مادة الواجهة الحرارية بين الرقاقة وركيزة المشتت الحراري أمر مهم للغاية. إن استخدام لحام منخفض درجة الحرارة أو سهل الانصهار ، أو معجون لحام أو معجون موصل مع جزيئات نانوية لأن مادة الواجهة الحرارية يمكن أن تقلل بدرجة كبيرة من المقاومة الحرارية للواجهة.
2 ، تكنولوجيا التصميم البصري
يشمل التصميم البصري لحزمة LED تصميمًا ضوئيًا داخليًا وتصميمًا ضوئيًا خارجيًا.
المفتاح للتصميم البصري الداخلي هو اختيار وتطبيق الغراء بوتينغ. عند اختيار الغراء في بوتينغ ، من الضروري أن يكون هناك نفاذية عالية للضوء ومؤشر إنكسار عالٍ واستقرار حراري جيد وسيولة جيدة ورش سهل. من أجل تحسين موثوقية حزمة LED ، يلزم أيضًا أن يكون مركب الخزفي منخفض الاسترطاب ، الضغط المنخفض ، درجة الحرارة وحماية البيئة. وتشمل المركبات بوتينغ المستخدمة حاليا راتنجات الايبوكسي وهلام السيليكا. من بينها ، يحتوي هلام السيليكا على نفاذية عالية للضوء (نفاذية عالية في النطاق المرئي لأكثر من 99 ٪) ، ومؤشر انكسار عالٍ (1.4 إلى 1.5) ، واستقرار حراري جيد (يمكن أن يتحمل درجات حرارة عالية تبلغ 200 درجة مئوية) ، وإجهاد منخفض ( معامل يونغ) منخفض) ، استرطابي منخفض (أقل من 0.2 ٪) ، وما إلى ذلك ، أفضل بكثير من راتنجات الايبوكسي ، وتستخدم على نطاق واسع في عبوات LED عالية الطاقة. ومع ذلك ، فإن أداء هلام السيليكا يتأثر بدرجة كبيرة من درجة الحرارة المحيطة ، مما يؤثر على كفاءة ضوء LED وتوزيع شدة الضوء. لذلك ، يجب تحسين عملية تحضير هلام السيليكا.
يشير التصميم البصري الخارجي إلى تقارب وتشكيل الحزمة الصادرة لتشكيل مجال إضاءة بتوزيع متساوي الكثافة. ويشمل بشكل أساسي تصميم مركز عاكس (البصريات الأولية) وتصميم عدسة تشكيل (البصريات الثانوية). بالنسبة لوحدات الصفيف ، يشمل أيضًا توزيع صفائف الشرائح. تشمل العدسات شائعة الاستخدام العدسات المحدبة والعدسات المقعرة والمرايا الكروية وعدسات فريسنل والعدسات المدمجة ، إلخ. يمكن أن تكون طريقة تجميع العدسات ومصابيح LED عالية الطاقة محكمة الإغلاق وشبه محكمة الإغلاق. في السنوات الأخيرة ، مع تعميق البحث ، مع مراعاة متطلبات التكامل بعد التعبئة والتغليف ، تستخدم العدسة المستخدمة في تشكيل الشعاع مجموعة microlens ، ويمكن لمجموعة microlens أن تلعب تقاربًا متوازيًا ثنائي الأبعاد ، وتشكيلًا ، وموازنة ، وما إلى ذلك في البصري مسار. إنه يتمتع بمزايا الدقة العالية في المحاذاة ، التصنيع المريح و الموثوق ، و سهولة الإقتران مع الأجهزة المستوية الأخرى. تظهر الأبحاث أن استخدام صفائف microlens الانعكاسية بدلاً من العدسات العادية أو microlenses Fresnel يمكن أن يحسن بشكل كبير جودة الشعاع ويزيد من شدة الضوء المنبعث. المصابيح هي التكنولوجيا الجديدة الواعدة لتشكيل الشعاع.
3 ، هيكل الصمام الحزمة
كانت تكنولوجيا وبنية التغليف LED في الطليعة ، حزمة الطاقة ، رقاقة (SMD) ، رقاقة على متن (COB) أربع مراحل.
(1) حزمة الصمام الرصاص
تستخدم حزمة القدم LED إطارات الرصاص كدبابيس لأنواع مختلفة من العبوات. هذا هو هيكل الحزمة الأولى وضعت بنجاح في السوق. مجموعة متنوعة من المنتجات عالية ، ونضج التكنولوجيا عالية ، وما زال يجري تحسين بنية وطبقة عاكسة داخل الحزمة. عادة ما يتم استخدامه في هيكل الحزمة 3 ~ 5mm ، ويستخدم بشكل عام لحزم LED ذات التيار المنخفض (20 ~ 30mA) ومنخفضة الطاقة (أقل من 0.1W). إنه يستخدم بشكل أساسي في عرض أو إشارة الأداة ، كما يمكن استخدامه كشاشة عرض للتكامل على نطاق واسع. العيب هو أن الحزمة لديها مقاومة حرارية كبيرة (أعلى عموما من 100K / W) ولها حياة قصيرة.
(2) حزمة الطاقة LED
تم تطوير رقاقة LED وحزمة في اتجاه قوة عالية. تحت التيار العالي ، يكون التدفق الضوئي أكبر بـ 10-20 مرة من الصمام الضوئي Φ5mm. يجب استخدام مواد تبديد الحرارة الفعالة ومواد التغليف غير المهينة لحل مشكلة تسوس الضوء. لذلك ، الحزمة والحزمة هي أيضا المفتاح. ظهرت حزم تقنية LED يمكنها تحمل العديد من قوة W. مصابيح LED ذات الطاقة البيضاء والخضراء والزرقاء والأزرق من سلسلة 5W متاحة منذ بداية عام 2003. ويبلغ ناتج ضوء LED الأبيض 1871m ، وكفاءة الإضاءة 44.31 lm / W ، مشكلة تحلل الضوء الأخضر ، والصمام الذي يمكنه تحمل قدرة 10W تم تطويرها. الة النفخ؛ الحجم 2.5 مم × 2.5 مم ، ويمكن أن يعمل عند 5A الحالي ، خرج الضوء حتى عام 2001 م ، كمصدر إضاءة قوي لديه مساحة كبيرة للتنمية.
(3) سطح الصمام (SMD) نوع الصمام (SMD) حزمة الصمام
في وقت مبكر من عام 2002 ، تم قبول LEDs المعبأة في الأسطح (SMDLEDs) تدريجياً من قبل السوق ، واكتسبت حصة سوقية معينة. من الحزمة الرائدة إلى SMD ، كانت متوافقة مع اتجاه تطور صناعة الإلكترونيات بأكملها ، وقدم العديد من المصنعين هذه المنتجات.
SMDLED هي حاليا أعلى حصة في سوق التغليف في سوق LED. يستخدم هيكل الحزمة LED عملية صب بالحقن لف إطار الرصاص المعدني في بلاستيك PPA وتشكيل كوب عاكس من شكل معين. يمتد إطار الرصاص المعدني من أسفل كوب العاكس إلى جانب الجهاز. تتشكل دبابيس الجهاز عن طريق التسطيح للخارج أو للداخل. يرافق هيكل SMDLED المحسن تقنية إضاءة LED بيضاء. من أجل زيادة استهلاك الطاقة لجهاز LED واحد لزيادة سطوع الجهاز ، بدأ المهندسون في إيجاد طرق لتقليل المقاومة الحرارية لـ SMDLED وقدموا مفهوم المشتت الحراري. يقلل هذا الهيكل المحسّن من ارتفاع بنية SMDLED الأصلية. يتم وضع إطار الرصاص المعدني مباشرة في الجزء السفلي من جهاز LED. يتكون الكأس العاكس عن طريق حقن البلاستيك حول الإطار المعدني. يتم وضع الشريحة على الإطار المعدني. ملحوم الإطار المعدني مباشرة من خلال لصق جندى. يتم تشكيل قناة تبديد الحرارة العمودية على لوحة الدوائر. نظرًا لتطور تكنولوجيا المواد ، تغلبت تقنية تعبئة SMD على المشكلات المبكرة المتمثلة في تبديد الحرارة وعمر الخدمة ، ويمكن استخدامها لتغليف رقائق LED بيضاء عالية الطاقة تبلغ 1 ~ 3W.
(4) حزمة البوليفيين الصمام
يمكن لحزمة COB أن تقوم بتعبئة رقائق متعددة مباشرة على لوحة الدوائر المطبوعة على أساس المعدن MCPCB ، وأن تبدد الحرارة مباشرة من خلال الركيزة ، الأمر الذي لا يقلل فقط من عملية التصنيع وتكلفة قوس ، ولكن لديه أيضا ميزة الحد من تبديد الحرارة. يمكن أن يكون ثنائي الفينيل متعدد الكلور عبارة عن مادة FR-4 منخفضة التكلفة (إيبوكسي مقوى بالألياف الزجاجية) أو معدن موصل حراري عالي أو مركب من السيراميك (مثل الركيزة المصنوعة من الألومنيوم أو الركيزة المصنوعة من النحاس المطلي بالنحاس). يمكن إجراء الربط السلكي عن طريق الترابط الحراري (رابطة الكرة الذهبية السلك) عند درجة حرارة عالية والترابط بالموجات فوق الصوتية في درجة حرارة طبيعية (لحام أداة مملة من الألومنيوم). تستخدم تكنولوجيا COB بشكل أساسي في تعبئة LED للصفائف متعددة الشرائح عالية الطاقة. بالمقارنة مع SMD ، فإنه لا يزيد بشكل كبير من كثافة طاقة العبوة فحسب ، بل يقلل أيضًا من المقاومة الحرارية للحزمة (عمومًا 6-12W / m · K).
من منظور التكلفة والتطبيق ، سيصبح البوليفيين الاتجاه السائد لتصميم الإضاءة في المستقبل. تحتوي وحدة LED الخاصة بحزمة COB على عدد وافر من رقائق LED المثبتة على الركيزة. لا يؤدي استخدام الرقائق المتعددة إلى تحسين السطوع فحسب ، بل يسهل أيضًا التكوين الرشيد لشرائح LED ويقلل من كمية المدخلات الحالية لشريحة LED واحدة لضمان الكفاءة العالية. علاوة على ذلك ، يمكن لمصدر إضاءة السطح أن يوسع بشكل كبير من مساحة تبديد الحرارة من العبوة ، بحيث يمكن إجراء الحرارة بسهولة أكبر على الغلاف الخارجي. الممارسة التقليدية لمصابيح LED هي: جهاز منفصل لمصدر ضوء LED - وحدة مصدر ضوء MCPCB - مصباح Luminaire ، يعتمد بشكل أساسي على الممارسة المتمثلة في عدم استخدام مكونات مصدر الضوء الأساسية القابلة للتطبيق ، وليس فقط مضيعة للوقت ، ولكن أيضًا مكلف. في الواقع ، إذا كنت تسلك طريق "وحدة مصدر ضوء COB - مصباح LED" ، فيمكنها توفير العمالة والوقت ، ويمكن أن توفر تكلفة تغليف الجهاز.
باختصار ، سواء كانت حزمة جهاز واحد أو حزمة COB وحدات ، من طاقة منخفضة إلى طاقة عالية ، تم تصميم بنية حزمة LED حول كيفية تقليل المقاومة الحرارية للجهاز ، وتحسين ناتج الضوء وتحسين الموثوقية.
4 ، تكنولوجيا طلاء الفوسفور
هيكل تحويل الضوء ، أي هيكل طلاء الفسفور ، موجه بشكل أساسي إلى تقنية إضاءة الضوء الأبيض LED ، ويهدف إلى تحويل ضوء الطول الموجي الأقصر المنبعث من رقاقة LED إلى ضوء طول موجة أطول مكمل للون التكميلي (اللون الأبيض) مكمل).
في الوقت الحاضر ، هناك ثلاث طرق لإنتاج الضوء الأبيض باستخدام الفوسفور: الأزرق LED مع الفوسفور الأصفر. الصمام الأزرق مع الفوسفور الأحمر والأخضر. الأشعة فوق البنفسجية LED مع الفوسفور الأحمر والأخضر والأزرق. من بينها ، المصابيح البيضاء التجارية هي في معظمها من نوع أحادي الشريحة مع LED أزرق وفوسفور أصفر. يتم الإبلاغ عن طريقة توليد الضوء الأبيض من LED الأزرق مع الفوسفور الأحمر والأخضر فقط في براءات اختراع OSRAM ، Lumileds ، وما إلى ذلك ، ولكن لم يتم تسويقه. تظهر المنتجات ، والطريقة التي يتم بها الجمع بين مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية والفوسفور ثلاثية الألوان لا تزال قيد التطوير.