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EMC支架在3030/2835灯珠LED封装中的应用

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EMC支架在3030/2835灯珠LED封装中的应用

发布日期:2017-10-10 作者:普朗克光电 点击:

1 引言

  3030灯珠/2835灯珠Top LED器件主要采用热塑性(Thermoplastic plastics,TPP)支架,这是一种成熟的LED封装支架。目前,TPP支架塑封材料主要使用的是PPA、PA6T等热塑性树脂,这类支架的气密性问题一直无法得到改善,吸水性较强且PPA本身会变色,这些问题都会影响LED器件的可靠性[1]。近几年,国外一些LED企业从微电子封装领域引进一种新的封装形式,即环氧模塑料(Epoxy molding compound)封装,简称EMC封装。EMC是一种热固性塑料(Thermosetting plastic),在日本已是非常成熟的技术,中国台湾地区也在几年前开始研发,内地则起步较晚[2]。由于EMC封装具有良好的性能优势,被很多LED 企业看好,已经逐渐成为一个十分热门的封装技术。

  2 EMC材料简介

  EMC是一种重要的微电子封装材料,通过封装工艺将半导体芯片包覆形成保护,以免受到外部环境的破坏;同时EMC也起到一定的散热效果。EMC具备可规模化生产和合理的可靠性特点,是半导体封装常见的封装材料之一[3~4]。

  二十世纪中期,环氧、酸酐固化体系模塑料被应用在塑封晶体管中。随着技术的不断发展,各种具备如阻燃型、低水解氯、低应力、低膨胀、低翘曲等优良性能的EMC被研发出来,以提高半导体器件的性能和可靠性[3~4]。近几年,EMC开始被引入到LED封装领域,对提高LED封装器件的性能和可靠性有很大的帮助。

  EMC的主要成分有填充剂、环氧树脂、固化剂、偶联剂、阻燃剂、脱模剂、改性添加剂等;其中填充剂含量最高,可以改善环氧树脂的参数和性能,如降低膨胀系数、提高热导率、增加弹性模量等;环氧树脂作为基体树脂将其他组分结合在一起,环氧树脂决定了EMC固化物的机械、电气、耐热等性能 [3~5]。随着半导体技术的飞速发展,人们不断研究EMC材料特性和优化工艺参数,使得EMC的性能得到不断提升。

  3 EMC支架的主要特性

  EMC具有高可靠性、高导热性、高耐热耐湿性和低应力、低膨胀系数等优良性能,十分适合于LED封装器件。LED EMC支架是一种高度集成化的支架,被人们称为第三代LED支架;相比于第一代PPA预塑封框架和第二代陶瓷基板,EMC支架可具有实现大规模生产、降低成本、设计灵活、尺寸更小等优势[2]。

  由于LED是发光器件,封装材料除了要保证器件的良好散热和气密性要求外,还要使器件具备良好的取光效果,亦即材料必须要有高反射率,德国 Hankel公司生产的一款型号为GR10000402B的EMC,对460 nm左右蓝光的反射率高达94.8%。虽然传统PPA的反射率也可以达到93%左右,但在经过1 000 h的高温老化后,其反射率已降到50%以下,而Hankel公司的此款EMC支架经过1 000 h、150 ℃高温老化后,仍有80%左右的反射率。

  表1是EMC支架和传统PPA支架的性能参数对比,从表中数据可以看出,EMC材料相比于传统PPA材料,在高温老化后光反射率、热膨胀系数、材料连接强度等方面均有较大改善和提升,更加适用于高品质、大功率LED器件封装。

  表1 EMC支架和PPA支架的性能参数对比

  4 EMC支架的优势

  从表1中的对比数据来看,EMC有明显的封装性能优势,很适合用在LED封装器件。EMC支架相比PPA支架具有较大优势:

  (1)PPA支架的气密性问题一直是LED器件的一个难题,而EMC有更低的热膨胀系数、良好的粘结性能和耐腐蚀性能,其气密性比PPA有很大的提升,进而提升LED器件的可靠性。

  (2)EMC还具有抗紫外线能力,可以降低LED支架的黄化速度,用EMC做的LED器件可以更好地适应户外复杂环境。

  (3)EMC较低的热膨胀系数可以让器件承受更高的温度而不影响器件可靠性。相同体积的LED器件,使用EMC的LED可以通过更高的电流。如传统PPA材料的3014 Top LED器件,正向电流IF不超过40 mA;而EMC封装的3014 正向电流可以达到150 mA,使得LED功率达到0.5 W。对于3030和3535EMC封装的LED可以通过350 mA,功率达到1 W以上[2]。

  (4)LED技术发展至今,其光效(lm/W)的提升速度很快。随着LED光效的提升,人们开始关注单位流明的成本,即lm/$。对比传统 PPA材料,EMC使得LED器件可以在同样甚至更小的体积下实现更高功率,获得更高的光通量。虽然目前EMC的价格比PPA贵,但从单位流明的成本上,EMC的成本优势十分明显。另外,EMC由于其生产工艺的特点,加工精度比传统封装有很大的提升,集成化程度非常高,生产效率也可以大大提高,进一步提高了成本优势。

  5 EMC支架工艺制程

  EMC主要是以熔融混合挤出法制作而成[5];而LED EMC支架则采用蚀刻技术,将EMC和蚀刻铜基板在模塑设备封装加热而成[2]。

  LED EMC支架工艺制程如图1所示,包含蚀刻、电镀、切片、注胶成型、成型烘烤、除溢料等工序;其中注胶成型是主要工序,由成型(molding)设备完成,图2是EMC支架注胶成型的工艺过程示意图和一些关键工艺参数。

  6 EMC应用在LED封装中的一些问题

  EMC应用在LED封装中的一些问题EMC被应用于LED支架,成为LED第三代支架,相比前两代LED支架,具有明显的性能优势和突出的应用效果,但同时也还存在一些问题。(1)EMC是一种热固性塑料,被引入到LED封装后,根据LED产品的特点和性能要求对材料成分进行改良,但其填充料和环氧都跟微电子封装的材料相近,因此EMC在微电子封装中的一些常见缺陷在LED封装中也会存在,比如存在气孔、麻点、开裂、溢料和气密性、固化后比较脆等不良问题[6~8]。

  (2)EMC的气密性虽然比PPA有较大的改善,但因材料本身仍具有吸水性,无法完全避免气密性问题[9]。虽不能完全解决气密性问题,但后续可以进一步改善,比如研究和添加一些改性添加剂或者从工艺制程去控制,优化制程参数;其中要特别注意控制温度变化导致界面材料的热膨胀系数差异,这个差异会影响EMC与铜引线框架的相对位移[1],进而形成水汽渗入的通道。

  (3)由于LED封装的EMC仍需从国外进口,当前EMC的价格比PPA贵。随着EMC材料水平和工艺技术的不断发展以及EMC在LED封装中的使用规模不断加大,EMC封装LED器件的成本优势将逐步凸显出来。

  (4)LED封装如要引入EMC,需要较大的资金和研发投入[2],主要是因为EMC支架的结构与传统PPA支架有一定差异,见图3所示的 3014 EMC支架和图4所示的3014 PPA支架。两种支架在结构上的差异导致在封装工序上的不同。如在切筋工序中,PPA支架采用配套的工装,通过冲床冲压而成;而EMC支架封装的LED则要采用划片机切割。如果要引入EMC,则需要对部分原有设备进行工装夹具调整或改进,甚至有些设备需要更换,这势必会增加更多的投入,这是目前很多国内支架厂商和LED封装厂商仍在犹豫是否要引入EMC的主要原因。

  7 结束语

  当前,LED行业由于产能过剩问题,竞争十分激烈,而在市场拼杀中,价格是首当其冲。LED灯具价格仍然高于传统灯具,需要进一步降价才能完全打开规模最大的通用照明市场。为此,所有LED企业都在积极研究新材料、新技术和新工艺等,以提高LED产品性能,降低成本,最终提升产品整体竞争力。

  由于EMC的特性优良和工艺简单等特点,使得EMC支架十分适用于功率在0.5~2 W之间的LED器件,其成本优势十分明显,LED器件的性能和可靠性方面也有较大提升。因此, EMC支架封装的LED将逐渐成为中大功率LED器件的主流选择。随着EMC的引入,LED产品的价格将会有更大的降价空间,这也势必加快LED照明灯具进入通用照明市场的步伐。

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