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[小间距] MINI-LED小间距时代,如何选对LED显示屏封装材料?
日期:2019-08-05 16:59:02 信息来源:本站
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 从LED显示屏技术发展趋势看,无论器件化的EMC灯珠还是COB模组技术都已经在像素点间距指标上进入“0.X”时代,未来两种技术路线谁能成为主流,更多是从产业链是倾向于更高效率的分工协作模式还是贯通式的平台模式。

前者依托成熟的封装、显示屏行业分工,有利于打造品质更稳定、成本更低的显示屏产品;后者寄希望于以显示屏作为入口集成更多信息化功能的平台产品。

 

两种显示屏封装方案分别对应适合其封装要求的封装材料。正装及垂直芯片封装的小间距EMC灯珠采用固态环氧树脂封装,EMC灯珠的名称由来也是从封装材料(Epoxy Molding Compound)的性质所得。固态环氧树脂以其优越的气密性、粘结力和硬度可确保EMC灯珠的PCT可靠性和切割加工便利性。

 

而采用倒装芯片的大规模阵列COB形态Mini RGB可以采用有机硅树脂封装。高折射率苯基有机硅树脂以其优异低应力表现可充分释放大尺寸基板封装固化后应力,避免基板翘曲;ShoreD65以上的高硬度可保证显示屏表面不粘连灰尘,周边切割尺寸精准利于无缝拼接。

 

就产品与市场成熟度来看,无疑器件化RGB EMC灯珠是目前市场主流,而EMC环氧树脂是其首选封装材料。本次讨论就以德高化成的产品为例,谈谈EMC灯珠和环氧树脂封装材料。

 

一般而言,在EMC灯珠封装中,要确保墨色一致性和光学功能一致性,我们通过添加”B、D、F”三种材料来实现:黑色素粉(Black Pigment)、光散射微珠(Diffuser)和高透明无机微珠(Filler with High Transparency)。

 

显示屏墨色是确保对比度的首要性能,同时显示屏的墨色均一性是直接影响用户感受的核心质量判定标准,因此“墨色”是EMC封装和树脂材料供应商面对的最大技术挑战。

 

树脂黑度越高、显示屏对比度越好;但封装材料透过率下降导致芯片功耗上升且黑色素会吸收积聚热量,最终不利于显示屏的长期工作可靠性。因此寻求黑度(墨色)与透过率的矛盾统一,采用最微小黑素添加量达到最高对比度是显示屏封装材料的第一设计要务。

 

德高化成通过精选并控制黑素的原始粒径与聚集态粒径、强化与树脂混合分散的工艺过程,优化黑色素添加量在万分之五以下(重量比),实现对比度与透过率的最佳平衡。

 

黑色素在EMC树脂中的分散均一性是灯珠封装厂商的良率最关切因素,也是显示屏厂商组屏后墨色一致性优劣的质量根本所在。树脂端混黑均一性不佳,会导致封装厂成品不得不按灯珠亮度分3-5BIN处理,而混黑控制良好的树脂可帮助封装厂向一个BIN的方向提升良率。

 

当然,墨色均一性除树脂混黑要因外,与基板墨色控制、基板厚度均一性、封装模具精密程度等诸多封装管理因素亦有相关,因此RGB EMC灯珠封装厂往往都是品质综合管控能力较强的企业。

 

RGB EMC灯珠中的红光芯片与蓝绿光芯片尺寸不同,发光角度也有差异,因此树脂中有必要添加光散射微珠,使RGB三颗芯片的出光在灯珠内部充分混合,在140o出光角度内以同样的光强分布实现一致的白平衡。采用EMC灯珠混光处理不当的显示屏,在广视角常常出现预设白平衡偏红的现象。

 

光散射微珠的添加与黑色素添加有类似的光学矛盾对立统一关系,即混光效果越好,出光损失越大,同时散射微珠与树脂结合不佳会导致封装体PCT性能降低。

 

光散射微珠一般由有机树脂制成,常见的有PMMA、有机硅等材料。微珠材质的选择、微珠的粒径分布、以及尽可能压缩散射粉在树脂中的配方量是EMC灯珠整体光学设计和可靠性设计的重要因素。

 

RGB EMC灯珠封装规格序列由标准品EMC1010起沿着小间距方向不断精简尺寸,向0808、0606方向推进。新兴的4IN1模组也顺利实现了0.7mm间距的“mini尺度”。无论EMC独立灯珠的小型化还是4IN1,在封装设计上都趋向采用更薄型化的基板。

 

薄型基板与环氧树脂结合后,封装翘曲较普通厚度基板要突出,是影响器件切割效率的“棘手”问题。为降低环氧树脂的固化收缩率及热形变收缩率,在树脂中添加无机填料是EMC封装树脂的通行做法。然而LED封装材料不同于IC封装,通用的Silica填料会使光学封装材料失去透明性。

 

针对这一问题,德高化成开发的专门用于RGB EMC封装的100%球化透明无机微珠材料,可维持与纯树脂相当的透明级别,且球化微珠可实现替代部分有机光散射微珠的混光功能,增强了树脂EMC复合物的抵抗PCT能力。在添加量20-50%(wt%)范围内,可大大降低封装后基板翘曲,顺利实现高效率的器件切割。

 

以黑色素为主的BDF功能材料与环氧树脂的混合,我们可统称加黑过程,分为干法加黑和湿法加黑。

 

干法加黑过程主要基于成品的透明EMC树脂,将其粉碎后混入BDF功能材料,经过树脂粉碎、功能粉体分散、打饼成型而再制成封装厂所需的EMC树脂;湿法加黑过程则必须由树脂的品牌生产厂商在树脂配方混炼阶段加入BDF功能性材料、按树脂配方混炼、树脂粉碎、打饼成型几个工段一次性完成EMC成品生产。

 

“干法加黑”是当前封装厂广泛采用的方式,封装厂可灵活的根据基板、芯片等变化因素,调节适当的黑度。但粉体作业本身是比较复杂的化工材料生产过程,墨色批次稳定性难以控制,且面临环保和安全生产等诸多约束,封装厂难以实现规模化自制。

 

此外,干法加黑过程,粉末状态树脂易吸湿,存在封装过程中粘模具、封装体空洞增多、封装后器件气密性下降等潜在不利因素。湿法加黑过程有利于产品质量控制,但树脂厂商需具备依据封装厂需求快速调整材料配方的品质管控能力以及批量弹性灵活的生产交付能力。

 

封装结构

 

为了解决LED封装中的散热问题,国内外的业界人士开发了多种封装结构。

 

倒装芯片结构

 

对于传统的正装芯片,电极位于芯片的出光面,因而会遮挡部分出光,降低芯片的出光效率。同时,这种结构的PN结产生的热量通过蓝宝石衬底导出去,蓝宝石的导热系数较低且传热路径长,因而这种结构的芯片热阻大,热量不易散发出去。从光学角度和热学角度来考虑,这种结构存在一些不足。为了克服正装芯片的不足,2001年Lumileds Lighting公司研制了倒装结构芯片。该种结构的芯片,光从顶部的蓝宝石取出,消除了电极和引线的遮光,提高了出光效率,同时衬底采用高导热系数的硅,大大提高了芯片的散热效果。

 

 

微喷结构

 

Sheng Liu 等人提出了一种微喷结构系统来解决了大功率LED的散热问题。在该密封系统中,流体腔体中的流体在一定的压力作用下在系列微喷口处形成强烈的射流,该射流直接冲击LED芯片基板下表面并带走LED芯片产生的热量,在微泵的作用下,被加热的流体进入小型流体腔体向外界环境释放热量,使自身温度下降,再次流人微泵中开始新的循环。这种微喷结构具有散热效高、LED芯片基板的温度分布均匀等优点,但微泵的可靠性和稳定性对系统的影响很大,同时该系统结构比较复杂增加了运行成本。

 

热电制冷结构

 

热电制冷器是一种半导体器件,其PN结由两种不同的传导材料构成,一种携带正电荷,另一种携带负电荷,当电流通过结点时,两种电荷离开结区,同时带有热量,以达到制冷的目的,其工作原理如下图所示。

 

与其他大功率LED散热结构相比,热电制冷结构具有节能,小体积,易于与LED模块集成等优点。目前国内外已有部分学者对大功率LED模块上应用热电制冷结构进行了相关研究。田大垒等人将热电制冷结构应用在LED的散热系统上,并通过实验测试研究LED以及热电制冷器在不同电流下的冷却状况,并测出LED结温,结果表明,采用热电制冷结构的大功率LED陈列模块能够大大降低器件的工作温度,与不采用该结构相比,基板温度能够降低36%以上,该数据表明将热电制冷结构用在大功率LE D模块上是一种很好的散热方式。

 

郑同场等人对采用热电制冷结构的50W大功率LED模组系统进行了散热模拟,LED模组系统结构如下图所示,结果表明在某种程度上采用热电制冷的LED模组系统能使LED结温降低并且使用多级半导体制冷对大功率LED模组进行散热有更广阔的研究价值。

 

Chun Kai Liu等人对大功率LED上采用热电制冷结构也进行了研究,结果表明采用热电制冷结构可以有效地将整个LED系统的热阻降低到0,此外该研究组的成员还对采用热电制冷的1W LED系统进行相关研究,研究结果表明LED系统中含有热电制冷系统结构的光效是没有热电制冷系统结构的1.3倍,可见热电制冷系统对LED的热阻及光效都有重要的影响。

 

封装材料

 

通过上式的分析可以看出界面热阻对大功率LED总热阻的影响很大,减少LED总热阻的要点在于如何减少界面热阻,因而选择合适的热界面材料与基板材料十分重要。

 

热界面材料

 

目前,LED封装常用的热界面材料有导热胶、导电银胶等。

 

(a)导热胶

 

常用导热胶的主要成分是环氧树脂,因而其导热系数较小,导热性能差,热阻大。为了提高其热导性能,通常在基体内部填充高导热系数材料如三氧化二铝、氮化硼、碳化硅等。导热胶具有绝缘、导热、防震、安装方便、工艺简单等优点,但其导热系数很低(一般低于1w/mk),因而只能应用在对散热要求不高的LED封装器件上。

 

(b)导电银胶

 

导电银胶是GeAs、SiC导电衬底LED,具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片LED封装点胶或备胶工序中关键的封装材料,具有固定粘结芯片、导电和导热、传热的作用,对LED器件的散热性、光反射性、VF特性等具有重要的影响。作为一种热界面材料,目前导电银胶在LED行业中得到广泛的应用。如此同时,部分学者对导电银胶在LED中的应用进行了相关研究。郝晓光从导电银胶的导电机理、LED封装用高可靠性导电银胶的性能指标、测试技术等方面的要求得出单组分无溶剂室温贮存散热型导电银浆是目前LED封装的发展方向,具有良好的前景。

 

基板材料

 

通过以上的分析,LED封装器件的某条散热途径是从LED芯片到键合层到内部热沉到散热基板最后到外部环境,可以看出散热基板对LED封装散热的重要性,因而散热基板必须具有以下特征:高导热性、绝缘性、稳定性、平整性和高强度。

 

(a)MCPCB

 

金属基印制板(MCPCB)是在原有的印制电路板粘结在导热系数较高的金属上(铜、铝等),以达到提高电子器件的散热效果。MCPCB是连接内外散热通路的关键环节,它有以下功能:①LED芯片的散热通道;②LED芯片的电气连接;③LED芯片的物理支撑。

 

MCPCB的优点是成本比较低,能够大规模生产,但也存在一定的缺点:①导热系数低,MCPCB的热导率可达到1—2.2W/(m·K)。②MCPCB结构中的绝缘层厚度要适中,既不能太厚也不能太薄。绝缘层太厚增加了整个MCPCB的热阻影响散热效果;绝缘层太薄,如果施加在MCPCB上的电压过高会击穿绝缘层,导致短路。为了提高MCPCB的热导率,李华平等人通过系列实验,将20um到40um等离子微弧氧化(MAO)膜的工艺参数进行优化,将其热导率达到2.3 W/(m·K),因而MAO—MCPCB基板的热阻更低(低于10K/W),从而使得该类型的散热基板在LED行业甚至是普通照明行业中将大露头角。

 

(b)陶瓷基板

 

由陶瓷烧结而成的基板散热性佳、耐高温、耐潮湿、崩溃电压、击穿电压也较高,并且其热膨胀系数匹配性佳,有减少热应力及热形变的特点。因此,陶瓷有望成为今后大功率LED封装中的重要基板材料。目前最见用的陶瓷材料主要有氧化铝、氮化铝、氧化铍、碳化硅等。这些常用陶瓷材料的性能见下表。

 

从上表的数据可以看出,氮化铝、氧化铍、碳化硅这三种材料的导热性比较好,氧化铝的导热性较差,大约是氮化铝的七分之一。但在这三种高导热系数的材料中,BeO有毒性,若不慎将其吸人肺部会引起肺铍病,目前世界上已有部分国家开始禁用该材料;AlN虽然导热系数高,但是技术门槛相对较高,因此价格也比较高;纯的SiC并不是完全绝缘的,要使其完全绝缘必须添加少量的BeO等材料,并且烧制出的SiC介电常数比较高,并不适合做基板材料;Al2O3除了导热性较差之外,成本也比较高,但是其具有机械性能好,制作工艺成熟、成本低等优点。因而,在今后的研发和生产工作中,要想选择合适的陶瓷材料作为基板材料,应综合全面地考虑这四种材料的性质、成本等特性。

 

结束语

 

通过对大功率LED器件的热阻进行分析,并从封装结构和封装材料两个方面进行具体的探讨,得出如下结论:

 

1)在大功率LED封装器件中,要实现低热阻、散热快的目的,封装结构成为关键技术所在,努力寻找更优良的封装结构以提高LED封装器件的散热是今后的热点话题。

 

2)要解决大功率LED封装器件的散热问题,必须选择合适的封装材料(包括热界面材料和基板材料等)。在选择热界面材料及基板材料的过程中,应根据合适的场合选择合适的材料。一般大功率LED封装中使用较普遍的热界面材料是导电银胶,使用较普遍的基板是陶瓷基板。