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市场前沿
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从LED支架结构、材料演变看LED封装发展趋势

发布时间:2014-09-11 浏览:5924次 发布:中国照明灯具网

晶科电子(广州)有限公司 何贵平  陈海英 肖国伟

摘 要  LED支架(Lead Frame)作为LED芯片承载体,其结构及材料的演变随着芯片技术发展和市场需求变化而变化。LED技术发展历程表明:LED支架结构经过了PLCCCeramic再到QFN的演变,LED支架材料经过了PPAPA6T-PA9T-PCT)到EMC/SMC的进化过程。LED支架不同结构域不同材料之间的竞争,共同促进LED封装技术的发展,最终使得LED封装器件朝着体积更小、光通量更高,不断提升lm/$的良性轨道发展。至于目前大热的免封装光源是否会成为LED器件的终极形式,需要继续关注。

关键词 PLCC  QFN Ceramic

 

1前言

    LED照明被成为第四代照明光源,具有节能环保、寿命长、体积小等特点,可以广泛应用于各种指示灯、显示屏、装饰照明、背光源、普通照明等领域。2014LCD显示领域

LED背光源的渗透率也大幅提升,应用涵盖公共照明、商业照明、办公照明乃至家居。在

技术与市场双重驱动下,LED产业突飞猛进,出于核心地位的LED封装器件近年来更是日新月异,各种新结构、新材料层出不穷。如何是透过现象看本质,从LED繁荣的表象下抓住LED器件未来发展趋势,把握先机,占领未来LED领域制高点,是LED从业者迫切需要解决的现实问题。笔者认为,通过考察LED支架结构、材料演变过程从某种程度上可以知晓LED封装发展趋势。

   LED支架作为芯片承载体,既要导电作用又起导热作用,是LED器件不可或缺的关键辅料。为了最大效率提取LED芯片发出的光,提升LED器件可靠性,LED支架结构、材料必须与时俱进。从LED封装技术伊始到现在,LED支架从PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)结构演变为现在的QFN(Quad Flat No-Lead Package)结构,封装器件尺寸日趋紧凑化。

   LED封装器件发展的初期阶段,片面主球技术指标lm/W,大尺寸芯片、大块头封装尺寸比比皆是。然则,科技的发展始终是高效率、低成本为主导,LED也不例外,经历早起非理性发展阶段,LED器件已经从lm/W转向lm/$,性价比成为LED产品的核心竞争力。毋庸置疑,在LED光电转换效率已经概予传统光源的时候,lm/$最终表现在两点,第一是提升LED芯片的能够承受的电流密度,提升单颗封装体的光通量并解决芯片在打电流下使用下效率下降的问题,第二是缩小封装体积,降低封装的物料成本及制造成本。但为了满足日大电流驱动上,依托超电流驱动提升亮度,以降低单位封装产品成本。单颗封装器件的输入功率和发光强度在不断提升的同时,对材料的耐热性能要求也越来越高。因而LED支架塑胶料也经历了PA6TPA9TPCTEMC甚至SMC的由低端到高端到更高端的技术演变过程。

2 LED支架结构

2.1  PLCC LED支架

   早期LED封装领域,1990~2005年间,PLCCPlastic Leaded Chip Carrier)支架为主流结构支架,行业内一般称之为第一代支架。PLCC支架以高导热率的铜、铁、铝等金属合金作为金属基板,金属基板表面及背面电镀银,然后采用射出成型工艺制作支架反射杯。LED支架反射杯要求采用高反光率、低吸光的、耐高温的特种工程塑胶。

   PLCC支架封装光源体积大,金属基板与塑胶之间CTE失配严重,再者PLCC支架采用PA6TPA9T等热塑性塑胶,不适合户外及高温环境使用,应用范围狭窄,可靠性风险大。

2.2  Ceramic LED支架

2005年至今,Ceramic基板支架广泛应用于LED封装领域,业内专业人士称其为第二代LED支架。相对于第一代PLCC LED支架,陶瓷基板LED支架尺寸更小,以其为支架封装的LED光源体积更紧凑,但散热更优。传统氧化铝陶瓷基板导热系数为20~30W/m.K,氮化铝陶瓷基板导热系数高达170W/m.K,可以取代传统K2结构支架用于1W以上功率驱动。此外,相对于PLCC系列LED支架,陶瓷基板支架封装光源具有更高的气密性,LED芯片上表面被硅胶与支架结合界面渗入,尤其适合高湿等恶劣环境,因而陶瓷封装光源在LED路灯光源中大放异彩。陶瓷基板还可以实现高精度加工,适合对精度要求较高的光源,晶科电子享誉业界的异星封装光源,率先在陶瓷基板上实现无金线封装,实现新一代高可靠性、高光效LED器件。

2.3 QFN LED支架

陶瓷基板LED支架具有大电流驱动、高耐热、耐湿性等显著优点,其封装的LED光源具有高可靠性等优势;其劣势在于;陶瓷基板技术复杂,陶瓷胚原材料依赖于国外进口,基板上刻蚀电路需要高精、尖仪器,工艺掌握在少数几家国外及台资企业中,价格高昂,不利于LED推广。性能与价格之间的矛盾呼唤性能上与陶瓷基板相当,但价格却与传统PLCC支架相当的支架,因而QFN支架作为第三代LED支架登上了LED历史舞台。QFN支架最先应用于IC封装领域,一般采用EMCEpoxy Molding Compound)作为塑封料,但IC领域的封装不需要考虑出光,其以机械保护盒气密性为目标,因而多以黑色EMC塑胶为主。应用于LED封装领域的EMC必须考虑出光,以白色塑料为主。

QFN结构支架体积小,EMC塑胶耐热性能强,且EMC与金属通篇见CTE失配小,塑胶与铜片之间结合更紧密。EMC支架封装光源性价比高,可靠性佳,是LED室内照明领域首选光源,2014年其市占率有望大幅提升。

3  LED支架塑胶材料

LED支架用塑胶材料可以分为热塑性塑胶和热固性塑胶两大类,一般而言前者适用于中、低功率LED封装,后者适用于中、大功率LED驱动光源。

3.1 热塑性塑胶

     热塑性塑胶是旨在一定的温度条件下,塑料能软化或熔融成任意形状,冷却后形状不变;这种状态可多次反复而始终具有可靠性,且这种反复知识一种物理变化,称这种塑料为热塑性塑料。热塑性塑料以热塑性树脂主要成分,并添加各种助剂而配制成,种类包罗万象,是门类复杂的特殊工程高分子材料。应用于LED支架领域的热塑性塑胶主要为PPAPolyphthalamide),PPA塑胶呈乳白色,具有较高初始白度,耐热性较强,适合射出成型工艺,在LED封装领域有广泛使用。具体而言,PPA塑胶又可细分为PA6TPA9TPA10PCTLCP5类,各类塑胶材料分子结构、添加剂及玻璃纤维含量不同,功能各有侧重,应用最广泛的为PA6TPA9TPCT塑胶。

3.1.1  PA6T

     PA6TLED支架最先应用的PPA塑胶料,工艺成熟。该塑胶料的有限在于塑胶初始白度高,封装光源光通量高,但耐热性,抗UV性能差,不适合较大功率和室外等恶劣环境使用。PA6T原材料供应商主要有美国Solvay和日本Otuka等。

3.1.2  PA9T

     PA9T是日本Genestar推出的一款高性能PPA塑胶料,该塑胶料目前占据LED支架塑胶料最大市场份额,市场接受度最高。PA9T塑胶料在PA6T基础上实现功能改进,客服了后者不耐UV和高温的劣势。PA9T目前主要有TA112TA113TA104三款,该塑胶适合于0.5W左右中功率LED封装。

3.1.2  PA9T

     PA9T是日本Genestar推出的一款高性能PPA塑胶料,该塑胶料目前占据LED支架塑胶料最大市场份额,市场接受度最高。PA9T塑胶料在PA6T基础上实现功能改进,客服了后者不耐UV和高温的劣势。PA9T目前主要有TA112TA113TA104三款,该塑胶适合于0.5W左右中功率LED封装。

3.1.3  PCT

PCT1.4-CyclohexylenedimethrleneTerephthalate)塑胶料属于PPA类高端塑胶材料,相对于PA6TPA9T其最显著地特点在于优异的耐热性、低吸湿率、抗UV,且价格适中,是1W左右封装光源优选支架。以PCT为支架塑胶料封装的1W2835光源,在直下式TV背光中占据较大市场份额,超高性价比颇受TV青睐。

目前,以实现PCT批量供货的供应商为三星第一毛织,其PCT塑胶牌号多,定位明确,基本覆盖中、高功率LED领域。第一毛织旗下的PCT-2046系列定位于0.5~1W中功率封装光源;PCT-2055适合于1~1.5W封装;其最新的PCT-2060对外宣称最高可以驱动到1.5~2W

PCT巨大的市场容量和明确的应用前景,使得各塑胶材料公司蠢蠢欲动纷纷推出PCT材料,以期寻思占领市场,Solvay就为后来居上典型代表。Solvay PCT-224塑胶料改善了三星第一毛织PCT塑胶料熔融状态流动性差、成型加工困难、塑胶料脆性高等不利因素,同时该PCT耐热性能不下降,已经推出便受到LED支架厂及封装公司的关注,以224PCT生产的LED支架已实现小批量量产。

3.2  热固性塑胶

热固性塑胶是指在受热或其它条件下能固话或具有不容(熔)特性的塑料;热固性塑料的树脂固化前是线型或带支链的,固化后分子链之间形成化学键,成为三维网状结构,不仅不能熔触,在溶剂中也不能溶解,产品性能稳定。应用于LED支架领域的热固性塑胶味白的EMC{Epoxy Molding Compound}EMC成型反射杯与传统PPA塑胶差异大,前者需要采用Molding工艺,设备投入大,资金实力小的厂商无法涉足。日本松下公司看准EMC无法射出成型的劣势,事实推出UPUnsaturated Polyester)新一代热固性材料,UP耐热性能及抗UV均与EMC相当,最大优势在于传统注塑机通过料管改造可以实现注塑成型。EMC/UP LED支架定位于1~2W驱动,若要实现2W及以上更大功率驱动,需要使用SMCEpoxy Molding Compound),SMC塑胶料耐热性及抗UV性能与硅胶相当,但其价格高昂且壮丽掌握在国际大厂中,离广泛应用还有较大差距。

3.3  EMC塑胶料简洁

EMC应用于IC封装领域由来已久,但IC领域的封装不需要考虑出光,其以机械保护盒气密性为目标,因而多以黑色EMC塑胶为主。IC封装领域的EMC塑料要作为LED塑封料,必须进行改性,因为出光了吧是LED最重要参数之一,外观必须由黑色更改为白色,尽可能提高光发射率,降低对光的吸收,同时还要保证产品的可靠性,因而相对应组份必须发生改变。

目前,应用于LED封装领域的白色EMC已经实现商业化的日立化工,客户批量使用的产品型号为CEL-W-7005系列,其最新产品为CEL-W-8000系列,后者在材料初始反射率,耐高温及耐老化性能方面有明显提升。

在巨大的市场应用前景及高额利润驱使下,其他传统EMC塑胶厂摩拳擦掌、跃跃欲试希望打破日立一统天下的局面,个厂家依托其技术优势,奋起直追,取得了可喜进展,目前日本的日东电工、积水化学等公司生产的EMC塑胶料已经送样客户测试,反馈良好,大有后来者居上之势。竞争对手的加入,使得EMC塑胶产品性能提升、产品更新换代速度加快,同时带动价格的下降,客户接受度不断提升,形成良性循环。

3.4  PPA支架与EMC支架对比

PPA支架因其价格低廉,产出效率高,多年来一直是客户最爱,占据LED支架领域最大市场份额。然而,PPA塑胶存在耐热性能差,抗UV弱等劣势,在某些环境恶劣应用场所,如LED路灯照明则无法使用。各塑胶公司百尺竿头更进一步,不断升级塑胶性能,以期达到应用端需求,PPA塑胶因而也经理了PA6TPA9TTA112/113/114等)到PCTLCP等演变过程,产品性能不断提升。然而,不论PPA 如何升级,其热塑性塑胶的本性决定了其耐热性不如EMC等热固性塑胶。

除了EMCPPA塑胶本身心跟性能差异外,EMC支架相对于PPA支架还有以下不同。

   (1EMC支架通常采用蚀刻方式制作金属铜片,因而电路布线精度高。蚀刻精度依铜片厚度不同而不同,比如0.2mm厚度铜片,LED支架蚀刻精度可以达到0.15~0.1mm0.25mm厚度铜片,EMC支架公司不断革新其工艺,最新的蚀刻工艺针对0.2m厚度铜片,蚀刻精度已经可以达到0.2~0.15mm.EMC支架公司不断革新其工艺,最新的蚀刻工艺针对0.2mm厚度铜片,蚀刻精度已经可以达到0.075mm.传统PPA支架冲压精度远逊于蚀刻工艺精度,以0.2mm厚度铜片为例,前者冲压精度在0.2~0.18mm,尽管部分冲压厂表示其冲压精度可达到0.15mm,但工艺并不稳定。

   (2EMC热膨胀系数远小于PPA塑胶,前者与支架铜片结合时,CTE失配导致的内应力也小于后者,因而EMC支架具有更高的可靠性。

3)目前主流的MAP方式制作的EMC支架与PPA支架在封装应用工序差别较大。

4  LED封装发展趋势

更高的性能,更低的价格,最大程度普及的市场,永远是科技发展的主旋律,LED作为新一代绿色光源,承载节能、环保、为地球减负的重任,必须普及,因而性价比成为LED发展必经之路。经过LED发展前期不计成本的投入,尤其是芯片领域补习中金的研发,芯片性能已趋完善,成本趋于平稳,如何提升LED光源lm/$的任务就落到封装结构的创新头上。高lm/$最终落实到提升LED芯片光去除效率,降低封装原材料成本。

LED发展初期,芯片效率低下,要实现较高ml,芯片尺寸必须够大,45mil芯片较长一段时间均为主流尺寸芯片。芯片电、光转换效率低意味着产生了大量的热量,为了科学、合理的平衡光和热,第一代封装带用了PLCC支架,最初的大功率封装采用K2封装结构,封装光源体积大,无聊成本高,单位产出低,LED光源成本圆圆超出普通家庭接受范围,LED光源在政府“十城万盏”项目大力推导下艰难发展。

LED从业人员意识到,缩小封装光源尺寸,降低物料成本、提升LED散热为发展LED有效途径,于是第二代以陶瓷基板为支架的封装光源蓬勃发展。相对于第一代PLCC封装光源,陶瓷基板封装光源单位面积内产品密度大,易于实现全自动化生产,生产效率高,且陶瓷基板耐热、耐湿气、抗UV几乎适用于室内和室外一切照明领域,大有成为“万能光源”的趋势。

然而,LED的发展超出了业界的预期,价格迅速成为LED光源竞争的最大筹码,陶瓷基封装光源成本居高不下,浴室价格更亲民的第三代QFN支架迅速席卷LED封装领域。第三代QFN支架以高耐热的EMCUPSMC等热固性塑胶为支架反射腔,制造工艺与IC支架兼容,IC支架公司携资金、设备及技术的先发优势迅速圈地,对前沿技术敏锐的LED封装公司迅速跟进,引入切割生产线,实现批量化生产,对陶瓷封装光源形成巨大冲击,仅仅两、三年时间,QFN封装光源已经广泛应用于TV直下式背光源领域和室内照明领域,且有进一步扩大的趋势。QFN封装产品左打PPA市场,右攻陶瓷光源市场的格局已经形成。

那么QFN封装结构光源是否是LED封装的终极形式呢,市场需求和技术变革均给出了否定答案。笔者判断,组织QFN封装光源进一步工程拔寨的劲敌已经显现,并有越演越激烈的苗头。

首先,传统PPA塑胶公司不会坐以待毙,眼睁睁看着PPAEMC等吞噬,PPA塑胶公司不断对独角进行配方改良,推出性能更优的新塑胶料,以期与EMC抗衡,利用PPA塑胶明显的价格优势宝珠市场份额,其中PCT塑胶料最先去的突破。三星第一毛织在原有2046HPCT-2060H新材料,初级EMC优势领域,但前者价格远低于后者。2014年广州光亚展就有国内大公司主打PCT大功率驱动封装光源,多数厂商都持关注态势,最终是PCT笑傲市场还是EMC赢家通吃、抑或PCTEMC双雄并立,需要市场大浪淘沙。

其次,免封装光源成为挑战QFN光源的重要一极。所谓免封装光源是指封装器件无专用LED支架,芯片直接与PCB板连接,倒装结构芯片+荧光粉层是免封装光源实现的最简单方式。免封装光源以CSPChip Scale Package)形式呈现,以金锡合金层取代传统银胶、绝缘胶固晶,散热性能大幅提高,芯片与PCB板无金线连接,无短线风险。单颗免封装官员体积小,通常情况封装光源尺寸仅为芯片尺寸的1.2倍左右,单位面积流明密度远高于QFN封装光源。有LED灯具公司给出了QFN和免封装光源的应用对比,相同流明情况下,采用免封装光源,照明模组面积可以缩小67%,缩小的模块易于二次配光,应用前景看好。免封装光源是2014年广州光亚展明星产品,台系LED公司如亿光、隆达、台积电等都退出了免封装光源,国内LED封装大厂如鸿利、易美芯光等借助LED芯片大厂的技术实力与战略合作关系,也展出可免封装光源,这个领域好不热闹。

5  结论

   LED支架结构看,LED封装光源经过了PLCCCeramicQFN的以此演变;从LED支架塑胶材料看,LED封装光源经过了PPAPA6T-PA9T-PCT)到EMC/SMC的进化。无论是LED支架结构还是支架材料的变化均反映出封装光源体积更紧凑、性价比更高为LED未来发展方向。笔者认为;最终是主打性价比的PCT获胜还是主打高性能的EMC取得市场主导权目前趋势不明朗,但不管如何发展,lm/$是最终的裁判。免封装光源异军突起,是否会成为LED光源的终极形式,目前无法给出确切的答案,但有实力的LED公司提前布局进行技术积累才能有备无患。

                   参考文献

1  LEDinside.中国LED照明市场供应链现状综述【C.2011~2015年中国LED照明市场趋势与分析报告:2012年版

2  LEDinside.直下式LED背光渗透率破5成,未来可望持续攀升

3  美国专利.US2008/0187762 A1.

 

责任编辑:ZY    来源:中国LED照明论坛论文集

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