1、大功率LED COB封装用硅胶性能,科技部2009年启动十城万盏半导体照明应用试点示范工作

优质光效,大量能源和电力的节约 LED 让这一切成为可能。LED
是家居中的明星,它不仅可以作为特殊品味的氛围光,还可以用在厨房和浴室中,提供首尾相连的高度舒适和便利的节能解决方案。

中国科学技术部22日下午在北京向媒体通报半导体照明科技发展情况说,据统计,中国半导体照明产业规模从2003年90亿元人民币增加到2012年的近2000亿元人民币,年均增长超过35%。

LED
COB封装是指将LED芯片直接固定在印刷线路板上,芯片与线路板间通过引线键合进行电气连接的LED封装技术。其可以在一个很小的区域内封装几十甚至上百个芯片,最后形成面光源。与点光源封装相比,COB面光源封装技术具有价格低廉、节约空间、散热容易、发光效率提高、封装工艺技术成熟等优点。

这儿我是人,我可以当之无愧!

同时,中国已成为全球LED封装和应用产品重要的生产和出口基地。民营企业成为产业主力军,产值超过10亿元人民币的企业数量不断增多,19家以LED为主营业务的公司上市。

由于散热性能优越及制造成本低廉,COB封装LED光源受到很多封装企业的热捧。对于大功率COB封装,散热是影响其长期可靠性的至关重要的因素。COB封装产品结点温度升高会降低LED的整体效率,降低正向电压,导致发射光红移,降低使用寿命及可靠性。

歌德这句话听上去似乎正是为家这个私密空间而写因为无论是租住还是自有的住宅,最重要的是可以带来安全感,和按照个人风格进行布置。

半导体照明(包括发光二极管LED和有机发光二极管OLED)是目前已知最高光效的人工光源,不仅可应用在照明领域,也可广泛应用于显示、指示、背光、交通、医疗、通讯、农业等领域,其节能潜力巨大,被称为照明光源的又一次革命。

LED的散热研究主要包括3个层次:封装、基板和整体层次。在解决大功率COB封装的散热问题时,大多数研究者是先提出结构模型,并通过软件模拟一定条件下整个封装结构的散热过程及各部位的温度,再进行实验验证模拟结果。此外,影响大功率COB封装性能的一个重要因素是封装胶的性能。

完美的是,现在 LED
可以为各种风格和各种品位的房间提供合适的解决方案。这小小的二极管,可以适用于各种环境氛围从极简主义包豪斯到舒适乡村风提供了最大的灵活性,却只带来最低的能耗。

科技部高新技术发展及产业化司司长赵玉海表示,通过国家科技计划长期研发支持及相关政策支持,中国半导体照明产业发展步入快行线,已形成较完整的技术创新链和产业链。

1、大功率LED COB封装用硅胶性能

图:一个雅致的户外解决方案,采用轻薄设计的透明材质的吸顶灯,防水等级为
IP44。每个灯具的功率约为 9W, 能轻松替代 50W 卤素灯。

科技部2009年启动十城万盏半导体照明应用试点示范工作,37个试点城市已实施示范工程超过2700项,应用LED灯具逾700万盏,年节电超过21亿度。在十城万盏带动下,建成厦门、上海、大连、南昌、深圳、扬州、石家庄等15个半导体照明产业化基地,初步形成有一定配套能力的产业集群。

目前市场上可用于大功率LEDCOB封装的硅胶种类繁多,其中数量较多的是国产硅胶,其主要优势是价格低廉。下表1对比了目前市场上部分硅胶的性质。

图:可移动的 LED 灯具,非常灵活,让整个房间都沐浴在色彩斑斓的光线中。

他介绍说,北京奥运开幕式上的画轴、春晚舞台背景、天安门广场LED显示屏等均应用半导体照明,北京奥运建筑水立方首次实现世界上最大规模的全彩色可变场景LED景观照明,节电70%以上;北京人民大会堂半导体照明项目改造后,平均节电率75%以上。

从上表1中可以看出,硅胶的折射率可分为两个主要档次:低折射率和高折射率。在封装过程中使用高折射率的硅胶可以有效减少光子在界面的损失,从而提高光源的光通量。

图:玄关的 LED
方案:吸顶式安装在天花上的灯具,既有直射往下的光,也有照亮天花和墙壁的二次反射光。靠近地面的壁灯补充了空间的亮度。

中国国家半导体照明工程研发及产业联盟秘书长吴玲称,目前,因为价格昂贵,半导体照明还只能在工业、工程上推广应用,目标是2015年进入普通家庭。

另外一个影响硅胶性能的重要参数是透光率。从表中看出,大部分封装硅胶的透光率都能达到98%以上,其中道康宁公司的OE-6550硅胶的透光率达到100%,且折射率达到1.543,固化条件简单,只需在150℃固化1h即可,耐温范围宽,性能上具有很大优势,但缺点是价格昂贵。

图:LED 台灯为人们的工作和学习提供了高能效的灯光。

对比性能还可以看出,很多国产硅胶的性能已经接近于道康宁的这款产品。也有一些商家称其硅胶完全可以取代OE-6550硅胶用于LED的封装。

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各式各样的家居LED

2、大功率LED COB封装的研究进展

纯粹主义者很高兴 LED
符合形式追随功能这句格言,跟建筑风格与家具匹配时,它们让生活变得更简单。

COB集成式封装相对于单颗分立式封装具有更好的散热性能,主要是由于COB封装是芯片直接将热量传导到基板上再通过基板传导到外壳。而大功率COB封装中,多个大功率芯片近距离地集成在一起,散热问题还是要首先解决的问题。针对这点,国内外众多研究者在软件模拟的基础上对COB封装散热进行了研究。

细长的灯带可以安装在吊顶天花或墙壁灯槽里,散发出光来;极简的 LED
筒灯可以照亮整个餐桌;找平安装的嵌入式射灯光线可以直射楼梯踏步、突出画作和雕塑。

兰海等利用有限元热仿真模拟的方法对COB封装过程中常用的金属基板和陶瓷基板进行分析,得到的结论是,利用陶瓷基板作为封装材料的热阻是金属基板热阻的1/2,并且陶瓷基板还具有更大的热管理优化空间。

LED 灯带可以提供均匀、连续的光线,由于其尺寸较小,也比 T5
灯管更适合安装在较窄的天花灯槽和墙壁暗槽里。其相对于传统灯管的优势:

马建设等利用TracePro软件仿真和实验在同时考虑荧光粉涂覆方式和反光杯结构的条件下分析了影响COB封装LED发光性能的主要因素,研究结果表明,利用角度为30、杯深略大的圆锥形反光杯进行封装,产品发光性能较好,采用荧光粉远离芯片的方式涂覆荧光粉可使其发光效率提高5%左右。

1、连续、均匀;

李伟平等提出一种新型COB自由曲面透镜封装结构,采用TracePro对该结构进行模拟,结果表明,器件可实现特定的光学分布,并且出光效率高于90%。

2、长度可剪切,灵活;

姜斌等提出了3种LEDCOB封装方法,封装结构分别为COB-Ⅰ、COB-Ⅱ和COB-Ⅲ,示意图如下图2。有限元模拟和实验测量结果表明,COB-Ⅲ的芯片结温比COB-Ⅱ、COB-Ⅰ分别低21.5℃和42.7℃,热阻分别低25.7K/W和58.8K/W,而且COB-Ⅲ光衰也更小。

3、适合更小的安装空间;

Hsueh-HanWu等提出了5种不同芯片间距的大功率COB封装形式,其中最大芯片间距为2.5mm,CFD软件模拟和实验测定结果表明,芯片间距越大,结温越低、光通量和发光效率越高,并且结温最大值与最小值之间相差3.12℃。

4、更多功率可选择,节能;

Jae-KwanSim等提出采用低温共融陶瓷进行LEDCOB封装以提高其热性能,在LED芯片与金属基板之间没有绝缘层,实验对比分析了它与SMD-COB封装形式的性能参数,结果表明:LTCC-COB封装的电致发光峰值强度是SMD-COB封装的1.75倍;LTCC-COB封装及SMD-COB封装的封装表面与空气之间的热阻分别为7.3K/W和7.9K/W。

5、寿命更长,后期维护简单;

2013年ChangKeunLee等也研究了LTCC-COB封装的散热性能,其LED封装结构是将低温共融陶瓷直接安装在金属基印刷线路板上,采用有限体积数值模拟法研究了LED模组的热性能,软件模拟的结果与实验结果一致,结果表明:整个基板的热阻有49%~58%来自于MCPCB的热阻;实验建立的模型克服了传统LTCC大功率LED模组热阻大的缺陷。

6、色温可选多,有变色型产品可选。

YuHui等研究了一种新型的LED晶圆级COB封装形式,该封装形式使用微玻璃泡帽和硅基片作为封装材料。系统地研究COB的封装过程,包含以下步骤:①准备好带有引线的硅基片;②利用焊线设备将LED固定在硅基片上;③荧光粉均匀地涂覆在玻璃泡帽的内球面;④在球形玻璃泡帽内填满硅胶;⑤将固定在硅基片上的LED封入球形玻璃泡帽内。实验结果表明:该形式的COB封装实施成功并且封装的芯片具有良好的热性能和发光性能。

手绘作者:叶蓝萦

FengWeifeng等开发了一种能直接利用100V交流电的大功率陶瓷COBLED模组,该模组中有40颗LED芯片使其可直接在110V交流电下工作。

色彩爱好者喜欢光与色彩之间好的转换关系,而LED可以变化出1600万种色彩。他们知道,缤纷的光会促进人体分泌一种让人快乐的物质。而仅仅一秒,遥控就可以将客厅理性如水的蓝色变成热烈如火的红色。

Ming-TeLina等提出一种可用于大功率光电半导体封装的W5II型LED垂直封装结构,对其热模拟结构、制造工艺和热性能进行了计算,用热阻的测量值表征W5II的散热性能,同时还测定了其光电特性,结果表明:W5II优良的散热性能可以用来提高大功率LED封装的可靠性和耐热疲劳性。

如果想要在天花或墙壁上撒满自己喜欢的颜色,就需要高强度的 RGB 泛光。移动
LED
灯具是永久安装灯具一个非常实用的替代方案。他们可以在任何你想要的地方撒下彩色的光斑。

Ray-HuaHorng等设计了一种双层散热LED封装结构,第1层是利用杯状薄铜片散热,通过铜片和蓝宝石直接接触以增强芯片散热,第2层是采用AgSnCu合金焊料和高热导率的MCPCB,再用一层薄的金刚石层代替传统的绝缘层,实验结果显示:添加的复合焊料对降低LED热阻具有很好的效果,同时避免了热量集聚的现象。

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WangC.等介绍了一种LED模组封装结构的制造方法,该封装方法是将反射层和电极互相连接的硅基封装模式,该反射层由在SU-82075和4620上镀Ni/Au/Ag组成阴极和通过镀Cu/Au并连接电极于一体组成,LED芯片产生的热量通过金属电镀层直接散发到硅衬底上。

健康、高效及长寿命

YinLuqiao等设计、制造并研究了以氮化铝、铝和氧化铝为基板材料的多芯片LED模组,采用有限元法和电试验法评价了该LED模组的热学性能,软件模拟和实验结果均表明:以AlN为基板的LED模组热学性能优于其他两种基板材料,并且发光性能最好。

环保主义者并不是唯一喜爱这种拥有众多可持续发展的绿色特质的 LED
解决方案的人。

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相比于白炽灯,他们节省了80%的能量,减轻了环境及家庭预算两方面的压力。对于超低能耗的被动式住宅来说,LED
的低能耗是一项特别重要的优势。

3、大功率COB封装存在的问题

图:相同光照情况下白炽灯、节能的、LED等数据比较。

COB技术经过一段时间的沉静,现在又逐渐被很多厂家应用,但还存在一些亟待解决的问题。

手绘作者:叶蓝萦

基板的选择:基板的散热性能对整个封装体系的散热起到关键作用。目前COB所用的基板主要有两大类:铝基板和陶瓷基板。铝基板较便宜,散热性能较差;陶瓷基板较贵,散热性能较好。此外,这两种基板还具有其他一些性能差异。封装企业选择这两种基板时需要考虑的因素较多。

提到灯具更换或处理,由于 LED
有5万小时及以上的使用寿命,所以是不成问题的。如果每天点亮3个小时,那么他们的使用年限不少于45年。而相比之下,一个白炽灯,只有不到一年的寿命。

封装胶的选择:封装胶对于COB封装及其他LED封装形式都有很大的影响。目前性能较好的硅胶已经逐步替代原来多数厂商会用到的环氧树脂胶,尤其是大功率LED封装,有机硅树脂已经成为众多封装厂商的首选。但是市场上硅胶种类繁多,性能、价格也有很大差异,要选择一款适合自己的封装胶需要考虑的因素也很多。

另一个环保方面的优势,二极管与节能灯不同,它不含水银,所以在寿终正寝时也不必像对待特殊污染物来那样处理它。

芯片的选择:芯片不仅与整个LED的光效有关,还与散热有很大关系。在芯片选择上,有很多企业甚至是研究人员并没有充分考虑芯片与荧光粉、封装胶的匹配、芯片与基板的匹配等问题。

译者注:被动式住宅起源于20世纪90年代的德国著名金融中心城市法兰克福。这类住宅使用超厚的绝热材料和复杂的门窗,主要通过住宅本身的构造做法达到高效的保温隔热性能,并利用太阳能和家电设备的散热为居室提供热源,减少或不使用主动供应的能源,即便是需要提供其他能源,也尽量采用清洁的可再生能源。

整体散热结构的设计和运用:从前文可知,可用于COB封装的散热结构很多,不过这些结构的设计都是根据最初所提出的散热结构改进而来的。在实际生产中要运用这些散热结构还有很多需解决的问题,比如该结构的散热性能能否达到预期效果,散热结构加工的工艺复杂程度,散热结构的制造成本与客户的接受程度是否一致等等。

LED 在照明质量方面也令人信服。采用暖白色温,和很好的显色性,LED
创造了更清新、自然的光。二极管从最初被点亮的那刻起,便100%的释放光亮。即使频繁地开关,例如用运动检测器控制,也丝毫不会缩短光源的寿命,这与节能的荧光灯不同。

4、建议和展望

34>余下全文

针对COB存在的问题,提出如下解决建议:

家里家外的 LED

基板:企业要根据选择的封装芯片和产品的定位来选择生产中所用到的基板。不同的芯片需要与不同的基板匹配才能有较好的散热效果。最好的做法是根据芯片类型及发热情况定制基板。从目前企业的应用情况及研究进展来看,陶瓷基板性能比铝基板更好。如企业定位的是高端产品,可选择陶瓷基板。此外,市场上也出现了一些新型基板,如铜基板、镜面铝基板及镀银铝基板等,也可以选择使用。

在新的建筑里,集合 LED
与灯光控制系统的照明设备可以极大可能地给人们带来效率、便利与舒适。

封装胶:首先,要进行市场调研,充分掌握市场上封装胶的性能和价格差异。再者,要对采购的封装胶进行实验,便于更好地了解胶的性质,特别是对于一些价格相对较低的胶要进行实验全面评估其性能。而且对不同批次的胶也要进行实验,以确定最佳的使用条件。

举个例子,使用建筑控制系统,人们可以定义整栋建筑的各种场景氛围。从清晨的明快到夜间的温馨,居住者可以在任何时候任何区域选择不同的氛围,而这一切只需要按动遥控。

芯片:研究人员需要在充分掌握芯片与荧光粉、封装胶及基板的匹配性基础上,对芯片性能进行全面评估。要对拟采用的芯片进行实验,对比各类芯片在与荧光粉、封装胶及基板的匹配上是否能达到所需要的光效及散热性能。在综合评估之后才能使最终使用的芯片达到最佳的效果。

已装修的房间里,并不需要很大的翻新工作,就可以更换为 LED
照明。一种方式是使用明装或嵌入式的 LED
筒灯,不管是在室内还是室外,它们都被大量使用。另一种是使用移动式的灯具,在房间里找个地方放置它应该不是什么难事。厨房和衣柜就可以使用柔性
LED 模块。

结构:如果企业具有水平较高的研究团队,可以尝试自己研究特殊的散热结构并申请专利。这样不仅可以防止他人仿制,还能增加自身产品的竞争优势。如果想降低成本,可以考虑使用传统的封装结构,选择适合的材料,也能保证产品质量。

人们也可以轻松地使用节能的 LED 替换现有灯具的旧光源。现有的 LED
灯有螺旋及插口的灯头,各式各样的白光,彩色光,甚至可以变化颜色。一个 60W
的白炽灯,在数秒内便可以被更换成 LED
灯,相同的光通量,却只消耗8W的电量。

近年来,COB封装特别是大功率COB封装得到了长足的发展,产品在市场上占有了一定份额。只要企业在实际生产中不断改进产品性能,COB产品将会成为LED封装产品的重要组成部分。

图:浴室内内置变压器的 LED
壁灯散发出令人愉悦的均匀光线。轻薄的灯头可以朝前或朝任一角度摆动。

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图:LED 的紧凑设计为崭新的、细小的灯具铺平了道路。餐厅上方的 LED
吊灯高度可调,宽度不足5厘米,散发出足够强度的光,却只消耗少量的电能。

举例:三居室公寓节能对比表

就家居照明而言,LED
的高效不仅体现其照明的质量上,也因为它节省很多的电能,降低了电费成本。

以下以58平米的三居室四年用电为例。

图:58㎡的三居室4年用电,LED 可以节省1112欧元。

图:某网家居频道制作的《LED 灯如何帮你一年省电费40多元?》。

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