LED簡介及其封裝材料概論

課程內容

何謂LED及其原理

LED的優/缺點及其應用

LED的製程

- 晶粒製程

- 封裝製程

LED用高分子封裝材料

- 透明矽膠材

- 最新的反射杯材料

何謂LED及其原理

LED的分類

三種常見的白光LED

RGB系統

LED的優/缺點及其應用

LED與節能燈及燈泡之比較

LED燈/節能燈/普通白熾燈 瓦數.節能.壽命比较*

燈种 功率 壽命 價格/RMB

LED燈 2w 8W 100000小時左右 25 20-50不等

節能燈 9w 13~15W 1000小時左右 10 8-20不等

普通白熾燈 25w 60W 500小時左右 1 ~1

* :大陸網站資訊，LED燈售價低於台灣。僅供相對價格比較。

LED 優點歸納

1. 半導體發光元件，壽命長。

2. 電光轉換效率高，耗電少，省能源。

3. 點燈、關燈速度快。

4. 光譜窄，單色性極佳，辨識性高。

5. 可固態封裝，耐衝擊、耐震動。

6. 輕、薄、短、小。

LED之優點-環保觀

節能減碳

1度電(1000瓦小時)=>產生625克二氧化碳

40W白熾燈泡 x 10小時/天 x 1年

=> 產生91.25公斤二氧化碳

6W LED燈泡 x 10小時/天 x 1年

=> 產生13.69公斤二氧化碳

LED 缺 點

LED術語

演色性(Ra,或稱為CRI)

演色性是物體在光源下的感受與再太陽光下的感受的真實度百分比。演色性高的光源對顏色的表現較逼真，眼睛所呈現的物體愈接近自然原味。也就是說人類使用人工光源來表現色彩的自然程度，這種逼真的效果稱為演色性。

色溫(Color Temperature)

所謂色溫是表示「光顏色的量」，色温高低計量單位是以 Kelvin Scale，也就是以K為單位，一開始是凱氏於鋼鐵廠內觀察到溶解金屬開始至最高温度時，金屬發亮所呈現的顏色不同，而以數據單位記錄下來，後來就產生色溫的規格表。

紅、橙、黃、綠、青、藍、紫組成了光譜。紅的一端光色習慣叫作暖色或低色溫；光譜藍的一端習慣叫做冷色或高色溫。表示色溫高低的單位是K。陽光加天空藍光的平均色溫是5000-5500K。暖白光是指2580-3500K，冷白光是指5000K-8200K。

演色指數與演色性評價

不同光源的相關色溫度

溫度對LED發光效率的影響

LED 於日常生活的應用 1

應用一：交通號誌市場

應用二：顯示屏 (Display)

- (1) 室內顯示幕應用

- (2) 戶外顯示幕應用

應用三：手機市場

應用四：汽車市場

應用五：LCD 背光源、投影機市場

LED 於日常生活的應用 2

應用六：輔助照明市場

- (1) 攜帶式照明裝置

- (2) 步道用照明裝置

- (3) 緊急照明裝置

- (4) 醫療裝置

- (5) 桌燈應用

- (6) 室內照明應用

- (7) 戶外照明

- (8) 冷藏室照明

LED背光源的應用

LED照明市場規模預測

LED的製程

- 晶粒製程

LED Fabrication

LED的製造

原料： • 基板(Substrate)： GaAs,Sapphire,InP • 有機金屬氣體(MO)如 TMA,TMG,TMI • 其它反應氣體： NH3 • 氫化物(Hydride)如 PH3,AsH3 • 摻質如 CP2Mg, DMZn, SiH4 磊晶環境 : • 高溫(750°C~1100°C) • 低壓(10~100 Torr) 磊晶(Epitaxy)： 於單晶基板上沿特定方向成長單晶晶体， 並控制其厚度及摻質濃度。 基板(Substrate)： 支撐成長之單晶薄膜， 厚度約300~350 µm。 摻質(Doping) ： 摻入P 型(N 型)材料改變磊晶層中主要導電載子電洞(電子)濃度。 發光層(Active layer) ： 發光區， 電子與電洞結合。 緩衝層(Buffer layer) ： 緩衝磊晶層與基板間因晶格差異而造成缺陷。

MOCVD Reactor

CIE色座標

CIE色座標圖是把顏色分為X座標以及Y座標的光線分布，用來定義光線的顏色以及計算的方法。這樣的表示法可以很容易計算不同色光的混光所得出來的結果。

全區域白光色塊

Patterned Sapphire Substrate (PSS)

To Improve LED Light Output

LED的製程

- 封裝製程

LED的封裝

LED封裝結構

LED用高分子封裝材料

- 透明膠材料

LED的分類

LED 種類

瑜出功率

應用範圍

封裝材

一般亮度

LEDs

~ 0.1W

指示燈

文字數字顯示屏

環氧樹脂

高亮度

LEDs

≤ 0.5W

戶外標誌

看板

汽車尾燈

環氧樹脂

矽膠

高功率

LEDs

> 0.5W

照明, 大尺寸視屏

相機閃光燈

汽車前燈

矽膠

為什麼要使用矽膠?

Si

O

Si

O

Si

O

Si

O

Si

O

Si

O

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

• 熱安定性良好，適用於 – 115~260 攝氏度。

• 低模量(low modulus), 一般於斷裂時 < 7 Mpa。

• 低吸濕 (一般 <0.1%)

• 介電強度 > 500 V/mil (0.001 inch) or 20 kV/mm

• 低離子含量 (鈉, 鉀, 氯 & 胺)

• 折射率在 589 nm 波長時可在 1.38 ~ 1.57之間。

• 光學透明度好, 抗黃化效果佳

矽膠之化學特性

典型特牲

環氧膠

C-C-C

矽膠

Si-O-Si

玻璃轉移溫度,

Tg (oC)

> 80

< - 60

熱膨脹係數 (ppm/oC)

45 - 100

120 – 1000

鍵長 (nm)

鍵結角 0.154

109o

0.164

130 -150o

鍵能, KJ/Mol 347 452

矽膠的組成

• 兩劑型或一劑型

• 矽聚合體(高分子)

• 矽交聯體

• 矽催化劑

• 矽膠反應殘餘物

矽膠之選用

• 果凍膠(Gels) – 用於高功率之封裝物和螢光膠

• 彈性體(Elastomers) – 用於側面及正面光源之表面粘著元件(SMD)型LED

• 樹脂(Resins) – 具有高硬度可用於加工成型之封裝。

LED用矽膠材料

產品名 RI 硬度 粘度 (cP) 應用

LS-3357 1.57 Type OO 10 200 透鏡內充填膠

LS-6257 1.57 Type A 35 150-300 矽膠彈性體

LS-3354 1.54 Type OO Type OOO

10 55-60 3,000-4,500 透鏡內充填

LS-3252 1.52 Type OO 10 300-500 透鏡內充項矽膠

LS-3351 1.51 Type OO Type OOO

10 55-60 5,000-7,000

螢光膠 透鏡內充填

LS1-6941 1.41 Type A 40-60 30,000-80,000

透鏡成型矽膠

CSM-2615-9 1.41 Type A 75-85 25,000-30,000

射出一體成型 (透鏡+內膠充項)

LS-6140 1.40 Type A 40-60 2,500-4,000 矽彈性體

LS3-3200 1.41 1 提高矽膠黏著

SP-9541 1.41 1 提高矽膠黏著

LED的矽膠封裝

摻有螢光粉之(矽膠彈性體)

基板

透鏡(矽樹脂)

螢光膠(果凍膠)

果凍矽膠封裝材

成型後之矽樹脂

支架和 PPA基材

主要用途: PC Lens下填充透明膠 產品優點: 可以室溫固化,預防與Lens脫層 黏度(混合後) : 3,000 – 4,500 cP 折射率 : 1.54 硬度 : Type OO 10 / Type OOO 55 - 65 透光度 @ 400nm : > 90% 可用時間 : 90 minutes 固化時程 : (參考值) •24hrs RTV

信賴性 : 1,000 hrs WHTOL

果凍膠

Note:

Above properties may change, please refer to NuSil’s technical support.

矽樹脂膠

主要用途: 外膠射出一體成型,Lens射出成型 產品優點: 高透光度,高材料強度,低收縮率 黏度(混合後) : 25,000 – 30,000 cP 折射率 : 1.40 – 1.41 硬度 : Type A 75 - 85 透光度 @ 400nm : > 90% 可用時間 : 極長 固化時程 : •射出成型 :30-45secs @ 160°C 模溫 •非射出成型 : 60mins @ 150°C

Note:

All the above are target properties, final product properties may differ.

主要用途: 提昇矽膠在特定基板的黏性 產品優點: 操作容易,助黏性廣,不易黃化 黏度 : 1.0 cP 折射率 : 1.40 – 1.425 閃點 : 17°C 溶劑種類 : VM&P Naphtha 操作方法: 噴塗方式較佳

噴塗後,室溫& 50%RH下,靜置30mins.

光學級助黏劑

Note:

Above properties may change, please refer to NuSil’s technical support.

射出成型實作樣品

K1,K2 支架型產品

SMD型 5050產品

產品提供/ 台灣RIVA

矽膠之硬化(交聯)反應

環狀物 高分子

Part A (白金傕化剷)

Part B (交聯體)

硬化後之

矽膠

樹脂

矽膠組成分子 LED用矽膠 組成分子 優點 缺點

果凍膠

Gel

高分子(聚合體)

+ 交聯劑

+ 傕化劑

柔軟性佳， 低模量。內應力非常之低。

不具彈性體特性，機械強度差

彈性體

Elastomer

高分子

+ 樹脂

+ 交聯劑

+ 催化劑

樹脂加強其強度及韌性。

運用性及加工性佳，但其在熱衝擊試驗時產生之內應力可對導線造成影響。

樹脂

Resin

樹脂

+ 交聯體

+ 催化劑

高硬度及高韌性。表面不沾黏。

熱衝擊測試時產生很大的內應力。

矽膠之物理特性

• 硬度 (以硬度計/Durometer測之)

– 與彈性係數(模量)相關，為熱衝擊試驗時內應力的指標。

• 熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)

– 與硬化後矽膠的膨脹和內應力有關。

• 其他特性

– 介電強度， 伸張強度，吸濕度…等等；均為重要物性，可影響材料的加工和成品件的功能表現。

硬度計 Durometer

• OO型 (Type OO) => 果凍的硬度

– 適用於螢光膠和透鏡下充填之用

• A型 (Type A) => 橡皮擦的硬度

– 適合封裝及孔穴充填。

• D型 (Type D) => 橡膠鞋跟的硬度

– 適用於透鏡及高硬度封裝

硬度轉換表 SHORE DUROMETER CONVERSION CHART

A

B

C

D

O

OO

100

85

77

58

90

76

59

39

80

66

47

29

84

98

70

56

37

22

75

95

60

47

28

16

69

93

50

37

20

12

61

90

40

27

14

8

53

86

30

17

9

6

42

80

25

12

35

76

20

6

28

70

15

21

62

10

14

55

5

8

45

Source:DSM

硬化後矽膠的熱膨脹係數

• 矽膠在未硬化前會膨脹。

• 低模量矽膠能吸收熱衝擊時所產生之內應力。

光學矽膠

硬度

RI @ 589 nm 熱膨脹係數

(ppm/0 C)

果凍膠 10 “00” 1.52 440

彈性體 35 Type A 1.57 390

樹脂 60 Type D 1.57 200

矽膠之接著力

• 低模量果凍膠之接著力難以剪應力方式測之。

• 接著力與基材表面的清潔度極為相關。

• 表面處理可以活化基材表面，增加接著力。

• 有些材料使用化學品為接著促進劑。

• 底漆(Primer)為外用之接著促進劑。

增加接著力的方法

• 磨擦: 增加表面積(表面粗度), 機械性卡牢

( mechanical interlock), 去除表面氧化層。

• 清潔基材表面, 去除表面之氧化層或污染物

(如切割油…等等)

• 使用底漆 (Primer)

• 添加接著促進劑。

• 表面化學處理: 可用火焰 , 電暈(corona),

電漿(plasma)處理基材。

常用基材的種類

• 陶瓷

• 環氧和其他有機聚合體

聚醯胺 (Polyamide)

聚碳酸酯 (Polycarbonate) 壓克力 (Acrylic)

聚鄰苯二甲醯胺 PPA (Polyphthalamide)

優點

耐熱性良好。高溫下仍有強度

強度及物性好。

抗化學性佳。

相對下較少吸濕。水份吸收對特性影響小。

尺寸安定性良好。

低成本。

可回收。

缺點

天生不具耐燃性。

需要良好乾燥設備。

高溫加工性。

回收料影響品質。

添加劑可能延緩矽膠硬化反應和接著性。

常用其他基材的種類

• 鋁 (Aluminum)

• 鈦 (Titanium)

• 不鏽鋼 (Stainless Steel)

• 銀 (Silver)

• 金 (Gold)

• 矽晶片 (Silicon)

• 其他

表面處理對接著力的影響

光學特性 – 折射率 (R.I.)

環氧樹脂的折射率 : ~1.5。

矽膠的折射率:

- 甲基系 : 1.4 以上

- 苯基系 : 1.5 以上

高折射率 => 高光透出 => 高亮度。

含苯基之分子鏈在高溫下會老化斷鍵，造成膠體的黃化現象。

NEAR INFRARED WAVELENGTHS

Optical Absorption vs. WavelengthLightspan Optical Thermoset

LS-6257 Lot# 20922-0313

Wavelength (nm)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

Op

tica

l A

bso

rpti

on

(d

B/c

m)

0

1

2

3

4

5

0

1

2

3

4

5

VISIBLENear UV

1300 nm 1550 nm1064 nm

Op

tica

l A

bso

rpti

on

(%

/mm

)

光學吸收和波長的關係

Refractive Index vs. Wavelength (25oC)

Lightspan Encapsulation GelLS-3252 Lot# 11031-0313

Wavelength, (nm)

400 600 800 1000 1200 1400 1600

1.50

1.52

1.54

1.56

Refr

acti

ve In

dex, n

, at

25.0

C

1.50

1.52

1.54

1.56

Dispersion curve fit:

n = 1.495 + (1.096e+4)-2

+ (-1.660e+9)-4

+ (2.072e+14)-6

Measured Data:

(nm) n

411 1.5443589 1.5174833 1.50751306 1.50081550 1.4987

NEAR INFRARED WAVELENGTHSVISIBLENear UV

1300 nm 1550 nm1064 nm

折光率和波長的關係

• 矽膠的典型熱膨脹係數為 - 4x10-4/C.

• 每增加 25C 折光率減少 0.01

20 25 30 35 40 45 50 55

1.48

1.50

1.52

1.54

1.56

1.58

1.60

1.62

1.48

1.50

1.52

1.54

1.56

1.58

1.60

1.62 Linear Regression Fit forThermo-optic Coefficient (dn/dT):

(nm) dn/dT

411 - 3.92 x 10-4

/oC

589 - 4.07 x 10-4

/oC

833 - 3.58 x 10-4

/oC

1306 - 3.65 x 10-4

/oC

1550 - 3.11 x 10-4

/oC

Refractive Index vs. Temperature, 5 'sLightspan Encapsulation Gel

LS-3252, Lot# 20423-0417

Ref

ract

ive

Inde

x

Temperature (oC)

折光率和溫度的關係

粘度 - I

• 高粘度或低粘度

– 光學級透明矽膠

– 可以製出粘度在 200cP ~ 2,000,000cP 之間.

– 高粘度表示韌性較好，抗剪應力強度好。

– 製程、加工方式和設備機臺，決定使用粘度。.

• 點膠(Dispensing)

• 模注成型(Molding)

粘度 - II

• 1cp 水

• 100cP 機油 (SAE 10)

• 2500cP 糖漿

• 10,000cP 蜂蜜

• 50,000cP 蕃茄醬

• 250,000c 花生醬

粘度 - III

高粘度

>50,000 cP

不易點膠及除泡。

可射出成型。

中粘度

2,500 – 10,000 cP

適用於LED封裝, 模注成型和孔穴充填。

容易點膠(dispense)。

適合螢光膠。

低粘度

< 2,500 cP

適合空隙填充。

不適用於螢光膠。

容易除泡及點膠。

100

200

300

400

500

600

700

800

900

10000

:00

1:0

0

2:0

0

3:0

0

4:0

0

5:0

0

6:0

0

7:0

0

8:0

0

9:0

0

10:0

0

11:0

0

12:0

0

13:0

0

14:0

0

15:0

0

16:0

0

17:0

0

18:0

0

19:0

0

20:0

0

Elapsed Time (hours)

Vis

co

sit

y (

cP

)

20C cure

25C cure

30C cure

35C cure

40C cure

在不同溫度下 粘度與時間的關係

LED矽膠應用概論

光學矽膠

硬度

基材

功率 應用

透鏡內充填

果凍膠

非常軟

晶片, 金, 銀, 透鏡, 支架上之塑材(PPA)

高功率 70 “000”

正面或側面光源用LED

35 - 60

Type A

PPA

低~中

透鏡與支架

一體成型

50 A to 80 D

PPA, 矽膠, 陶磁, 鋁

低~高功率並且可包含 COB

個別成型的透鏡

60 A to 80 D

None

高功率，但RI是決定因素

生產線上的考量

• 硬化前的粘度

– 時間與溫度

– 點膠(dispensing)

– 模注成型(molding)

– 混合(mixing)

– 除氣泡

硬化

• 線上使用時間

• 硬化抑制

• 全硬化

良好的混合是最基本的要求

• 長的分子鏈需要良好的混合。

• 與矽膠接触的所有材料與物件(包括攪拌, 混合和

點膠設備)，先行進行材料相容性測試。

• 攪拌時的壁上物必須時常導入再混合。

維持混合比的重要性

• 1:1 的重量或容積比 (誤差小於 +/- 0.2%)

• 通常使用重量比 。除非材料是裝在雙管並列器中(side by side cartridge)。

• 雙管並列器必須以點膠槍來進行點膠。

• 小量混合需要更精準的量測。

• 不準確的混合比將造成硬化不完全 (或不硬化)，成品硬度不夠。

10克以下的混合，必須精確到小數點第二位， 0.01 克!

小量混合的建議

• 不做總量10克以下的混合。

• 使用校正過的天平，精準度至0.01克。

• 如果使用50克的雙管並器, 將雙劑膠擠出混合後，放入另一容器待用。

• 混合後之矽膠不用時要在 -40°C儲存。

除泡

• 在製程有許多將空氣導入矽膠的機會:

– 人工混合 => 導入空氣多。

– 高速混合 => 導入空氣量極少。

• 高粘度材料 – 除泡困難。

– 使用高速混膠。

• 除泡:

– 抽真空 => 30 托爾(Torr) = 30 毫米汞柱的壓力。

– 離心攪拌脫泡

除泡的建議

• 去除混合端起始物。

• 點膠時由下至上填充。

• 從設計上避免氣泡殘存於元件內。

• 如果充填時氣泡總是無法避免，考慮改變膠的粘度。

• 使用階段式硬化:

– 典型階段式(漸進式)硬化:

– 1 小時 @ 25°C

– 30 分鐘 @ 70°C,

– 15 分鐘 @ 150°C

清潔的必要

• 為良好接著的必要條件。

• 清潔基材:

– 電漿清潔法。

– 先以丙酮清潔，再以 IPA清拭。

• 異丙醇(IPA, Isopropyl Alcohol)

– 使用含水量少的電子級異丙醇。

避免硬化抑制反應

• 當白金的催化反應功能喪失時，硬化反應即被抑制。

• 造成硬化不完全或不硬化。

控制你的製程

• 事先進行材料相容性測試 – 可省事省時少麻煩。

• 使用証人試片(Witness Strip/Sample) – 純矽

膠(‘silicone only’)試片與封裝後的元件進行

平行測試。

• 檢視不同批號材料之間硬化時間和粘度的差異。

• 漸進式硬化有助於減少氣泡的產生，並增加接著

性。

• 新批號產品進行線外測試。

LED用高分子封裝材料

- 最新的反射杯材料

傳統式LED支架

PPA黃化問題

為何要以EMC和SMC取代PPA?

PPA在高溫下長時間使用後會產生黃化及老化現象.

白光是由藍光經黃磷光粉激發而得，而藍光波長接近紫外光，易造成PPA反射杯劣化。

PPA含不飽合雙鍵易在紫外光下劣化。

選用不含雙鍵的矽膠化合物(SMC)或環氧膠化合物(EMC)可有較佳抗黃化表現。

抗黃化表現 :

SMC > EMC > PPA.

SMC對比PPA -反射率表現

After Molding 190C x 2 min. 260C x 15 min.

SMC - 300°C Aging Test

EMC Versus SMC

EMC預先成型LED用金屬支架

Transfer Molding (移送成型)

EMC Pre-Molded Frame (Application : up to 1W LEDs)

SMC Pre-Molded Frame (Application : up to 3W LEDs)

Leadframe Structure

EMC Pre-Molded Frame

Compounds Properties Comparison

Thank You

參考資料

LED基礎知識教程 -瑋群光電

藍光LED晶粒製程簡介 - pdffactory.com

LED封裝製程 -總合研究所

LED製程及關鍵材料簡介 -三聯科技

LEDinside

LED用矽膠封裝材料簡介 -科揚企業

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