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LED封装材料的应用现状和发展趋势(下)

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2018-10-09 作者: 冯亚凯 谭雨涵 来源:奔驰娱乐网 浏览量: 网友评论: 0
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摘要: 国产封装材料近年的发展已经取得不俗的成绩,相较10年前市场主流进口材料价格,固态环氧树脂已下降约50%、有机硅胶水价格下降得更多。国产材料已经基本满足通用器件的封装要求。相信随着国家半导体及光电产业的振兴,封装材料事业会迎来更新更快的发展。

  冯亚凯 天津大学化工学院教授

  《2018奔驰娱乐产业*奔驰娱乐白皮书》关键材料 顾问

  谭雨涵 北京十三中学

  2.5 细分市场五:高端*奔驰娱乐五面出光CSP

  中大功率LED通常采用有机硅橡胶及树脂做封装材料,有机硅材料的Si-O键能比环氧树脂骨架的C-C键能高,能够保证材料抵抗蓝光衰减。按折射率划分,有机硅材料分为1.41折射率的硅橡胶材料、1.46折射率的中折橡胶树脂复合材料、1.52折射率(及以上)的硅树脂材料。折射率的提高与有机硅分子骨架侧链的苯基含量有关,苯基含量越高则折射率越高,高折射率封装材料有利于LED的出光。

  有机硅材料对比环氧树脂材料的劣势是其粘结力和“透氧率”。有机硅树脂分子链缺乏极性分子基团,无法达到环氧树脂的粘结强度;同时,有机硅材料分子链密度比环氧树脂疏松,氧气可以透过封装层进入芯片表层和金线焊点。

  材料厂商不断通过分子设计、增粘剂设计、环氧有机硅复合等技术改善有机硅封装树脂的粘结力和降低透氧率,道康宁(现DOW化学)、信越化学、康美特、德邦先进硅、慧谷等厂家的技术能力及产品市场占有率居领先地位。随着倒装芯片的兴起,基于倒装芯片的CSP封装方式由于散热结构好、出光效率高、色温一致性强等优点,在电视背光、车奔驰娱乐、闪光奔驰娱乐、智能及健康*奔驰娱乐领域得到大量开创性应用。CSP的概念是封装后LED奔驰娱乐珠的尺寸不超过裸芯片尺寸的1.14倍,因此,CSP封装工艺和封装材料与普通中大功率LED采用A、B双组份硅胶混合荧光粉灌封或点胶的方式有所不同。已经量产的CSP封装多采用刷涂、喷粉、荧光胶膜贴合的封装方式。特别值得一提的是荧光胶膜贴合封装,预混并分散了荧光粉的荧光胶膜是基于有机硅树脂的半固化可相变性质,也称B-Stage。B-Stage的荧光胶膜在室温下是固态胶膜,当封装温度达到相变临界点时(通常是80-120°c),胶膜由固态转为“粘流”状态,在此状态下进行封装贴合,最后,经高温后固化完成封装过程。荧光胶膜的材料优势具有很多优点,例如:

  (1)、荧光粉在胶膜中分散均一,室温呈固态的胶膜可以保证荧光粉不沉降,实现封装LED的光色均一性优良;

  (2)、厚膜荧光胶膜(300-450um厚度)采用真空压合工艺,借助压合治具的精度,整版压合厚度偏差可以控制在5um,对应色温的偏差在±300K之内;薄膜荧光膜的加工厚度可实现±2um,对应CSP色温偏差可控制在±200K;

  (3)、薄膜荧光胶膜可以对裸芯片实施保型贴合,即紧贴芯片形成50-70um厚的涂层。这种结构使CSP的出光各个方向更加均匀,并能消除传统五面出光CSP结构的边角黄晕。

  图10荧光胶膜的材料及其CSP封装LED芯片图

  当前,高端*奔驰娱乐有两个市场热点,一是欧美市场兴起的色温可调智能*奔驰娱乐;二是发起自韩国的太阳光谱健康*奔驰娱乐。色温可调概念是奔驰娱乐可以在控制系统调控下发出暖色模式2700K-3000K、冷色模式5700K-6000K和中间模式4500K-5000K色温的光线。普通吸顶奔驰娱乐可以在奔驰娱乐条上间隔SMT不同色温2835奔驰娱乐珠实现双色温*奔驰娱乐,而奔驰娱乐泡、射奔驰娱乐、筒奔驰娱乐、商照等奔驰娱乐必须在有限空间下集成更多数量奔驰娱乐珠, 因此,尺寸更小的CSP是奔驰娱乐设计的必选封装方式。应用CSP的双色温封装解决方案比较成熟的有以下三种:

  (1)2835双色温模块;

  (2)暖色CSP+蓝光裸芯片点荧光胶水的COB点阵模块;

  (3)暖色CSP+冷色CSP点透明胶的点阵COB模块。

  2835双色温模块采用焊盘改装的2835支架,在一粒奔驰娱乐珠中贴装两颗CSP1007,其中一颗是冷色、另一颗是暖色,然后用透明有机硅胶水灌封保护。单颗CSP1007有0.5W和1W两种功率选择,为适应功率不同的散热需求,2835支架反射杯材料可选用PPA材料对应0.5W功率,而使用PCT材料对应1W功率。2835双色温模块的优势是不改变奔驰娱乐行业最熟悉的奔驰娱乐珠外形尺寸,下游厂商容易接受CSP及双色温新技术的渗透。另外,仅贴装两颗CSP形成一个双色温模块,对于CSP的SMT贴装过程是相对容易控制的,良品率也较高。但是,2835双色温模块的不足之处是,对于高密度光源产品(如高端商照、舞台奔驰娱乐等)因模块尺寸稍大,无法充分满足设计要求。其他双色温模式都是COB光源与CSP的结合产物。暖色CSP+蓝光裸芯片方式,可以基本不改变传统倒装COB的基板设计,节省成本。但COB点荧光胶水需要较高的工程能力,才能保证色温的一致性。暖色CSP+冷色CSP方式,因相邻的CSP混光设计,需要对COB基板的焊盘重新布局,初期的设计摸索和基板开版投入较大。虽然两颗CSP的成本比裸芯片方式要高一些,但贴装过程及后面的灌封透明胶水过程更易提升良品率。

  今年,韩国首尔半导体在法兰克福*奔驰娱乐展发布了SUNLIKE太阳光谱CSP系列。该技术采用UV芯片激发R、G、B三种荧光粉获得近似太阳光谱的封装形式,同时,使不健康的蓝光的比例进一步减少。国内厂商开发的全光谱健康*奔驰娱乐,基本采用蓝光芯片激发R、G、Y荧光粉方式,虽然蓝光与绿光光谱之间仍有不连续的“洼地”,但相较传统白光LED已改善明显。还有一些厂商开发全光谱芯片与红外芯片结合的模块,使 LED冷光源有了自然光的温暖感觉。无论SUNLIKE还是全光谱芯片,因为荧光粉配比高,且小粒径红粉大量应用,传统点胶封装LED方式几乎无法满足这种封装要求。荧光胶膜法制备CSP,可以针对高荧光粉比例配方,确保其良好分散及避免沉降,所以,当前健康*奔驰娱乐的封装开发都集中在CSP方式。

  2.6 细分市场六:EMC支架材料

  EMC支架是中功率LED器件的能力放大器,对比传统热塑性塑料PPA和PCT的支架,EMC支架由耐高温环氧树脂添加反射填料及白色填料的组成。热固性环氧树脂复合物的高温尺寸稳定性比热塑性塑料强,且树脂耐黄变能力更为突出。特别是环氧树脂界面的极性基团丰富,便于和有机硅材料形成强有力的粘合界面而确保回流焊不分层。因此,1W以上的LED封装倾向使用EMC支架。日本日立化成、日东电工、松下电工是白色EMC支架材料的垄断厂商。国内厂商虽然也不断立项攻关,但在树脂高温黄变、反射效果、点胶后爬胶等细节上尚待完善。

  2.7 细分市场七:无机封装材料

  无机材料一方面是应用于耐受UV、激光LED的封装需求,另一方面是与荧光粉共烧制成荧光无机材料。混合荧光粉共烧制的陶瓷或玻璃荧光片的制造成本仍高居不下,且调色制样的工程周期较长,产品更适合标准化的LED色温应用。

  三、LED 封装材料技术发展趋势

  随着LED在*奔驰娱乐、信号、传感器、通讯领域的应用发展,LED的封装技术方向出现“集成化”趋势:

  (1)由单颗独立封装结构向集成封装结构转变。近几年成熟的COB封装方式就是代表产品。“积少成多”的大面积面阵光源使用数量巨大的小功率芯片,通过阵列方式获得大功率成品。陶瓷基板或铝基板协助芯片阵列散热,减少了对传统复杂铸铝翅片散热结构的依赖,奔驰娱乐可以做得更薄。最近兴起的“Mini”之风,实际上是集成封装的同义词。Mini-LED的出现使LCD屏与OELD在中小尺寸的竞争出现变数。Mini-RGB将加速LED屏向家庭TV的渗透。

  (2)封装工艺向集成化转轨。传统的封装工艺以单颗奔驰娱乐珠形态为特征,从开始的固晶打线,到灌封,整个过程都可以看到独立的单颗奔驰娱乐珠。以CSP引导的白光芯片革命,不只是最终LED封装产品的形态变化,其封装过程更是以集成阵列芯片、统一封装、最后切割成单颗产品为特征的。这一技术正向晶圆制造的产业链上方渗透,垂直芯片wafer Level制程的白光芯片已经在三安光电量产。倒装芯片CSP工艺的的阵列置晶过程如果与晶圆厂庞大的分光置晶产能结合,将是LED整个产业链的分工革命。

  (3)*奔驰娱乐、传感、通讯、控制的功能集成化发展。Lifi技术、DOB技术、Mini-RGB技术等催动在基板上(包括基板背面)完成不仅包括*奔驰娱乐的其他复合功能与控制功能。系统集成厂商的产业链定位同时向传统的奔驰娱乐珠封装及终端应用延伸。

  封装材料伴随封装“集成化”技术的驱动,也不断涌现新的材料更新路线图,代表性的方向有以下几点。

  (1)为提高LED封装材料的综合性能,通过引入无机纳米材料或者透明材料等制备有机/无机复合材料,例如通过特殊工艺制备出含有荧光粉的有机硅荧光材料,含有与封装材料相同折射率、不影响透明透光的无机物填充的有机硅或环氧复合材料。这些复合材料不仅能有效地提高封装材料的光学性能,还能一定程度上增强材料的力学和热性能、提高LED发光性能。

  (2)适应集成封装工艺的固态薄膜封装材料。例如制造白光芯片CSP的B-Stage荧光胶膜,利用其室温为固态胶膜的特性,保证荧光粉在胶膜中分散均一,长期储存也不会发生荧光粉沉降的问题,实现封装LED光色均一的目的。特别是,这种荧光胶膜通过封装工艺能够精确控制封装层厚度,从而将CSP色温偏差控制在非常窄的范围,在芯片的五个出光面实现保型贴合封装,从而为CSP封装技术发展提供了有力支撑。另外胶膜材料已经在Mini-LED、Mini-RGB等领域显示出可靠并且简单的封装可行性。

  (3)封装材料的功能极致化。封装材料,无论是有机硅、环氧树脂以及其二者结合的Hybrid材料,仍然在追求折射率提高、致密分子结构抵抗“硫化”、耐高温高电流条件的老化、耐蓝光衰减、提升为不同封装界面的粘结力等技术制高点上做不断升级,随着基础材料和复合材料科学领域的探索研究和创新发展,广大厂商必将为LED封装提供性能更加优越的封装材料。

  四、LED 封装材料市场现状及未来

  中国大陆LED奔驰娱乐珠封装树脂市场需求大致为液态环氧材料100ton/月、固态EMC树脂50ton/月、有机硅树脂500ton/月。低端液态环氧树脂市场价格约 RMB20-50/Kg、中端环氧树脂EMC价格为RMB200-400/Kg,高可靠性环氧树脂EMC价格为RMB500-1000/Kg;中低端液态有机硅树脂市场价格约为RMB100-500/Kg、高端有机硅材料根据性能不同而价格在RMB500-2000/Kg。LED封装材料仍然呈国外品牌占据价值链高端、甚至长期细分领先的局面。随着国内厂商不断研发积累,国产替代及细分领先的材料近年不断出现,价格及技术竞争日趋白热化。各市场细分的主要供应商见表5。

  封装材料的国产化一直是广大国内民族品牌厂商的追求目标,也是国家02专项及大基金引导红色半导体产业链的重要支撑点。然而半导体及LED封装材料的特点决定了它的基础研发时间长、应用开发投资大、替代竞争风险高、改朝换代更依赖新技术推动的一个高技术、高风险、高竞争的产业形态。封装材料在封装后器件的总体成本上一般比例不超过10%,但器件可靠性却和封装材料紧密相关。进口替代虽事关中国半导体产业链的自主与发展,但在具体商业层面,往往封装用户缺乏动力。新技术是新材料应用的助推器,但新技术被市场认可需要相当长期的培育和试错,对材料企业的研发投入甚至经营安全提出了巨大挑战。

  国产封装材料近年的发展已经取得不俗的成绩,相较10年前市场主流进口材料价格,固态环氧树脂已下降约50%、有机硅胶水价格下降得更多。国产材料已经基本满足通用器件的封装要求。相信随着国家半导体及光电产业的振兴,封装材料事业会迎来更新更快的发展。


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