【導讀】年產(chǎn)億只大功率LED半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目。§項目技術創(chuàng)新點.........

　　

【正文】 明燈具廠，已經(jīng)形成了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)集群 ，為大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品提供了較為 廣闊的市場；物流、信息流快捷方便。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 26 頁，共 190 頁 第五章 技術 、 設備 及 工程 方案 167。 技術 方案 167。 技術改造主導 思想 （ 1）針對 原 半導體照明產(chǎn)品 生產(chǎn)線缺少生產(chǎn) 大功率 LED 照明產(chǎn)品 的關鍵 自動固晶機 、 自動焊線焊接機 、 泛用型高速固晶機 、 點膠機、高速 LED 鋁線焊機、 自動測試機 、 自動包 裝 機 等裝備的現(xiàn)狀，進行相應的改造，使之達到能進行大批量生產(chǎn) 大功率 LED半導體綠色照明系列產(chǎn)品 。 （ 2）基于上述前提，本次技改則要求高起點、高水平，采用先進的生產(chǎn)工藝，配備先進適用的工藝裝備，建立合適的生產(chǎn)環(huán)境和管理制度。 （ 3）通過技術改造，強化企業(yè)自身的產(chǎn)品開發(fā)技術平臺， 擴大產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，使項目產(chǎn)品向技術含量更高、效益更好的方向發(fā)展。 （ 4）項目在 廣東省 A 企業(yè)集團有限公司 下屬 廣東 A 光電科技有限公司、廣東 A金屬制品有限公司、 佛山市南海平洲電子廠有限公司原有 生產(chǎn)場地內(nèi)實施 ，形成 大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈 。 利用現(xiàn)有生產(chǎn)面積 5萬平方米 ，本次技改除購置所需工藝裝備外，還需根據(jù)工藝生產(chǎn)要求進行水、電、氣、汽及通風除塵、生產(chǎn)環(huán)境等方面的相應改造。 （ 5）生產(chǎn)線按年產(chǎn) 億只 大功率 LED 光源和公共照明燈具及模組 5萬只、特種照明及裝飾燈燈具及模組 20萬只 的生產(chǎn)能力進行 。 （ 6）本著 新增 生產(chǎn)裝備應與 原有 裝備相適應的原則，項目中的關鍵設備擬 進口國外 的先進設備，以保證項目產(chǎn)品質(zhì)量。 （ 7）技術改造中依法執(zhí)行消防、環(huán)境保護設施及職業(yè)安全衛(wèi)生年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 27 頁，共 190 頁 與主體工程同時設計、同時施工、同時投產(chǎn)使用的“三同時”原則。 167。 技術 改造 后 工藝 流程 分析 項目 主 導產(chǎn)品大功率 LED 光源 工藝流程如圖 51。 圖 51 大功率 LED 光源封裝工藝流程 廣東 A集團針對不同的產(chǎn)品使用要求和不同的光電特性，主要采取以下幾種 LED封裝工藝形式： ①軟封裝 (主要應用于 COB產(chǎn)品 )—— 芯片直接 粘結在特定的 PCB印制板上，通過焊接線連接成特定的字符或陣列形式，并將 LED芯片和焊線用透明樹脂保護，組裝在特定的外殼中。這種軟封裝常用于數(shù)碼顯示、字符顯示或點陣顯示的產(chǎn)品中。 ②引腳式封裝（主要應用于 LAMP 產(chǎn)品） —— 常見的有將 LED 芯片固定在 2021 系列引線框架上，焊好電極引線后，用環(huán)氧樹脂包封成一定的透明形狀，成為單個 LED 器件。這種引腳或封裝按外型尺寸的不同可以分成φ φ 5 直徑的封裝。這類封裝的特點是控制芯片到出光面的距離，可以獲得各種不同的出光角度： 15176。、 30176。、 45176。、 60176。、 90176。、 120176。等，也可以獲得側發(fā)光的要求，比較易于自動化生產(chǎn)。 ③微型封裝即貼片封裝（主要應用于 SMD產(chǎn)品） —— 將 LED芯片粘結在微小型的引線框架上，焊好電極引線后，經(jīng)注塑成型，出光面一般用環(huán)氧樹脂包封。貼片式封裝便于規(guī)?；a(chǎn)，但加工設備投人年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 28 頁，共 190 頁 較引腳式昂貴。 ④雙列直插式封裝（主要應用于食人魚產(chǎn)品） —— 用類似 IC 封裝的銅質(zhì)引線框架固定芯片，并焊接電極引線后用透明環(huán)氧包封，常見的有各種不同底腔的“食人魚”式封裝和超級食人魚式封裝，這種封裝芯片熱散失較好，熱阻低， LED 的輸入功率可達 0． 1w～ 0． 5w大于引腳式器件，但 成本較高。 ⑤功率型封裝（主要應用于大功率 POWER LED產(chǎn)品） —— 大功率LED的封裝形式也很多，它的特點是粘結芯片的底腔較大，且具有鏡面反射能力，導熱系數(shù)要高，并且有足夠低的熱阻，以使芯片中的熱量被快速地引到器件外，使芯片與環(huán)境溫度保持較低的溫差。常見的功率 LED 的封裝結構如圖 52 所示，在這種封裝結構中將 LED 功率芯片用合金法“燒結”在銅質(zhì)碗腔內(nèi)加以固定，引線經(jīng)焊接將 LED 正、負電極與覆銅鋁基板上的焊點連結起來，再用透明硅膠 (白光則用熒光粉 )覆蓋芯片和引線，最后將根據(jù)要求的出光角度的透鏡安裝在鋁基板 上，構成一個功率 LED 器件。鋁熱沉的厚度與面積視 LED 功率大小的確定，可以有各種不同的尺寸和形式。 圖 52 圖 53 由于用 PC 樹脂作透鏡，可以根據(jù)發(fā)光的要求的不同，設計出聚光型，發(fā)散型，側光型等透鏡。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 29 頁，共 190 頁 ⑥集成多芯片封裝（主要應用于超高亮度面光源產(chǎn)品） —— 這種封裝形式就是將多個 LED芯片組裝在同一個基板上，根據(jù)使用要求用印刷技術使各個芯片連接成一定的串／并結構，可以用多個使每個芯片出光角度為一定的小透鏡，組成一個大尺寸的出光面 ，結構的實樣示意圖如圖 54。 盡管 LED 芯片的封裝流程視不同封裝結構略有不同，但原則上為如圖（ 51）所示的封裝流程圖。 167。 項目 采用 的 關鍵技術 本項目將 IC 和 MEMS封裝技術應用于 LED封裝，提出其工藝力學框架，解決新的技術問題。圍繞封裝中的共性技術難點，本項目在封裝材料、封裝工藝、封裝結構和可靠性測試四個方面開展了卓有成效的研究工作，對封裝中的關鍵問題有了初步的研究成果。先后發(fā)表研究論文 10余篇，申請國內(nèi)外專利 24 項，在國內(nèi)外具有廣泛的影響。主要研究成果包括： LED 封裝結構 模擬設計 通過理論研究，提出大功率 LED 封裝必須在芯片設計和封裝設計過 程 中 ， 盡 可 能 采 用 工 藝 較 少 的 封 裝 形 式 （ Packageless Packaging），同時簡化封裝結構，盡可能減少熱學和光學界面數(shù)，以降低封裝熱阻，提高出光效率。同時，利用光學軟件，對反光杯的尺寸，熒光粉厚度、配比、位置，光學透鏡的形狀進行了優(yōu)化設計，并開展了實驗進行驗證。所封裝出的大功率白光 LED色溫 5000～ 7000K，顯色指數(shù) 85，光效國內(nèi)領先，如圖 54。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 30 頁，共 190 頁 圖 54 單芯片 LED封裝模塊光譜圖 LED 封裝材 料和封裝工藝研究 采用基于共晶鍵合的芯片固晶工藝，研究了在多芯片 COB封裝技術中采用鋁基、銅基 MCPCB板和陶瓷基板的 LED封裝工藝，如圖 55至 57。 圖 55 封裝好的 2 2 LED陣列模塊 圖 56帶散熱器的 LED模塊照明系統(tǒng) 圖 57 帶散熱器的 25W多芯片 LED模組 統(tǒng) A 光電公司研發(fā)中心開發(fā)了大功率 LED封裝散熱技術，該技術基于微加工和氣密封裝的雙層微噴冷卻系統(tǒng)，解決了超大功率 LED光源的散熱難題。參見《超大功率 LED 微噴射流主動散熱技術－專利 硅膠 反光杯 LED 芯片 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 31 頁，共 190 頁 》，該專利主要是通過微噴主動散熱技術有效解決超大功率 LED散熱問題，系統(tǒng)采用沖擊換熱，換熱系數(shù)大，換熱效果好，特別對高密度 LED組能有效降溫，系統(tǒng)采用主動系統(tǒng)，封閉的內(nèi)循環(huán)冷卻方式，控制比較靈活，可根據(jù)需要任意方向設置，適用在 LED工況經(jīng)常變化的場合進行冷卻。大幅度降低 LED芯片結溫和材料老化速度， 延長光衰時間。 圖 58為超大功率 LED 光源的散熱系統(tǒng)原理圖和試驗裝置。研究過程中 LED結點附近溫度采用 T型熱電偶測量，并對上述散熱系統(tǒng)進行了大量的實驗研究，部分實驗結果如圖 59所示。 圖 58 本項目組提出的封閉微噴散熱系統(tǒng) 圖 59 實驗測試部分結果 在上述專利技術的基礎上，前期研發(fā)中心的專家將該高效散熱系統(tǒng)應用于研制的 220W大功率 LED 光源和 1500W 超大功率 LED 超強光年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 32 頁，共 190 頁 源，如圖 8－ 9。其中， 1500W LED 光源為目前世界上最大功率的 LED光源，由于其良好的性能和超大功率， 央視等 主流媒 體曾進行了專門報道。 圖 8 220W 大功率 LED光源 圖 9 1500W超大功率 LED光源 此外，與廣東 A集團合作的武漢光電國家實驗室所屬的材料研究與測試中心，擁有高倍率光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（ SEM）等測試儀器，可滿足研究過程中微觀結構分析的需要。該實驗室已經(jīng)建成光電測試中心，包括光電子材料與器件、光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡、激光器與激光器應用系統(tǒng)、半導體照明器件與系統(tǒng)、光存儲器件與系統(tǒng)和光電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性等 6個測試平臺，能滿足半導體照明器件性能測試的需要。 失效分析 開展大功率 LED 可靠性研究，對全球著名半導體照明企業(yè)(Lumileds、 CREE、 Seoul Semiconductor 等 )、國內(nèi)領先的 LED企業(yè)（ Everlight、量子光電等）和實驗室自己研制的大功率 LED 進行了700mA/1000 小時強化老化測試、 85℃ /85RH 加速實驗、 700mA/65℃年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 33 頁，共 190 頁 /65RH加速實驗等可靠性實驗（如圖 510所示），建模分析了不同失效模式對 LED性能的影響（包括濕熱在復雜環(huán)境中的應力擴散模型），初步探究了 LED 中產(chǎn)生各種失效的物理機理，并針對性地對大功率LED 封裝制 造中的關鍵工藝提出了改進。 圖 510 各種大功率 LED 模塊強化老化評估 本項目組建立了 LED熱應力、濕應力、光傳輸和熱傳導耦合模型，利用有限元分析和蒙特卡羅（ Monte Carlo）光線追跡的模擬方法，對各種缺陷情況進行了模擬分析，模擬結果發(fā)現(xiàn)在 LED 芯片與散熱基座連接界面局部區(qū)域存在應力集中點，容易產(chǎn)生脫層或空隙，這將會大大增加整個 LED封裝模塊的熱阻，當空隙達到 30%時，熱阻將達到原來的 5 倍以上，芯片區(qū)域溫度升高，從而降低 LED芯片的 內(nèi)量子效率，減少出光（如圖 511所示）。同時，在 LED 芯片表面與熒光粉層界面或熒光粉層與硅膠界面的局部區(qū)域受濕氣影響也存在應力集中點，會產(chǎn)生脫層或氣泡，這會對 LED 的光能量輸出產(chǎn)生影響，使輸出光能量不到原來的 80%（如圖 512 所示）。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 34 頁，共 190 頁 圖 511 LED芯片與基座間脫層大小與熱阻的關系 圖 512 LED封裝模塊不同位置產(chǎn)生脫層大小與出光效率的關系 167。 項目 技術創(chuàng)新點 大功率白光 LED封裝技術是廣東 A集團大功率 LED照明產(chǎn)業(yè) 化最關鍵的技術，涉及光學、熱學、電學、力學、機械、材料、半導體等多學科。該技術的目的是實現(xiàn)白光 LED照明低熱阻、高光效、長壽命的關鍵等影響封裝性能的各種因素，通過模擬、設計、實驗驗證、工藝改進等手段，突破大功率白光 LED封裝的關鍵技術。 基于以上認識，本項目主要關鍵技術包括： （ 1）運用光學技術，利用透鏡原理實現(xiàn)光斑控制，同時確保出光效率； （ 2）對熱阻進行優(yōu)化設計，確保散熱效果； （ 3）運用機械結構設計分析和工藝技術，提高產(chǎn)品安全度和水年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導體綠色照明系列產(chǎn)品技術改造項目 第 35 頁，共 190 頁 密封效果。 本項目的創(chuàng)新點包括： 通過采用具有微結構的基板、熱沉和高導 熱的界面材料，開發(fā)出低熱阻大功率 LED 封裝技術和工藝； 通過設計新型的多層 LED封裝結構，開發(fā)出高光效、高色度均勻性的 LED 封裝技術； 通過加速試驗研究 LED 封裝的失效機理，分析導致 LED 器件失效的主要因素，開發(fā)出高可靠性、長壽命的 LED封裝技術，并提出一種LED 封裝可靠性快速測試與評估方法； 基于系統(tǒng)封裝（ SiP）和主 /被動散熱技術，開發(fā)出具有高集成度的多芯片白光 LED 模組。 167。 主要設備方案 廣東省 A 企業(yè)集團有限公司已先后進行多次技術改造，引進了相類似的關鍵生產(chǎn)設備及先進的生產(chǎn)技術，已具有一定的基 礎。故本次技改將在充分利用原有的生產(chǎn)設備、檢測儀器的基礎上，新增設備選型盡量與原有設備相匹配。 本項目新增工藝裝備 295 臺（套），其中進口裝備 70 臺（套），折合人民幣 2730 萬 元；國產(chǎn)裝備 225 臺（套），使用人民幣 1270 萬元。