【導(dǎo)讀】年產(chǎn)億只大功率LED半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目。§項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn).........

　　

【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(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品提供了較為 廣闊的市場(chǎng)；物流、信息流快捷方便。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 26 頁(yè)，共 190 頁(yè) 第五章 技術(shù) 、 設(shè)備 及 工程 方案 167。 技術(shù) 方案 167。 技術(shù)改造主導(dǎo) 思想 （ 1）針對(duì) 原 半導(dǎo)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(guān)鍵 自動(dòng)固晶機(jī) 、 自動(dòng)焊線焊接機(jī) 、 泛用型高速固晶機(jī) 、 點(diǎn)膠機(jī)、高速 LED 鋁線焊機(jī)、 自動(dòng)測(cè)試機(jī) 、 自動(dòng)包 裝 機(jī) 等裝備的現(xiàn)狀，進(jìn)行相應(yīng)的改造，使之達(dá)到能進(jìn)行大批量生產(chǎn) 大功率 LED半導(dǎo)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(diǎn)、高水平，采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，配備先進(jìn)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(guò)技術(shù)改造，強(qiáng)化企業(yè)自身的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái)， 擴(kuò)大產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，使項(xiàng)目產(chǎn)品向技術(shù)含量更高、效益更好的方向發(fā)展。 （ 4）項(xiàng)目在 廣東省 A 企業(yè)集團(tuán)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(chǎng)地內(nèi)實(shí)施 ，形成 大功率 LED 半導(dǎo)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(wàn)平方米 ，本次技改除購(gòu)置所需工藝裝備外，還需根據(jù)工藝生產(chǎn)要求進(jìn)行水、電、氣、汽及通風(fēng)除塵、生產(chǎn)環(huán)境等方面的相應(yīng)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(wàn)只、特種照明及裝飾燈燈具及模組 20萬(wàn)只 的生產(chǎn)能力進(jìn)行 。 （ 6）本著 新增 生產(chǎn)裝備應(yīng)與 原有 裝備相適應(yīng)的原則，項(xiàng)目中的關(guān)鍵設(shè)備擬 進(jìn)口國(guó)外 的先進(jìn)設(shè)備，以保證項(xiàng)目產(chǎn)品質(zhì)量。 （ 7）技術(shù)改造中依法執(zhí)行消防、環(huán)境保護(hù)設(shè)施及職業(yè)安全衛(wèi)生年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 27 頁(yè)，共 190 頁(yè) 與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)使用的“三同時(shí)”原則。 167。 技術(shù) 改造 后 工藝 流程 分析 項(xiàng)目 主 導(dǎo)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(tuán)針對(duì)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(yīng)用于 COB產(chǎn)品 )—— 芯片直接 粘結(jié)在特定的 PCB印制板上，通過(guò)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(shù)脂保護(hù)，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(diǎn)陣顯示的產(chǎn)品中。 ②引腳式封裝（主要應(yīng)用于 LAMP 產(chǎn)品） —— 常見(jiàn)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(shù)脂包封成一定的透明形狀，成為單個(gè) 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(diǎn)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(cè)發(fā)光的要求，比較易于自動(dòng)化生產(chǎn)。 ③微型封裝即貼片封裝（主要應(yīng)用于 SMD產(chǎn)品） —— 將 LED芯片粘結(jié)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(shù)脂包封。貼片式封裝便于規(guī)模化生產(chǎn)，但加工設(shè)備投人年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 28 頁(yè)，共 190 頁(yè) 較引腳式昂貴。 ④雙列直插式封裝（主要應(yīng)用于食人魚(yú)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(jiàn)的有各種不同底腔的“食人魚(yú)”式封裝和超級(jí)食人魚(yú)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(dá) 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(yīng)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(diǎn)是粘結(jié)芯片的底腔較大，且具有鏡面反射能力，導(dǎo)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(jiàn)的功率 LED 的封裝結(jié)構(gòu)如圖 52 所示，在這種封裝結(jié)構(gòu)中將 LED 功率芯片用合金法“燒結(jié)”在銅質(zhì)碗腔內(nèi)加以固定，引線經(jīng)焊接將 LED 正、負(fù)電極與覆銅鋁基板上的焊點(diǎn)連結(jié)起來(lái)，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(gòu)成一個(gè)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(shù)脂作透鏡，可以根據(jù)發(fā)光的要求的不同，設(shè)計(jì)出聚光型，發(fā)散型，側(cè)光型等透鏡。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 29 頁(yè)，共 190 頁(yè) ⑥集成多芯片封裝（主要應(yīng)用于超高亮度面光源產(chǎn)品） —— 這種封裝形式就是將多個(gè) LED芯片組裝在同一個(gè)基板上，根據(jù)使用要求用印刷技術(shù)使各個(gè)芯片連接成一定的串／并結(jié)構(gòu)，可以用多個(gè)使每個(gè)芯片出光角度為一定的小透鏡，組成一個(gè)大尺寸的出光面 ，結(jié)構(gòu)的實(shí)樣示意圖如圖 54。 盡管 LED 芯片的封裝流程視不同封裝結(jié)構(gòu)略有不同，但原則上為如圖（ 51）所示的封裝流程圖。 167。 項(xiàng)目 采用 的 關(guān)鍵技術(shù) 本項(xiàng)目將 IC 和 MEMS封裝技術(shù)應(yīng)用于 LED封裝，提出其工藝力學(xué)框架，解決新的技術(shù)問(wèn)題。圍繞封裝中的共性技術(shù)難點(diǎn)，本項(xiàng)目在封裝材料、封裝工藝、封裝結(jié)構(gòu)和可靠性測(cè)試四個(gè)方面開(kāi)展了卓有成效的研究工作，對(duì)封裝中的關(guān)鍵問(wèn)題有了初步的研究成果。先后發(fā)表研究論文 10余篇，申請(qǐng)國(guó)內(nèi)外專利 24 項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外具有廣泛的影響。主要研究成果包括： LED 封裝結(jié)構(gòu) 模擬設(shè)計(jì) 通過(guò)理論研究，提出大功率 LED 封裝必須在芯片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)過(guò) 程 中 ， 盡 可 能 采 用 工 藝 較 少 的 封 裝 形 式 （ Packageless Packaging），同時(shí)簡(jiǎn)化封裝結(jié)構(gòu)，盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)界面數(shù)，以降低封裝熱阻，提高出光效率。同時(shí)，利用光學(xué)軟件，對(duì)反光杯的尺寸，熒光粉厚度、配比、位置，光學(xué)透鏡的形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)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(guó)內(nèi)領(lǐng)先，如圖 54。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 30 頁(yè)，共 190 頁(yè) 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(shù)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(kāi)發(fā)了大功率 LED封裝散熱技術(shù)，該技術(shù)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(jiàn)《超大功率 LED 微噴射流主動(dòng)散熱技術(shù)－專利 硅膠 反光杯 LED 芯片 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 31 頁(yè)，共 190 頁(yè) 》，該專利主要是通過(guò)微噴主動(dòng)散熱技術(shù)有效解決超大功率 LED散熱問(wèn)題，系統(tǒng)采用沖擊換熱，換熱系數(shù)大，換熱效果好，特別對(duì)高密度 LED組能有效降溫，系統(tǒng)采用主動(dòng)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(shè)置，適用在 LED工況經(jīng)常變化的場(chǎng)合進(jìn)行冷卻。大幅度降低 LED芯片結(jié)溫和材料老化速度， 延長(zhǎng)光衰時(shí)間。 圖 58為超大功率 LED 光源的散熱系統(tǒng)原理圖和試驗(yàn)裝置。研究過(guò)程中 LED結(jié)點(diǎn)附近溫度采用 T型熱電偶測(cè)量，并對(duì)上述散熱系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 59所示。 圖 58 本項(xiàng)目組提出的封閉微噴散熱系統(tǒng) 圖 59 實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分結(jié)果 在上述專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，前期研發(fā)中心的專家將該高效散熱系統(tǒng)應(yīng)用于研制的 220W大功率 LED 光源和 1500W 超大功率 LED 超強(qiáng)光年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 32 頁(yè)，共 190 頁(yè) 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(jìn)行了專門(mén)報(bào)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(tuán)合作的武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所屬的材料研究與測(cè)試中心，擁有高倍率光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（ SEM）等測(cè)試儀器，可滿足研究過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)分析的需要。該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建成光電測(cè)試中心，包括光電子材料與器件、光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、激光器與激光器應(yīng)用系統(tǒng)、半導(dǎo)體照明器件與系統(tǒng)、光存儲(chǔ)器件與系統(tǒng)和光電子產(chǎn)品環(huán)境與可靠性等 6個(gè)測(cè)試平臺(tái)，能滿足半導(dǎo)體照明器件性能測(cè)試的需要。 失效分析 開(kāi)展大功率 LED 可靠性研究，對(duì)全球著名半導(dǎo)體照明企業(yè)(Lumileds、 CREE、 Seoul Semiconductor 等 )、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的 LED企業(yè)（ Everlight、量子光電等）和實(shí)驗(yàn)室自己研制的大功率 LED 進(jìn)行了700mA/1000 小時(shí)強(qiáng)化老化測(cè)試、 85℃ /85RH 加速實(shí)驗(yàn)、 700mA/65℃年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 33 頁(yè)，共 190 頁(yè) /65RH加速實(shí)驗(yàn)等可靠性實(shí)驗(yàn)（如圖 510所示），建模分析了不同失效模式對(duì) LED性能的影響（包括濕熱在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)力擴(kuò)散模型），初步探究了 LED 中產(chǎn)生各種失效的物理機(jī)理，并針對(duì)性地對(duì)大功率LED 封裝制 造中的關(guān)鍵工藝提出了改進(jìn)。 圖 510 各種大功率 LED 模塊強(qiáng)化老化評(píng)估 本項(xiàng)目組建立了 LED熱應(yīng)力、濕應(yīng)力、光傳輸和熱傳導(dǎo)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(duì)各種缺陷情況進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)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(yīng)力集中點(diǎn)，容易產(chǎn)生脫層或空隙，這將會(huì)大大增加整個(gè) LED封裝模塊的熱阻，當(dāng)空隙達(dá)到 30%時(shí)，熱阻將達(dá)到原來(lái)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(shí)，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(yīng)力集中點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生脫層或氣泡，這會(huì)對(duì) LED 的光能量輸出產(chǎn)生影響，使輸出光能量不到原來(lái)的 80%（如圖 512 所示）。 年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 34 頁(yè)，共 190 頁(yè) 圖 511 LED芯片與基座間脫層大小與熱阻的關(guān)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(guān)系 167。 項(xiàng)目 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn) 大功率白光 LED封裝技術(shù)是廣東 A集團(tuán)大功率 LED照明產(chǎn)業(yè) 化最關(guān)鍵的技術(shù)，涉及光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、材料、半導(dǎo)體等多學(xué)科。該技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)白光 LED照明低熱阻、高光效、長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵等影響封裝性能的各種因素，通過(guò)模擬、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、工藝改進(jìn)等手段，突破大功率白光 LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)。 基于以上認(rèn)識(shí)，本項(xiàng)目主要關(guān)鍵技術(shù)包括： （ 1）運(yùn)用光學(xué)技術(shù)，利用透鏡原理實(shí)現(xiàn)光斑控制，同時(shí)確保出光效率； （ 2）對(duì)熱阻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保散熱效果； （ 3）運(yùn)用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析和工藝技術(shù)，提高產(chǎn)品安全度和水年產(chǎn) 億只大功率 LED 半導(dǎo)體綠色照明系列產(chǎn)品技術(shù)改造項(xiàng)目 第 35 頁(yè)，共 190 頁(yè) 密封效果。 本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)包括： 通過(guò)采用具有微結(jié)構(gòu)的基板、熱沉和高導(dǎo) 熱的界面材料，開(kāi)發(fā)出低熱阻大功率 LED 封裝技術(shù)和工藝； 通過(guò)設(shè)計(jì)新型的多層 LED封裝結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出高光效、高色度均勻性的 LED 封裝技術(shù)； 通過(guò)加速試驗(yàn)研究 LED 封裝的失效機(jī)理，分析導(dǎo)致 LED 器件失效的主要因素，開(kāi)發(fā)出高可靠性、長(zhǎng)壽命的 LED封裝技術(shù)，并提出一種LED 封裝可靠性快速測(cè)試與評(píng)估方法； 基于系統(tǒng)封裝（ SiP）和主 /被動(dòng)散熱技術(shù)，開(kāi)發(fā)出具有高集成度的多芯片白光 LED 模組。 167。 主要設(shè)備方案 廣東省 A 企業(yè)集團(tuán)有限公司已先后進(jìn)行多次技術(shù)改造，引進(jìn)了相類似的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備及先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，已具有一定的基 礎(chǔ)。故本次技改將在充分利用原有的生產(chǎn)設(shè)備、檢測(cè)儀器的基礎(chǔ)上，新增設(shè)備選型盡量與原有設(shè)備相匹配。 本項(xiàng)目新增工藝裝備 295 臺(tái)（套），其中進(jìn)口裝備 70 臺(tái)（套），折合人民幣 2730 萬(wàn) 元；國(guó)產(chǎn)裝備 225 臺(tái)（套），使用人民幣 1270 萬(wàn)元。