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高出力LEDパッケージ技術
Nov.20.2024
複雑な構造とプロセスを持つ高出力LEDパッケージングは、近年の研究のホットトピックであり、LEDの性能と寿命に直接影響を与えます。特に、高出力白色LEDパッケージングは、研究の中でも注目を集めています。
LEDパッケージの主な機能には次の通りが含まれます: 1. 機械的保護により信頼性を向上； 2. 発熱を強化し、チップ接合温度を低下させ、LED性能を向上； 3. 光学制御により光取出効率を向上させ、ビーム分布を最適化； 4. 電源管理、AC／DC変換や電源制御を含む。
LEDのパッケージング方法、材料、構造およびプロセスの選択は、主にチップ構造、光電子／機械的特性、特定の用途、コストなどの要因によって決定されます。40年以上にわたる発展により、LEDのパッケージングは、ブラケット型（Lamp LED）、表面実装型（SMD LED）、裸芯型LED（COB LED）の発展段階を経てきました。
高出力LEDパッケージングのキーテクノロジー
高出力LEDのパッケージングは主に光、熱、電気、構造、プロセスに関連しています。これらの要因は互いに独立している一方で、お互いに影響を与え合います。その中で、光はLEDパッケージングの目的であり、熱が鍵となる要素で、電気、構造、プロセスは手段であり、性能はパッケージングレベルの具体的な現れです。プロセスの互換性と生産コスト削減の観点から、LEDのパッケージ設計はチップ設計と同時に実施されるべきです。つまり、チップを設計する際にパッケージ構造やプロセスを考慮すべきです。そうでない場合、チップが製造された後、パッケージングの必要性によりチップ構造を調整する必要が生じ、これにより製品開発周期が延長され、プロセスコストが増加し、場合によっては不可能になることがあります。
01 低熱抵抗パッケージングプロセス 現在のLEDの光効率レベルでは、入力電気エネルギーの約80%が熱に変換されるため、かつLEDチップの面積が小さいことから、チップの冷却はLEDパッケージングにおいて解決しなければならない主要な問題です。主に、チップ配置、パッケージ材料選択（基板材料、熱インターフェース材料）とプロセス、ヒートシンク設計などが含まれます。
02 高い光取出効率のパッケージ構造とプロセス LEDを使用する際、放射再結合によって生成されたフォトンが外部に放出される際に主に損失するのは、3つの側面があります。すなわち、チップ内部の構造欠陥や材料による吸収、屈折率の違いによる出口界面でのフォトンの反射損失、そして全反射の臨界角を超える入射角による全反射損失です。そのため、多くの光線はチップから外部に放出されません。チップ表面に高い屈折率を持つ透明な接着剤（封止材）を塗布することで、この接着剤層がチップと空気の間に存在し、界面でのフォトンの損失を効果的に低減し、光取出効率が向上します。さらに、封止材の役割には、チップの機械的保護、応力緩和、および導光構造としての機能も含まれます。したがって、高透過率、高屈折率、優れた熱安定性、良好な流動性、そして噴霧が容易であることが要求されます。LEDパッケージの信頼性を向上させるために、封止材には低吸湿性、低応力、耐老化性も求められます。現在一般的に使用されている封止材にはエポキシ樹脂とシリコーンがあります。シリコーンは、高透過率、高屈折率、優れた熱安定性、低応力、低吸湿性という点でエポキシ樹脂よりも著しく優れており、高出力LEDパッケージに広く使用されていますが、コストが比較的高くなります。
近年、LEDチップは徐々にディスプレイ業界の寵児となっており、高輝度、自発光、フルカラーなどの利点により、さまざまな表示場所に進出しています。SMDパッケージとCOBパッケージは、この発展を牵引する主要な要因です。
表面実装型三合一（SMD）LEDは2002年に登場し、徐々にLEDディスプレイ機器の市場シェアを占めるようになりました。ピンタイプのパッケージからSMDへと移行しました。表面実装パッケージは、単一または複数のLEDチップをプラスチック製の「カップ状」外枠を持つ金属ブラケットに接合し（ブラケットの外部端子はそれぞれLEDチップのP極およびN極に接続されています）、その後、液体のパッケージ接着剤でプラスチック製の外枠を充填し、高温で焼成して成型し、最後に個別の表面実装パッケージデバイスに切断します。表面実装技術（SMT）を使用できるため、自動化の度合いは比較的高いです。ピンタイプのパッケージ技術と比較すると、SMD LEDは明るさ、一貫性、信頼性、視野角、外観などにおいて優れた性能を持っています。