一款高品質SMD2121的設計分析

      隨著LED技術的進步，讓其成為大眾日常生活中不可或缺的一部分，例如隨處可見的廣告屏。現代廣告業的蓬勃發展，讓大屏幕LED顯示技術在很多場合也得到了越來越多的應用。當前應用于各個領域的LED顯示屏從其應用場合分，主要分為戶外、半戶外及戶內顯示屏三大系列。而其核心的發光元件器件又分為表貼燈珠(SMD LED)與直插燈珠（LAMP LED）兩種。SMD LED由于其視角大、體積小,最小像素間距可做到3mm甚至更小，大大提高了LED顯示屏的清晰度。同時，由于SMD LED支架的平面式結構,大大提升了封裝廠的生產穩定性和效率，而且大幅度的提升了顯示屏廠器件裝配的效率，使其成為LED顯示屏的主流發展方向。隨著LED小間距顯示屏的發展,分辨率要求越來越高，一款穩定可靠、尺寸更小的SMD LED產品稱為關鍵。

        產品的設計是以應用為目標的，針對戶內小間距LED顯示屏應用場景：室內環境、低亮度、高灰度、高刷新、高對比度的環境，所有的要求因為戶內觀看環境與播放的內容決定。戶內一般有燈光的干涉，還有播放的內容的色彩與層次一般比較豐富，因此戶內小間距LED顯示屏的顯示效果與標準均參照傳統的DLP、LCD以及投影等。例如觀看放大200倍的頭發絲，對比度不足，或者說灰階表現不好的產品就會出現大片的黑色，而看不到應該具有的“頭發絲”。高對比度還意味著黑色更黑、白色更白。簡單來說，對比度與全開/全關對比度相同，同樣是測試顯示器接收全白信號時所顯示的亮度與全黑信號顯示器的亮度的比值。與全開/全關對比度不同的是，傳統顯示器會通過調節背光燈管亮度，從而使接收全白信號時所顯示的亮度更高，接收全黑信號顯示器的亮度更低，進而到一個更大的數值。

而LED作為顯示屏的核心部件，一款好的LED對于LED顯示屏達到上述效果功不可沒。高品質的小間距LED的質量要求主要體現在：參數分BIN合理（一般高品質的LED的亮度IV分檔控制在1.25倍以內，波長分BIN在3nm以內）、外形規則、失效率＜30ppm、表面顏色一致且不反光等。

       深圳藍科電子有限公司作為LED顯示屏領域的專業生產商，至始至終貫徹“為客戶提高高品質顯示屏用LED燈珠”的目標，黑晶SMD2121就是藍科電子在多年LED顯示屏燈珠封裝生產總結的結晶，該產品不僅在光電產品指標上進行了完善和改進，而且具有如下特點：

1）采用進口的原生PPA材料制作黑色框架，對比度高，色彩鮮艷；

2）使用高品質環氧樹脂封裝，發光角度大，一致性好；

3）良好結構設計，體積小，重量輕，散熱效果好，可靠性高；

4）表面霧處理，最大限度降低環境光反射，顯著提升整屏對比度，圖像層次感更豐富，色彩更艷麗；

5）采用面發光技術，面發光可以使屏幕圖像更柔和，長時間近距離觀看不傷眼睛。

1. SMD2121的設計

        我們都知道，LED的心臟是半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。當電流作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。

       根據國家標準半導體分立元器件總規范（GB/T 4589.1-2006）及國際IEC半導體分立器件-光電器件-發光二極管要求，一款好的產品必須符合這些規范和標準。以下是我司以研發和進行中試的2121產品，如下圖：

        要做出一款好的產品，必須做到，專業的設計研發，嚴格的生產管理，企業從組成元器件的材料選用，到先進的自動化操作機械，再到生產過程的嚴格質量控制（包括材料的老化處理），每個環節都要做到極致。下面對我們公司的產品的設計及生產中的要點，進行簡單的介紹。

1.1 支架設計

         對于元器件產品來說，組成原物料的可靠性，對器件可靠性的唯一保證，從材料著手，LED 支架的銅必須具有以下特點: 

(1) 厚度公差要求嚴格，分條后的銅帶在沖床內連續完成多工序的沖制成型，厚度精度要求較高；

(2) 性能控制范圍要求嚴格。為了保證支架銅片的剛度，則屈服強度、抗拉強度、延伸率、硬度和沖制時塑性等都有嚴格的要求；

(3) 表面質量要求高。要求表面光潔度高，不得有油斑、劃傷、銹蝕、壓痕等缺陷。在這些要求下，我們選用臺灣第一伸銅生產的厚度為0.127mm的 紅銅；

    (4)在銅材沖壓成型后，用高性能聚對苯二酰胺(PPA )材料在銅上注塑成型，達到我們要求的形狀。PPA材料選用的是大冢公司的KMB40系列，它具有剛性好、吸潮性差、耐化學性能良好。

(5)支架結構設計方面，專注于金屬銅與PPA的結合性，主要從幾個方面進行著手：端子引腳與PPA結合部加V型槽、打麻點、由直線改為曲折Z型等，均大大提高PPA與金屬銅的結合力，減少外界潮氣對成品侵蝕。

這些獨特設計讓其適用于顯示屏領域，特別是吸潮性差，一般實驗條件（ASTM D570測試方法）下，經24小時其吸水率約0.02%。同時，這款材料具有尺寸穩定性良好、流動性高、抗蠕變性良好的特點，這讓產品在加工的時候具有較高的質量穩定性和效率。

1.2環氧樹脂材料設計分析

         封裝材料的一個重要作用是保護內部電子元件不受破壞，確保器件正常工作。目前LED利用環氧樹脂材料的封裝方式主要有三種，依照其封裝制程可分為澆注成型(mold casting)和傳遞模塑成型(transfer molding)。澆注成型是將樹脂(A劑)和固化劑(B劑)混合后，經過真空脫泡等步驟，將液體樹脂混合物注入模具型腔內，再把LED支架插入到液態樹脂混合物中，經加熱固化成型，最終得到制成品后拔模。這種封裝方式主要應用在燈泡式LED(Lamp LED)，要求樹脂具有較高的流動性，以便于加工。傳遞模塑成型是將模塑料在模具內熔融后，由柱塞加壓，將液體樹脂混合物壓入型腔中并固化成型。這種封裝方式需要預先制備好模塑料，主要應用在表面貼裝型元件(SMD LED)，適合于快速生產。注射成型類似于熱塑性塑料的成型方法，也是用注射機的螺桿將加熱熔融的物料注射到模具腔中，并加熱成型。這種封裝方式主要用于制造精度要求比較高的光學元件上。

        我們采用傳遞模塑成型加工方法進行生產加工，研發一款適合生產的膠水就非常關鍵。對膠水的總體要求是（1）高透光率和高折射率。從LED芯片中發出的光線需要穿透封裝材料層才能發射出來，因此LED的發光效率不僅和芯片有關，也和封裝材料關系密切。近年來隨著技術發展，LED元件內部芯片的光電轉換效率越來越高，亮度越來越大。而外部取光效率則受到封裝材料的制約，因此迫切要求提高材料透光能力。（2）優良的耐熱性和抗老化能力。LED理論上壽命可以達到100000h，但實際上LED一般使用壽命均小于100000h，其中最主要的原因是由于LED輸出亮度降低。而導致LED輸出亮度降低最主要的原因是封裝材料老化引起透光率的降低。因此，提高封裝材料的抗老化能力是研究的重點。（3）優良的耐腐蝕性、絕緣性、抗濕性等耐環境性。因此封裝材料必須具備一定的耐腐蝕能力，特別是戶外使用的材料的抗濕性和耐蝕能力的要求更高。（4）合適的力學強度和粘接性能。封裝材料必須具備較高的力學強度，需要具備較好的粘接性能，以便和器件基座牢固的結合。目前能夠用于LED封裝的材料主要是環氧樹脂和硅樹脂兩類。硅樹脂作為一種新型的封裝材料，透光率比環氧樹脂更優異，抗紫外線老化的能力很強，缺點是制備工藝復雜，價格高昂，力學性能不如環氧樹脂。實際應用中通常根據性能要求來選擇封裝材料，環氧樹脂多用于功率較小的LED器件上。

     在環氧樹脂方面，雙酚A型環氧樹脂是最早得以應用的封裝材料。市面上大部分的小功率LED采用雙酚A型環氧樹脂封裝，這是由于雙酚A型環氧樹脂，它具有透光率高、力學性能好、折射率大、耐腐蝕、電性能優異及成本較低等優點。盡管目前可應用于LED封裝的樹脂類型越來越多，雙酚A型環氧樹脂仍然是最主要封裝材料。雙酚A型環氧樹脂是線形的長分子鏈低聚物，它的分子量可以在合成過程中通過調節雙酚A用量來控制，制備出液體到高熔點固體一系列的產品，制成灌封膠、傳遞模塑料等不同產品以適應不同的使用場合。但是雙酚A型樹脂本身具有一些難以克服的缺陷，這是其是分子結構決定的。雙酚A型樹脂上的苯環為材料提供了較好的剛性和折射率，但是苯環容易被自由基進攻，因此雙酚A型樹脂的耐老化性能比較差，在高溫或紫外線照射下容易老化、黃變，造成材料的透光性能急劇下降，機械性能劣化。還有一種脂環族環氧樹脂，它是以氧有機酸氧化飽和脂環族化合物得到的，其制造過程很少有雜質離子引入，與傳統的樹脂相比較，其特點比較明顯：

(1)熱穩定性良好，由于該樹脂的分子結構中環氧基直接連接在脂環上，形成緊密的剛性分子結構，固化后交聯密度較高，因而具有較高的耐熱性。具體表現為馬丁耐熱可以達到190度以上，熱分解溫度大于360度。其固化收縮率小，拉伸強度高。但是由于環氧當量小，交聯密度高，固化物較脆，韌性差。

(2)耐侯性好：脂環族環氧樹脂的分子結構中不含苯環，具有良好的耐侯性能和抗紫外輻射能力(與雙酚A相比較)。

(3)工藝適應好：該環氧樹脂的粘度都比較低，在澆注成型和傳遞模塑成型制件時作業較方便。

       在此款2121產品中，我們選用了兩種不同環氧樹脂的混合體，讓其性能取長補短。從機理中看，固化物中含醚鍵和酯鍵兩種結構，而且反應速度受羥基濃度的支配。混合環氧樹脂的固化劑采用甲基六氫苯二甲酸酐，其相對分子質量是168；在25℃時，其黏度為50-70（mPa*S）。反應活性大的酸酐和環氧樹脂發生固化反應時必然放熱量大，模塑料固化收縮與LED晶片熱收縮有差異，即兩者間的膨脹系數不同，一般模塑料比晶片和引線的膨脹系數要大一個數量級，在成型，加熱到冷卻至室溫的過程中必然在LED芯片上殘留應力。隨著LED體積的越來越小，芯片尺寸的占比越來越大，固化環氧樹脂與硅元件熱膨脹系數不同而產生的應力將造成破壞。同時，局部過熱就會造成澆注件中保留熱應力，有可能造成裂紋或形成樹脂與工件的界面氣隙。為了降低產品的內部應力，我們在固化劑方面也做了一些改善：選用低應力、粘膠性好和反應性高的固化劑；同時采用一些結構的酸酐作為模塑料的固化劑，可以減少吸收率5%，提高耐熱性7°，這樣就提高固化劑的耐水性和耐熱性，從而保證了整個產品的可靠性。

       從理論上來說，熱應力可以用下式來表示：    

σ=KEαΔT

        式中： σ —熱應力； K—常數；E—彈性模量；ΔT—模塑料Tg和室溫的差；α—熱膨脹系數；

從該公式中可以看出較低樹脂的彈性模量和Tg是減少熱應力的有效途徑。樹脂本身低應力化的方法一般有這些：各種烷基苯酚共縮合的線性酚醛的環氧化；含有比-CH2-更長鏈基的酚類縮合物的環氧化；鄰甲酚線性酚醛型環氧樹脂與含有活性端機彈性體的加成物。目前市面上應力比較低的樹脂為有機硅橡膠改性環氧樹脂。

        經過以上材料及工藝的精細搭配，使“黑晶”SMD2121燈的可靠性有明顯的提升。首先，在外觀上呈良好的亞光效果，如下圖所示：

         如圖所示，產品有三個明顯的特點：第一，面發光效果，這讓紅綠藍三個芯片發出的光比較柔和；第二，上表面粗糙，避免了由膠水鏡面效果而產生的光反射；第三，燈珠正面整體偏黑，這是因為有黑色PPA材料和環氧樹脂的綜合效果，提高顯示屏的黑白對比度。

1.3  SMD2121性能測試

        在得到供應商的大力支持下（特別是原材料方面），藍科公司在考慮上面設計要點的時候，做的對每一個細節的選擇和確認，生產出一款高品質的黑晶SMD 2121產品。一款好產品，勢必經得起各種測試。國際照明委員會（CIE）1997年發表CIE127-1997LED測試方法，把LED強度測試確定為平均強度的概念，并且規定了統一的測試結構和探測器大小，這樣就為LED準確測試比對奠定了基礎。雖然CIE127－1997測試方法并非國際標準，但它容易實施準確測試比對，目前世界上主要企業都已采用。按照CIE127-1997LED我們對黑晶SMD2121做了以下一些測試。

1.3.1常用的光電參數

1.3.2紅綠藍光型匹配曲線

1.3.3與日亞和國內某品牌的可靠性對比試驗

     按照國際半導體產業標準（JSTD:JEDEC STENDARD）和日本電子協會標準（JEITA）電子產品可靠性的測試方法，對黑晶SMD2121按照以下條件做了測試： 

判定如下：

結論

         文章立足產品設計根本，從材料出發，介紹了一款高性能的黑晶SMD2121產品，她具有以下明顯特點:1）對比度高：采用亞光PPA外殼，光線柔和，加特殊的樹脂灌封，極大提高對比度；2）面發光：使用高質量環氧樹脂封裝，發光角度大，一致性好，均勻的擴散混色，色彩飽和度高，且面發光可以使屏幕圖像更柔和，長時間近距離觀看不傷眼睛；3）高可靠性：良好結構設計，體積小，重量輕，散熱效果，材料配合好，耐溫度循環500次以上，防潮等級3級，可靠性高；4）低反光：表面漫反射處理，最大限度降低環境光干涉，顯著提升整屏對比度，圖像層次感更豐富，色彩更艷麗，在強光照射下，反光光線減少70%；5）耐鹽霧：選擇優質材質，且各材料和的搭配，緊密結合，耐腐蝕，抗鹽霧等級達到GB/T2423.17—2008的Ka級（5%/35℃/24H）。