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發(fā)光二極管的發(fā)展歷史

發(fā)布時(shí)間:

2024-06-25 10:17


LED顯示器件封裝的發(fā)展歷程
LED顯示屏器件封裝技術(shù)的進(jìn)步,可以說(shuō)是LED顯示屏技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。從20世紀(jì)80年代的點(diǎn)陣模塊封裝,到90年代的直插式封裝,再到21世紀(jì)初的亞表貼和表貼三合一封裝,LED顯示屏器件的封裝技術(shù)不斷發(fā)展,逐步提升了顯示效果和可靠性。

在早期的點(diǎn)陣模塊封裝中,LED顯示屏的分辨率較低,色彩表現(xiàn)單一,主要用于簡(jiǎn)單的戶(hù)外顯示。而到了90年代,直插式封裝技術(shù)的出現(xiàn),使得LED顯示屏的色彩和分辨率有了顯著提升,開(kāi)始廣泛應(yīng)用于戶(hù)外廣告和大型顯示屏。

進(jìn)入21世紀(jì),亞表貼和表貼三合一封裝技術(shù)的興起,使得LED顯示屏的亮度、一致性和可靠性進(jìn)一步提高,顯示效果更加出色。這些技術(shù)的發(fā)展,為L(zhǎng)ED顯示屏在更多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

主流封裝技術(shù)
直插引腳式封裝(Lamp)

直插引腳式封裝(Lamp)是最早成功研發(fā)并投放市場(chǎng)的LED產(chǎn)品之一。這種技術(shù)的制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,成本低,具有較高的市場(chǎng)占有率。直插式LED主要用于戶(hù)外大屏幕顯示,如點(diǎn)間距在P10以上的大屏,其亮度和可靠性表現(xiàn)尤為突出。然而,隨著戶(hù)外點(diǎn)間距朝著高密度方向發(fā)展,直插式LED逐漸被SMD器件所替代。

Lamp
直插引腳式封裝技術(shù)雖然簡(jiǎn)單,但其單色發(fā)光應(yīng)用較多,主要用于大屏幕點(diǎn)陣顯示和指示燈等領(lǐng)域。近年來(lái),RGB三合一Lamp LED器件也在研發(fā)中,以滿(mǎn)足高亮度、高分辨率的拼接需求。這種封裝方式在戶(hù)外大屏中依然具有優(yōu)勢(shì),但在更高密度的應(yīng)用中,其限制逐漸顯現(xiàn)。

表貼三合一(SMD)封裝

表貼三合一(SMD)LED于2002年興起,并迅速占據(jù)市場(chǎng)份額。SMD封裝技術(shù)的引入,使LED顯示屏的亮度、一致性、可靠性和視角都有了顯著提升。SMD LED體積小、重量輕,適合回流焊接,廣泛應(yīng)用于戶(hù)內(nèi)、外全彩顯示屏。


SMD 貼片燈
SMD封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其自動(dòng)化程度高,制造工藝精細(xì),能夠在小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高亮度和高一致性的顯示效果。這使得SMD LED在戶(hù)內(nèi)小間距顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái),SMD LED器件封裝正朝著小尺寸發(fā)展,以滿(mǎn)足高分辨率顯示屏市場(chǎng)的需求。

新興封裝技術(shù)
小間距技術(shù)的興起

隨著LED芯片封裝技術(shù)、顯示屏驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及顯示屏組裝制造工藝的進(jìn)步,LED顯示屏的分辨率得到了大幅提升。小間距顯示技術(shù)的興起,使得LED顯示屏逐漸與傳統(tǒng)顯示技術(shù)形成了競(jìng)爭(zhēng),并在商用顯示、指揮控制中心等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

小間距LED顯示屏技術(shù)不僅提升了顯示效果,還降低了制造成本。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,LED顯示屏的像素間距不斷縮小,顯示效果更加細(xì)膩,色彩表現(xiàn)更加豐富。這使得小間距LED顯示屏在商用顯示、指揮控制中心等高端顯示領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

COB封裝技術(shù)

COB封裝技術(shù)(Chip on Board)通過(guò)將多顆LED芯片直接安裝在散熱PCB基板上,省去了單顆LED器件封裝后再貼片的工藝,顯著提高了制造效率。COB封裝不僅降低了芯片熱阻,還能夠減少支架成本,并簡(jiǎn)化LED屏的制造工藝。然而,COB封裝技術(shù)仍面臨封裝一次通過(guò)率不高、對(duì)比度低和維護(hù)成本高等挑戰(zhàn)。

 

COB封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其高密度集成和良好的散熱性能,使得LED顯示屏的分辨率和亮度得到了顯著提升。盡管目前COB封裝技術(shù)在大規(guī)模量產(chǎn)上仍面臨一些挑戰(zhàn),但其在高端顯示領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

Micro LED封裝技術(shù)

Micro LED顯示技術(shù)因其LED結(jié)構(gòu)的薄膜化、微小化與陣列化,具備了超高分辨率、低功耗、高亮度等優(yōu)點(diǎn),被視為新一代顯示技術(shù)。Micro LED封裝技術(shù)的核心在于解決LED芯片在巨量轉(zhuǎn)移過(guò)程中的高良率和轉(zhuǎn)移率問(wèn)題。盡管技術(shù)難度大,但Micro LED顯示技術(shù)的前景十分廣闊。

Micro LED顯示技術(shù)通過(guò)將LED芯片微型化,使每一個(gè)像素點(diǎn)都能夠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)光,從而實(shí)現(xiàn)超高分辨率和色彩表現(xiàn)。這種技術(shù)不僅在小尺寸可穿戴設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景,還將在中大型顯示屏中展現(xiàn)出巨大的潛力。

封裝技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
LED顯示屏器件封裝在朝著小型化、集成化和高可靠性發(fā)展的過(guò)程中,面臨著諸多挑戰(zhàn)。隨著LED顯示屏市場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境的細(xì)分,封裝技術(shù)需要不斷創(chuàng)新,以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。例如,高防水、高亮度、抗紫外的戶(hù)外LED顯示屏,以及追求高對(duì)比度和高分辨率的戶(hù)內(nèi)顯示屏,都對(duì)封裝技術(shù)提出了更高的要求。

在小型化和高密度集成的過(guò)程中,封裝工藝的精度和穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵。例如,在COB封裝技術(shù)中,如何提高一次通過(guò)率和顯示均勻性是一個(gè)重要的技術(shù)難題。而在Micro LED封裝技術(shù)中,如何實(shí)現(xiàn)高良率的巨量轉(zhuǎn)移則是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

結(jié)論
LED顯示屏器件封裝技術(shù)的發(fā)展,不僅提升了顯示效果和可靠性,也推動(dòng)了顯示技術(shù)的不斷革新。未來(lái),隨著COB封裝、Micro LED封裝技術(shù)的進(jìn)一步成熟,LED顯示屏將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,帶來(lái)更高品質(zhì)的視覺(jué)體驗(yàn)。面對(duì)挑戰(zhàn),封裝技術(shù)需要持續(xù)創(chuàng)新,以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求的變化和

 

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2023.11.15

LED 即為發(fā)光二極管,是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體固體發(fā)光器件,其核心是 PN 結(jié),它除了具有一般 PN 結(jié)的正向?qū)?、反向截止和擊穿特性外,在一定條件下,它還具有發(fā)光特性 。其結(jié)構(gòu)主要包含以下幾個(gè)部分:引線(xiàn)、支架、封裝膠、鍵合絲、LED 芯片、固晶膠和熒光粉。LED 燈珠變色失效與其材料、結(jié)構(gòu)、封裝工藝和使用條件密切相關(guān),以下將通過(guò)具體的案例來(lái)對(duì)其變色原因進(jìn)行分析。 ????封裝膠原因 ?1??封裝膠中殘留外來(lái)異物? 失效燈珠的外觀(guān)呈現(xiàn)局部變色發(fā)黑,如圖 2 所 示。揭開(kāi)封裝膠,發(fā)現(xiàn)有一個(gè)黑色異物夾雜在封裝膠內(nèi),用掃描電鏡及能譜儀 (SEM&EDS) 對(duì)異物進(jìn)行成分分析,確認(rèn)其主成分為鋁(Al)、碳(C)、氧 (O)元素, 還含有少量的雜質(zhì)元素,測(cè)試結(jié)果如圖 3 所示。結(jié)合用戶(hù)反饋的失效背景可知,該異物是在封裝過(guò)程中引入的。 ?2??封裝膠受化學(xué)物質(zhì)侵蝕發(fā)生膠體變色? 失效品為玻璃光管燈,內(nèi)部的 LED 燈帶使用單組份室溫固化硅橡膠粘結(jié)固定在玻璃管上,固膠部位燈帶上的 LED 燈珠出現(xiàn)發(fā)黃變暗現(xiàn)象。失效燈珠封裝膠的材質(zhì)為硅橡膠,使用 SEM&EDS 測(cè)試封裝膠的元素成分,發(fā)現(xiàn)其比正常燈珠封裝膠成分多檢出了硫(S)元素。 通常硫磺、有機(jī)二硫化物和多硫化物等含硫物質(zhì)可以作為硫化劑,使橡膠發(fā)生硫化交聯(lián)反應(yīng),從而使橡膠的結(jié)構(gòu)改變,呈現(xiàn)出顏色發(fā)黃變暗、熱分解溫度升高的現(xiàn)象。通過(guò) TGA 測(cè)試燈珠封裝膠體的熱分解溫度可知,失效燈珠封裝膠在失重 2%、5%、10%、15%和 20%時(shí)的溫度均比同批次良品封裝膠相同失重量的溫度高出 25 ℃以上,封裝膠熱分解曲線(xiàn)如圖 5 所示,證實(shí)了封裝膠因發(fā)生硫化交聯(lián)導(dǎo)致其熱分解溫度升高的現(xiàn)象。使用 ICPOES 進(jìn)一步對(duì)起固定作用的單組份固化硅橡膠進(jìn)行化學(xué)成分分析,檢出其中含有約 400ppm 的硫(S)元素。 由此可知,LED 燈珠發(fā)黃變暗的原因?yàn)椴A艄軆?nèi)粘結(jié)固定用的單組份室溫固化硅橡膠在固化過(guò)程中揮發(fā)出的含硫(S)的氣體侵入到了 LED 封裝膠中,使封裝膠發(fā)生了進(jìn)一步的硫化交聯(lián)反應(yīng), 而再次硫化交聯(lián)導(dǎo)致封裝膠體變黃變暗。后續(xù)用戶(hù)改用未使用單組份固化硅橡膠的塑料燈管則未出現(xiàn)燈珠變色的現(xiàn)象。因此,LED 生產(chǎn)方在產(chǎn)品設(shè)計(jì)選材和制造時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)品各部件所用不同材料相互間的匹配性,避免因材料的不兼容而導(dǎo)致后續(xù)出現(xiàn)可靠性問(wèn)題。 ????熒光粉沉降 燈珠裝配成 LED 燈具后在倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存時(shí),發(fā)生了色溫漂移失效,失效 LED 燈珠的封裝膠由橙色變?yōu)闇\黃色,對(duì)其進(jìn)行 I-V 特性測(cè)試,發(fā)現(xiàn)燈珠可以正常點(diǎn)亮,且 I-V 曲線(xiàn)正常,只是出光亮度發(fā)生改變。取一些失效燈珠,以機(jī)械開(kāi)封方式取出封裝膠,發(fā)現(xiàn)支架表面均殘留有透明顆粒物,使用 SEM&EDS 測(cè)試顆粒物成分,結(jié)果顯示其含有高含量的鍶(Sr)元素,如圖 6 所示;而封裝膠與支架接觸面也檢出了高含量的鍶(Sr)元素和鋇(Ba)元素。 與之相比,良品燈珠開(kāi)封后,支架表面較干凈,表面主成分為銀(Ag)和少量的碳(C)元素,未檢出鍶(Sr)元素, 且在其封裝膠與支架的接觸面上也未檢出鍶(Sr)和鋇(Ba)元素。通過(guò)測(cè)試失效品和良品燈珠封裝膠的截面成分得知,二者所用的熒光粉的成分相 同,均為釔鋁石榴石(主要成分為氧 (O) 、鋁(Al)和釔(Y))與硅酸鍶鋇(主要成分為碳(C)、氧(O)、 硅(Si)、鍶(Sr)、鋇(Ba)和鈣(Ca))混合熒光粉。 因此,LED 燈珠的失效原因?yàn)樗褂玫墓杷猁}熒光粉沉降到了封裝膠底部及支架表層,致使因光折射規(guī)律不一致而發(fā)生色散現(xiàn)象,導(dǎo)致色溫漂移,同時(shí)發(fā)生燈珠變色現(xiàn)象。 ????支架原因 ?1??異物污染支架? 失效燈珠一側(cè)變色,揭開(kāi)封裝膠后可以看到變色部位的支架的表面覆蓋了一層異物,對(duì)異物進(jìn)行元素成分測(cè)試,顯示其主成分為錫 (Sn) 、鉛(Pb)元素,測(cè)得的結(jié)果如圖 8 所示。揭開(kāi)燈珠變色部位外圍的白色塑膠,在與白色塑膠接觸的支架 表面也檢出了錫 (Sn)、 鉛 (Pb) 成分。由于異物覆蓋部位的支架與燈珠一側(cè)的引腳相連,而引腳采用錫鉛焊接。 顯而易見(jiàn),如果燈珠在進(jìn)行表面貼裝時(shí),引腳沾附了多余的錫膏,則在焊接時(shí),熔化的焊料會(huì)沿著引腳爬升至與之相連的支架表面,形成覆蓋層。因此,此案例中 LED 燈珠失效的原因是LED燈珠在進(jìn)行組裝焊接時(shí),引腳焊接部位的焊料進(jìn)入了支架表面,形成了覆蓋物,從而導(dǎo)致了燈珠變色。 ?2??支架腐蝕? 失效 LED 燈珠的中間部位變色發(fā)黑,開(kāi)封后將其放在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察,發(fā)現(xiàn)整個(gè)支架的表面明顯地變黑,使用 SEM&EDS 測(cè)試發(fā)黑支架的成 分,結(jié)果顯示,除了正常的材質(zhì)成分外,發(fā)黑支架中還具有較高含量的腐蝕性硫 (S)元素,而支架表面鍍銀層局部也呈現(xiàn)出疏松的腐蝕形貌,如圖 9 所示。通常 LED 燈珠在生產(chǎn)過(guò)程中,由于材料自身不純或工藝過(guò)程污染等原因引入硫(S)、氯 (Cl)等腐蝕性元素時(shí),在一定條件下(如高溫、水汽殘留等),其金屬支架極易發(fā)生腐蝕,導(dǎo)致燈珠出現(xiàn)變色、漏電等失效現(xiàn)象。 ?3??支架鍍層質(zhì)量差? LED 燈珠點(diǎn)亮老化后出現(xiàn)變色發(fā)黑現(xiàn)象,且失效率高達(dá)30%。去掉燈珠表面的封裝膠后,發(fā)現(xiàn)支架表層銀鍍層失去原有的光亮,呈現(xiàn)灰色。使用SEM 觀(guān)察支架表層微觀(guān)形貌,發(fā)現(xiàn)與未裝配的半成品支架相比,LED 失效燈珠的支架表面銀層疏松且有較多的孔洞。 將半成品支架和失效 LED 制作成切片, 觀(guān)察其截面鍍層質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)支架鍍層結(jié)構(gòu)為銅鍍鎳再鍍銀,與半成品相比,失效品支架的鎳鍍層變薄,表層銀層變得疏松,且鎳銀鍍層界限變得模糊, 樣品的支架截面形貌如圖 10 所示。使用 AES 測(cè)試失效 LED 支架淺表層成分,發(fā)現(xiàn)其中會(huì)有鎳(Ni)元素, 測(cè)試結(jié)果如圖 11b 所示,很顯然,鎳鍍層擴(kuò)散至了銀層表面。 由此得出,LED 燈珠變色的原因?yàn)樗玫闹Ъ苠儗硬涣迹?老化后銀層疏松產(chǎn)生孔洞、鎳層經(jīng)過(guò)銀層孔洞擴(kuò)散到銀層表面,導(dǎo)致銀層發(fā)黑,燈珠變色。 在眾多的 LED 變色失效案例中,因支架變色或腐蝕導(dǎo)致的失效所占的比例是最高的。因 此,LED 或支架生產(chǎn)方應(yīng)采取一些措施來(lái)預(yù)防產(chǎn)品失效。例如:選擇質(zhì)量良好的、耐蝕的支架基材;采取適宜的電鍍工藝條件,保證形成晶粒細(xì)膩、結(jié)構(gòu)致密的鍍層,鍍層厚度均勻并達(dá)到防護(hù)要求;對(duì)于表層鍍層為銀的支架,選取有效的銀保護(hù)工藝,提高銀支架的防變色能力;在 LED 生產(chǎn)裝配的過(guò)程中,則應(yīng)防止外來(lái)的污染或腐蝕性物質(zhì)的引入,確保LED 封裝嚴(yán)密,以降低因環(huán)境中的水汽和氧氣等的侵入而引發(fā)各種腐蝕的可能性。 以上分析了因封裝膠、熒光粉和支架構(gòu)件異常導(dǎo)致 LED 燈珠變色失效的原因和機(jī)理,希望能為業(yè)界提供參考和指引,使 LED 生產(chǎn)方在選材及制造過(guò)程中采取有效的措施來(lái)預(yù)防這些失效現(xiàn)象的發(fā)生,進(jìn)一步地提高 LED 成品的可靠性。

圖片名稱(chēng)

2023.11.15

貼片LED燈珠的焊接方法有多種,下面是其中一種常用的方法,供參考。首先用電烙鐵在燈珠的正、負(fù)極焊盤(pán)上燙上一些焊錫(焊錫千萬(wàn)不能多,否則,用熱風(fēng)槍一加熱,正、負(fù)極的焊盤(pán)就會(huì)連在一起),然后用熱風(fēng)槍同時(shí)加熱正、負(fù)極焊盤(pán),待錫熔化后,用鑷子將燈珠的正負(fù)極放在對(duì)應(yīng)的焊盤(pán)上即可。    該操作要快、要準(zhǔn),否則,熱風(fēng)槍會(huì)把LED的塑封熔化而損壞。    在沒(méi)有熱風(fēng)槍的情況下,按LED燈珠的結(jié)構(gòu)和所用基板的不同也可用不同的焊接方法。貼片LED燈珠引腳有采用半塑封的,即燈珠兩邊外露一小部分引腳,如常用的5730、7020、4014等;也有采用全塑封的,即燈珠的正負(fù)極全部在芯片的底部,如3030等。對(duì)半塑封的燈珠如7020的焊接也比較容易,同樣在焊接前要先在焊盤(pán)上燙一點(diǎn)錫(燈珠的引腳不要燙錫),兩邊用鑷子把燈珠的正負(fù)極對(duì)應(yīng)放在焊盤(pán)上,用手指或小改錐壓住燈珠,最后用電烙鐵迅速對(duì)外露的電極進(jìn)行加熱,同時(shí)手指適當(dāng)加力往下壓(加熱時(shí),烙鐵不能來(lái)回搓動(dòng),手指的壓力也不要過(guò)大,否則會(huì)損壞燈珠)。      對(duì)于全塑封的燈珠(如3030),若燈條基板為普通的電路板,則先用刀片把燈珠焊盤(pán)周?chē)钠峁胃蓛?,露出銅線(xiàn),然后在焊盤(pán)上燙少許錫,先焊焊盤(pán)大的電極,接著把電烙鐵放在新刮出的銅線(xiàn)上加熱(不能放到焊盤(pán)上),待焊盤(pán)上的錫熔化后,用鑷子把燈珠的對(duì)應(yīng)極放在焊盤(pán)上略加壓即可,最后焊焊盤(pán)小的電極。必須先焊焊盤(pán)大的電極是因?yàn)樗璧募訜釙r(shí)間長(zhǎng),若后焊此電極,燈珠易過(guò)熱而損壞。      若燈條基板為鋁基板,就不能用上述方法了,因?yàn)橛娩X基板的線(xiàn)路都設(shè)計(jì)得很細(xì)。在焊接這類(lèi)燈條的燈珠時(shí),可利用熱傳導(dǎo)來(lái)焊接燈珠,對(duì)燈珠正負(fù)極焊盤(pán)的背面鋁板同時(shí)加熱,待焊盤(pán)上的錫熔化后,把燈珠放在焊盤(pán)上略加壓即可。加熱器可從淘寶上購(gòu)買(mǎi),也可用大功率電烙鐵(不小于100W的)來(lái)代替。      用電烙鐵焊接燈珠時(shí),電烙鐵的外殼必須很好地接地,最好也戴上防靜電手環(huán),以防感應(yīng)電和靜電損壞LED燈珠。另外,烙鐵頭要磨成馬蹄形的,以增大接觸面積,縮短焊接時(shí)間。

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