一款高品质SMD2121的设计分析

      随着LED技术的进步，让其成为大众日常生活中不可或缺的一部分，例如随处可见的广告屏。现代广告业的蓬勃发展，让大屏幕LED显示技术在很多场合也得到了越来越多的应用。当前应用于各个领域的LED显示屏从其应用场合分，主要分为户外、半户外及户内显示屏三大系列。而其核心的发光元件器件又分为表贴灯珠(SMD LED)与直插灯珠（LAMP LED）两种。SMD LED由于其视角大、体积小,最小像素间距可做到3mm甚至更小，大大提高了LED显示屏的清晰度。同时，由于SMD LED支架的平面式结构,大大提升了封装厂的生产稳定性和效率，而且大幅度的提升了显示屏厂器件装配的效率，使其成为LED显示屏的主流发展方向。随着LED小间距显示屏的发展,分辨率要求越来越高，一款稳定可靠、尺寸更小的SMD LED产品称为关键。

        产品的设计是以应用为目标的，针对户内小间距LED显示屏应用场景：室内环境、低亮度、高灰度、高刷新、高对比度的环境，所有的要求因为户内观看环境与播放的内容决定。户内一般有灯光的干涉，还有播放的内容的色彩与层次一般比较丰富，因此户内小间距LED显示屏的显示效果与标准均参照传统的DLP、LCD以及投影等。例如观看放大200倍的头发丝，对比度不足，或者说灰阶表现不好的产品就会出现大片的黑色，而看不到应该具有的“头发丝”。高对比度还意味着黑色更黑、白色更白。简单来说，对比度与全开/全关对比度相同，同样是测试显示器接收全白信号时所显示的亮度与全黑信号显示器的亮度的比值。与全开/全关对比度不同的是，传统显示器会通过调节背光灯管亮度，从而使接收全白信号时所显示的亮度更高，接收全黑信号显示器的亮度更低，进而到一个更大的数值。

而LED作为显示屏的核心部件，一款好的LED对于LED显示屏达到上述效果功不可没。高品质的小间距LED的质量要求主要体现在：参数分BIN合理（一般高品质的LED的亮度IV分档控制在1.25倍以内，波长分BIN在3nm以内）、外形规则、失效率＜30ppm、表面颜色一致且不反光等。

       深圳蓝科电子有限公司作为LED显示屏领域的专业生产商，至始至终贯彻“为客户提高高品质显示屏用LED灯珠”的目标，黑晶SMD2121就是蓝科电子在多年LED显示屏灯珠封装生产总结的结晶，该产品不仅在光电产品指标上进行了完善和改进，而且具有如下特点：

1）采用进口的原生PPA材料制作黑色框架，对比度高，色彩鲜艳；

2）使用高品质环氧树脂封装，发光角度大，一致性好；

3）良好结构设计，体积小，重量轻，散热效果好，可靠性高；

4）表面雾处理，最大限度降低环境光反射，显著提升整屏对比度，图像层次感更丰富，色彩更艳丽；

5）采用面发光技术，面发光可以使屏幕图像更柔和，长时间近距离观看不伤眼睛。

1. SMD2121的设计

        我们都知道，LED的心脏是半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

       根据国家标准半导体分立元器件总规范（GB/T 4589.1-2006）及国际IEC半导体分立器件-光电器件-发光二极管要求，一款好的产品必须符合这些规范和标准。以下是我司以研发和进行中试的2121产品，如下图：

        要做出一款好的产品，必须做到，专业的设计研发，严格的生产管理，企业从组成元器件的材料选用，到先进的自动化操作机械，再到生产过程的严格质量控制（包括材料的老化处理），每个环节都要做到极致。下面对我们公司的产品的设计及生产中的要点，进行简单的介绍。

1.1 支架设计

         对于元器件产品来说，组成原物料的可靠性，对器件可靠性的唯一保证，从材料着手，LED 支架的铜必须具有以下特点: 

(1) 厚度公差要求严格，分条后的铜带在冲床内连续完成多工序的冲制成型，厚度精度要求较高；

(2) 性能控制范围要求严格。为了保证支架铜片的刚度，则屈服强度、抗拉强度、延伸率、硬度和冲制时塑性等都有严格的要求；

(3) 表面质量要求高。要求表面光洁度高，不得有油斑、划伤、锈蚀、压痕等缺陷。在这些要求下，我们选用台湾第一伸铜生产的厚度为0.127mm的 红铜；

    (4)在铜材冲压成型后，用高性能聚对苯二酰胺(PPA )材料在铜上注塑成型，达到我们要求的形状。PPA材料选用的是大冢公司的KMB40系列，它具有刚性好、吸潮性差、耐化学性能良好。

(5)支架结构设计方面，专注于金属铜与PPA的结合性，主要从几个方面进行着手：端子引脚与PPA结合部加V型槽、打麻点、由直线改为曲折Z型等，均大大提高PPA与金属铜的结合力，减少外界潮气对成品侵蚀。

这些独特设计让其适用于显示屏领域，特别是吸潮性差，一般实验条件（ASTM D570测试方法）下，经24小时其吸水率约0.02%。同时，这款材料具有尺寸稳定性良好、流动性高、抗蠕变性良好的特点，这让产品在加工的时候具有较高的质量稳定性和效率。

1.2环氧树脂材料设计分析

         封装材料的一个重要作用是保护内部电子元件不受破坏，确保器件正常工作。目前LED利用环氧树脂材料的封装方式主要有三种，依照其封装制程可分为浇注成型(mold casting)和传递模塑成型(transfer molding)。浇注成型是将树脂(A剂)和固化剂(B剂)混合后，经过真空脱泡等步骤，将液体树脂混合物注入模具型腔内，再把LED支架插入到液态树脂混合物中，经加热固化成型，最终得到制成品后拔模。这种封装方式主要应用在灯泡式LED(Lamp LED)，要求树脂具有较高的流动性，以便于加工。传递模塑成型是将模塑料在模具内熔融后，由柱塞加压，将液体树脂混合物压入型腔中并固化成型。这种封装方式需要预先制备好模塑料，主要应用在表面贴装型元件(SMD LED)，适合于快速生产。注射成型类似于热塑性塑料的成型方法，也是用注射机的螺杆将加热熔融的物料注射到模具腔中，并加热成型。这种封装方式主要用于制造精度要求比较高的光学元件上。

        我们采用传递模塑成型加工方法进行生产加工，研发一款适合生产的胶水就非常关键。对胶水的总体要求是（1）高透光率和高折射率。从LED芯片中发出的光线需要穿透封装材料层才能发射出来，因此LED的发光效率不仅和芯片有关，也和封装材料关系密切。近年来随着技术发展，LED元件内部芯片的光电转换效率越来越高，亮度越来越大。而外部取光效率则受到封装材料的制约，因此迫切要求提高材料透光能力。（2）优良的耐热性和抗老化能力。LED理论上寿命可以达到100000h，但实际上LED一般使用寿命均小于100000h，其中最主要的原因是由于LED输出亮度降低。而导致LED输出亮度降低最主要的原因是封装材料老化引起透光率的降低。因此，提高封装材料的抗老化能力是研究的重点。（3）优良的耐腐蚀性、绝缘性、抗湿性等耐环境性。因此封装材料必须具备一定的耐腐蚀能力，特别是户外使用的材料的抗湿性和耐蚀能力的要求更高。（4）合适的力学强度和粘接性能。封装材料必须具备较高的力学强度，需要具备较好的粘接性能，以便和器件基座牢固的结合。目前能够用于LED封装的材料主要是环氧树脂和硅树脂两类。硅树脂作为一种新型的封装材料，透光率比环氧树脂更优异，抗紫外线老化的能力很强，缺点是制备工艺复杂，价格高昂，力学性能不如环氧树脂。实际应用中通常根据性能要求来选择封装材料，环氧树脂多用于功率较小的LED器件上。

     在环氧树脂方面，双酚A型环氧树脂是最早得以应用的封装材料。市面上大部分的小功率LED采用双酚A型环氧树脂封装，这是由于双酚A型环氧树脂，它具有透光率高、力学性能好、折射率大、耐腐蚀、电性能优异及成本较低等优点。尽管目前可应用于LED封装的树脂类型越来越多，双酚A型环氧树脂仍然是最主要封装材料。双酚A型环氧树脂是线形的长分子链低聚物，它的分子量可以在合成过程中通过调节双酚A用量来控制，制备出液体到高熔点固体一系列的产品，制成灌封胶、传递模塑料等不同产品以适应不同的使用场合。但是双酚A型树脂本身具有一些难以克服的缺陷，这是其是分子结构决定的。双酚A型树脂上的苯环为材料提供了较好的刚性和折射率，但是苯环容易被自由基进攻，因此双酚A型树脂的耐老化性能比较差，在高温或紫外线照射下容易老化、黄变，造成材料的透光性能急剧下降，机械性能劣化。还有一种脂环族环氧树脂，它是以氧有机酸氧化饱和脂环族化合物得到的，其制造过程很少有杂质离子引入，与传统的树脂相比较，其特点比较明显：

(1)热稳定性良好，由于该树脂的分子结构中环氧基直接连接在脂环上，形成紧密的刚性分子结构，固化后交联密度较高，因而具有较高的耐热性。具体表现为马丁耐热可以达到190度以上，热分解温度大于360度。其固化收缩率小，拉伸强度高。但是由于环氧当量小，交联密度高，固化物较脆，韧性差。

(2)耐侯性好：脂环族环氧树脂的分子结构中不含苯环，具有良好的耐侯性能和抗紫外辐射能力(与双酚A相比较)。

(3)工艺适应好：该环氧树脂的粘度都比较低，在浇注成型和传递模塑成型制件时作业较方便。

       在此款2121产品中，我们选用了两种不同环氧树脂的混合体，让其性能取长补短。从机理中看，固化物中含醚键和酯键两种结构，而且反应速度受羟基浓度的支配。混合环氧树脂的固化剂采用甲基六氢苯二甲酸酐，其相对分子质量是168；在25℃时，其黏度为50-70（mPa*S）。反应活性大的酸酐和环氧树脂发生固化反应时必然放热量大，模塑料固化收缩与LED晶片热收缩有差异，即两者间的膨胀系数不同，一般模塑料比晶片和引线的膨胀系数要大一个数量级，在成型，加热到冷却至室温的过程中必然在LED芯片上残留应力。随着LED体积的越来越小，芯片尺寸的占比越来越大，固化环氧树脂与硅元件热膨胀系数不同而产生的应力将造成破坏。同时，局部过热就会造成浇注件中保留热应力，有可能造成裂纹或形成树脂与工件的界面气隙。为了降低产品的内部应力，我们在固化剂方面也做了一些改善：选用低应力、粘胶性好和反应性高的固化剂；同时采用一些结构的酸酐作为模塑料的固化剂，可以减少吸收率5%，提高耐热性7°，这样就提高固化剂的耐水性和耐热性，从而保证了整个产品的可靠性。

       从理论上来说，热应力可以用下式来表示：    

σ=KEαΔT

        式中： σ —热应力； K—常数；E—弹性模量；ΔT—模塑料Tg和室温的差；α—热膨胀系数；

从该公式中可以看出较低树脂的弹性模量和Tg是减少热应力的有效途径。树脂本身低应力化的方法一般有这些：各种烷基苯酚共缩合的线性酚醛的环氧化；含有比-CH2-更长链基的酚类缩合物的环氧化；邻甲酚线性酚醛型环氧树脂与含有活性端机弹性体的加成物。目前市面上应力比较低的树脂为有机硅橡胶改性环氧树脂。

        经过以上材料及工艺的精细搭配，使“黑晶”SMD2121灯的可靠性有明显的提升。首先，在外观上呈良好的亚光效果，如下图所示：

         如图所示，产品有三个明显的特点：第一，面发光效果，这让红绿蓝三个芯片发出的光比较柔和；第二，上表面粗糙，避免了由胶水镜面效果而产生的光反射；第三，灯珠正面整体偏黑，这是因为有黑色PPA材料和环氧树脂的综合效果，提高显示屏的黑白对比度。

1.3  SMD2121性能测试

        在得到供应商的大力支持下（特别是原材料方面），蓝科公司在考虑上面设计要点的时候，做的对每一个细节的选择和确认，生产出一款高品质的黑晶SMD 2121产品。一款好产品，势必经得起各种测试。国际照明委员会（CIE）1997年发表CIE127-1997LED测试方法，把LED强度测试确定为平均强度的概念，并且规定了统一的测试结构和探测器大小，这样就为LED准确测试比对奠定了基础。虽然CIE127－1997测试方法并非国际标准，但它容易实施准确测试比对，目前世界上主要企业都已采用。按照CIE127-1997LED我们对黑晶SMD2121做了以下一些测试。

1.3.1常用的光电参数

1.3.2红绿蓝光型匹配曲线

1.3.3与日亚和国内某品牌的可靠性对比试验

     按照国际半导体产业标准（JSTD:JEDEC STENDARD）和日本电子协会标准（JEITA）电子产品可靠性的测试方法，对黑晶SMD2121按照以下条件做了测试： 

判定如下：

结论

         文章立足产品设计根本，从材料出发，介绍了一款高性能的黑晶SMD2121产品，她具有以下明显特点:1）对比度高：采用亚光PPA外壳，光线柔和，加特殊的树脂灌封，极大提高对比度；2）面发光：使用高质量环氧树脂封装，发光角度大，一致性好，均匀的扩散混色，色彩饱和度高，且面发光可以使屏幕图像更柔和，长时间近距离观看不伤眼睛；3）高可靠性：良好结构设计，体积小，重量轻，散热效果，材料配合好，耐温度循环500次以上，防潮等级3级，可靠性高；4）低反光：表面漫反射处理，最大限度降低环境光干涉，显著提升整屏对比度，图像层次感更丰富，色彩更艳丽，在强光照射下，反光光线减少70%；5）耐盐雾：选择优质材质，且各材料和的搭配，紧密结合，耐腐蚀，抗盐雾等级达到GB/T2423.17—2008的Ka级（5%/35℃/24H）。