發光二極體射出導線架 在LED工業的供應鏈中，最被大家所忽略的就是射出導線架了。它的正式名稱是捲軸式埋入射出導線架(Reel-to-Reel Insert Molded Lead Frame)，俗稱“射出支架”。在LED 封裝廠上游的供應鏈中，晶片、支架與封裝材是最重要的三大原物料，也是LED封裝廠最主要的成本來源。LED的化合物半導體磊晶片(Compound Semiconductor)早在20年前筆者就讀於研究所時，就是當時最熱門的學術研究題目之一。經歷了多年的研究發展，並且成功地被產業化，引領了台灣上中下游LED工業的蓬勃發展。封裝材(Encapsulant)則主要被國外廠商所壟斷，但亦是多家供應。目前有少數的台灣化工廠在研發中。射出支架在早期主要由日商供應，最近幾年因台灣封裝廠大量設立而成立許多的射出支架廠。由於擁有“固態照明”(Solid State Lighting; SSL)的“節能”題材，與LED 相關的工業在台灣乃變得炙手可熱。 一.廠房的設立 無論是沖壓機、射出機或是切折機都牽涉到“震動”(Vibration)的問題，而必須考慮樓板“結構強度”。通常沖壓機與切折機建議放置在沒有地下室的一樓。樓板結構強度資料可向廠商或公司總務詢問。另外LED 射出支架廠的廠房最好是要有潔淨室。這是因為空氣中的塵粒在LED工業的製程中影響甚鉅。雖不致於如半導體工業的嚴格要求，但是Class 100,00 的工作環境是要有的。台灣這幾年由於IC 與TFT-LCD 產業的發達，帶動了整個價值供應鏈。其中之一就是發包設計無塵室的工程供應包商，應不難找到。另外工作環境的恆溫恆溼、工作人員的無塵衣鞋、人員與物品進出口的設計、生產線流程動向等均應詳細規劃。 二.設備的選擇 1.射出機:A.机台锁模力至少40吨以上,但也不能太大,最好不要超过80吨. B.要有较高的射速,因PPA的流动性非常好. C.要有稳定的控制系统,以保证产品的稳定性. 2.螺桿:长径比在1:18-1:22左右. 如干燥机,传送系统等. 3.附屬設備: 三.塑膠材料 大部份的讀者可能都知道，塑膠可以分為熱塑性塑膠(Thermoplastics)與熱固性塑膠(Thermosets)。而熱塑性塑膠又分為結晶性(Crystalline)與非結晶性(Amorphous)塑膠。LED 的射出支架所使用的塑膠，是一種半結晶性、耐高溫的尼龍塑膠，這是因為封裝後的LED 支架必需在265°C 、10 秒下被表面焊接(Surface Mount)在電路板上(即IR--Reflow)，而且必需能耐熱，因此一般的塑膠是無法承受此高溫的。而大功率發光二極體(High Power LED)所使用的透鏡(Lens)一般是一種透明的、非結晶性的聚碳酸酯塑膠(Polycarbonate;PC)或亚克力树脂。在第一代大功率發光二極體的製程中，由於不需要經過自動化的高溫焊錫爐，因此PC或亚克力做的透鏡功能可以勝任。但是在第二代大功率發光二極體的製程中，則需要耐高溫、透明的熱固性塑膠或矽膠(Silicon)，用以經過自動化的高溫焊錫爐。现在最新的技术为Injection molding,用molding的方式使硅胶快速成型(一般为几秒钟).因为机械作业,可提高生效率,一台Injection molding机的月产能约为800K-1KK,为人工的上百倍;良率可达99%以上,同时因为快速固化,萤光粉不容易沉淀,使得出光更均匀,可有效改善大功率头疼的光斑问题.因使用的是非自粘性硅胶,价格约为点胶用的自粘性硅胶的1/4-1/6.可有效节省成本. LED 的射出支架所使用的塑膠，主要供應商 Solvay 的PPA，以及其它的次要供應廠商。這些特用級的工程塑膠主要是尼龍。它們的特性是可滿足高耐熱變形溫度(Heat Deflection Temperature; HDT)、高模溫(Mold Temperature)與乾燥(Drying)的要求。這幾點在後續的加工製程上會詳細描述。 LED 的射出支架製程 SMD LED 可分為Lead Frame Type 以及PCB Type 二種。導線架SMD LED 的製造流程圖如圖二所示。 圖二、SMD LED 射出導線架製造流程圖 1. 原物料 對於LED 的射出支架廠而言，原物料佔生產成本的主要部份包括沖壓金屬、電鍍金屬與射出的塑膠。這幾年原物料價格飛漲，射出支架廠與國外為主的原物料供應商幾乎完全沒有議價的空間。而在另一頭LED 封裝廠則定期的要求降價。這二者大大壓縮了射出支架廠的利潤空間。唯有提高生产效率及生产良率才能赚錢。有生產數量的優勢，也才有議價的空間。 2. 沖壓製程 絕大部份的LED金屬導線架均是使用銅合金(Copper Alloy)，例如A-194 。而 IC 的金屬導線架則是使用鐵合金，例如A-42 。主要是因為A-42 較不易形成氧化層，同時熱膨脹係數只有4.5 ppm /°C ，與晶片的熱膨脹係數2.3~2.6 ppm /°C 較接近。但是由於環氧樹脂的熱膨脹係數高達16~20 ppm/°C ，與A-194 的熱膨脹係數 17~18 ppm/°C 相吻合， A-194 可以降低塑膠與金屬介面之間的熱機械應力(Thermomechanical Stress)。 3. 電鍍製程 如同電子連接器(Connector)的金屬接點，是以鍍金(Gold Plating)為主。這主要是因為金是良好的電與熱的導體，同時亦耐腐蝕。發光二極體的金屬接腳，因為不需做金屬接觸(Matting)，或多次插拔，而是被焊接在電路板上， 因此是以鍍銀(Silver Plating)為主。也就是發光二極體導線架表面加工的主要目的是防蝕(Minimize Corrosion)與增加焊錫性(Enhance Solderability)。相對於鍍金，鍍銀屬於非貴重金屬表面加工,有利于节省成本及提高反射率。但銀易與硫(Sulfur)與氯(Chlorine)形成表面氧化膜，造成電氣失效。還好此氧化膜很軟，極易被破壞。鍍銀的另一缺點是銀遷移(Migration)，造成電路接點短路。 鍍銀生產線又可分為全鍍、半鍍與選鍍(Selective Plating)。圖三是電子連接器鍍金的三種主要方式：全鍍、選鍍與複合鍍。LED 鍍銀則是分為全鍍、半鍍與選鍍。半鍍(Flash Plating)在Lamp LED 的電鍍上是為了節省成本的作法。亦即在LED 支架的功能區，銀層厚度要符合客戶要求，但兩腳的切折區只要厚度極少的鍍銀部份。雖然銀價不若金價般的昂貴，但是銀價仍是節節高升。業者可以評估選鍍線的設立。LED 導線架鍍銀層對LED 亮度的影響，可由鍍層反射率與折射率來解釋。首先要量測鍍銀層厚度，其次量測鍍銀層表面粗糙度(Roughness)，然後再比較鍍銀層的反射率與折射率。發現鍍層經過粗化，反射率較佳。 圖三、(a)全鍍；(b)選鍍；(c)複合鍍 4. 射出製程 (1)塑膠粒處理(射出前干燥处理) (2)射出參數的設定 重要的射出參數包含射出行程、射出速度、保壓設定、V-P 切換位置、模溫設定與熔膠溫度等。射出容量是由螺桿大小與射出行程決定。若設定初始射出容量，則V-P 切換位置固定。改變V-P 切換位置，查看有無“射飽”。 保壓設定與產品尺寸與重量有關。保壓時間視流道(Runner)設計而定。射壓與保壓壓力的切換有多種方式，重點是切換要平順，其次要確定熔膠溫度。射出过程中须注意细节问题. 對於射出支架廠而言，成形時間(Cycle Time)的多寡是最重要的參數，也是能否賺錢的關鍵。增加模溫將增加成形時間，對於射出支架廠是划不來的。但是對於耐高溫尼龍胶粒而言，必需要使用较高模溫，否則產生所謂的“二次結晶”(Secondary Crystalline)或“再結晶”(Re-Crystalline)，造成對物性及产品尺寸的影響。圖四由示差熱分析儀(Differential Scanning Calorimeter; DSC)顯示出加模溫與不加模溫的變化。注意模溫並非一直加上去，這主要是與“結晶度”相關。結晶性塑膠的結晶行為是有最適化的溫度點。此乃是由於結晶成核(Nucleation)與結晶擴散(Diffusion)二過程彼此競爭，與“過冷度”(Degree ofSuper Cooling; δT)有關。 圖四、示差熱分析儀(DSC)顯示(a)加模溫；(b)不加模溫的變化 (3)塑膠模具 塑膠模具的設計首重” 澆道平衡”(Runner Balance)。圖五顯示平衡與非平衡澆道。早期的LED 射出支架均使用”樹枝狀”非平衡澆道。這種方式的優點在節省流道重量，但是會產生“缺料”情況。注意雖然如圖五(a)已改成H 型平衡澆道，但是豎澆道(Sprue)、流道(Runner)、二次流道(Second runner)與澆口(Gate)並未做最適化。其次要依據塑膠材料供應商建議的模收縮(Mold Shrinkage)及拔模角(Draft Angle)開模。最後進行模流分析(含澆道及成品)。另外經常在產品上看到短射(Short Shot)。圖六解釋由於包風或困气造成短射的現象。改善包風或困气可藉由改善頂針(Ejector Pin)的逃氣(Venting)加以改良。 圖五、平衡與非平衝澆道 圖六、包風造成短射