Nghiên cứu đóng gói led dùng trong chiếu sáng nông nghiệp

TỔNG QUAN

Tổng quan về ánh sáng thúc đẩy ra hoa

1.1.1 Nhu cầu về nguồn sáng nhân tạo trong sản xuất nông nghiệp

Ngày nay, sự gia tăng dân số toàn cầu đã làm tăng nhu cầu về lương thực và các sản phẩm nông nghiệp Bên cạnh đó, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đang thúc đẩy ngành nông nghiệp hướng tới những mục tiêu bền vững và hiệu quả hơn.

Việc áp dụng công nghệ "xanh" và thông minh giúp giảm thiểu tác động đến môi trường và tự động hóa nhiều quy trình trong nông nghiệp Kiểm soát các yếu tố khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, dinh dưỡng và không khí cho phép tối ưu hóa sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Điều này tạo ra môi trường trồng trọt nhân tạo, ít hoặc không phụ thuộc vào khí hậu tự nhiên, đảm bảo canh tác hiệu quả ngay cả ở những vùng hải đảo cô lập, khu vực có khí hậu khắc nghiệt hoặc trong các đô thị.

Trước đây, các loại đèn truyền thống như sợi đốt, huỳnh quang compact và đèn cao áp hơi natri rất phổ biến Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ chiếu sáng, đèn LED đã ra đời và mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Đèn LED không chỉ có hiệu suất cao hơn mà còn bền bỉ và thân thiện với môi trường Nhờ vào những lợi ích này, đèn LED đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong chiếu sáng nông nghiệp, vì khả năng điều khiển nguồn sáng linh hoạt và tạo ra ánh sáng đa dạng phù hợp với từng loại cây trồng.

Nghiên cứu ứng dụng chiếu sáng LED trong nông nghiệp đang thu hút sự chú ý toàn cầu nhờ hiệu quả vượt trội của nó Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực cải tiến hiệu suất của đèn LED bằng cách sử dụng các vật liệu tiềm năng và phát triển phổ ánh sáng phù hợp cho từng loại cây trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau.

Hình 1.1 Vai trò và điều kiện ánh sáng ở mỗi giai đoạn sinh trưởng [1]

Việc chiếu sáng kích thích cho các loại cây ngày dài đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát ra hoa vào mùa nghịch, giúp tăng năng suất cây trồng Đồng thời, kích thích ra hoa đồng loạt vào mùa thuận không chỉ thuận tiện cho việc thu hái mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, việc trồng và xuất khẩu Thanh Long - một loại cây ngày dài - đang ngày càng phát triển.

Việt Nam hiện là quốc gia dẫn đầu Châu Á về diện tích và sản lượng thanh long, đồng thời cũng là một trong những nước xuất khẩu thanh long hàng đầu thế giới Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, 60/63 tỉnh, thành phố trồng thanh long, với diện tích và sản lượng tăng trưởng mạnh mẽ Từ hơn 2.200 ha và gần 23.000 tấn vào năm 1995, đến năm 2018, diện tích trồng thanh long đã tăng lên gần 54.000 ha, sản lượng đạt hơn 1 triệu tấn, tương ứng với mức tăng 24 lần về diện tích và 46 lần về sản lượng, với kim ngạch xuất khẩu đạt trên 1,1 tỷ USD Do đó, nghiên cứu phát triển nguồn sáng thúc đẩy quá trình ra hoa cho cây thanh long là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành nông nghiệp.

1.1.2 Cơ sở lý thuyết về ánh sáng kích thích ra hoa cho cây ngày dài

Cây không chỉ sử dụng ánh sáng để quang hợp mà còn để tối ưu hóa sự sinh trưởng và phát triển trong suốt vòng đời Cấu trúc quang phổ, thông lượng bức xạ, hướng và thời gian chiếu sáng thay đổi theo mùa, vĩ độ và khí hậu địa phương, buộc cây phải tiến hóa các hệ thống cảm thụ quang độc đáo để phản ứng với dải bước sóng từ UV-B đến đỏ xa Tín hiệu ánh sáng có thể điều chỉnh các thay đổi trong cấu trúc và hình dạng của cây, như nảy mầm, mở rộng lá, tránh che khuất, kéo dài thân, ra hoa và tổng hợp sắc tố Đồng thời, cây cũng dựa vào đồng hồ sinh học để điều chỉnh sự sinh trưởng và phát triển, cũng như dự đoán những thay đổi trong môi trường ánh sáng và nhiệt độ.

Hình 1.2 Vai trò của ánh sáng tới quá trình sinh trưởng và phát triển của cây [22]

Từ năm 1920, Garner và Allard đã phát hiện rằng thời gian chiếu sáng ban ngày theo mùa ảnh hưởng đến sự ra hoa của cây Cây ngày dài sẽ ra hoa khi thời gian chiếu sáng dài hơn một ngưỡng nhất định trong mùa hè, trong khi cây ngắn ngày chỉ ra hoa khi thời gian chiếu sáng ngắn hơn ngưỡng đó vào mùa thu.

Cây trung tính ra hoa không phụ thuộc vào thời gian chiếu sáng mà dựa vào tuổi cây hoặc kích thích bên ngoài Đối với cây ngày dài, cần điều chỉnh ánh sáng trong mùa thuận để đạt được sự ra hoa và tạo quả đồng đều, giúp thu hoạch dễ dàng và đảm bảo chất lượng sản phẩm Trong mùa nghịch, việc sử dụng phương pháp chiếu sáng như kéo dài ngày (day extension - DE) hoặc gián đoạn bóng đêm (night interruption - NI) có thể kích thích cây ra hoa và tăng năng suất Nghiên cứu của Qingwu Meng và Erik S Runkle cho thấy chiếu sáng NI trong 4 giờ hiệu quả hơn so với DE trong 5,5 giờ ở một số loại cây.

Sắc tố phytochrom trong cây có vai trò quan trọng trong việc cảm ứng ra hoa, với hai dạng chính là Pr và Pfr, mỗi dạng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khác nhau Khi ánh sáng chiếu vào cây, sắc tố này sẽ chuyển đổi giữa hai dạng Pr và Pfr, ảnh hưởng đến quá trình ra hoa của cây ngày dài Các sắc tố không chỉ tham gia vào quá trình quang hợp mà còn giúp cây nhận biết quang kỳ, từ đó điều chỉnh thời gian ra hoa.

Hình 1.4 Độ hấp thụ tương đối của sắc tố phytochrom theo bước sóng

Trong dải bước sóng từ 400-800 nm, dạng Pr hấp thụ mạnh ánh sáng vùng đỏ, đặc biệt tại bước sóng 660 nm, dẫn đến sự chuyển đổi thành dạng Pfr Dạng Pfr có khả năng hấp thụ ánh sáng trong cả vùng đỏ và vùng đỏ xa, với cực đại tại bước sóng 730 nm, từ đó chuyển đổi trở lại thành dạng Pr.

Hình 1.5 Phytochrom với vai trò cảm ứng và điều chỉnh quá trình sinh trưởng của cây [7]

Phổ hấp thụ của Pr và Pfr có sự chồng chéo, dẫn đến sự chuyển đổi qua lại giữa hai dạng này Tại trạng thái cân bằng, tỷ lệ giữa Pr và Pfr được thể hiện qua tỷ số PPE (trạng thái cân bằng quang phytochrom) hay PSS (trạng thái bền quang của phytochrom), với công thức PPE (PSS) = Pfr / (Pr + Pfr) Tỷ lệ này thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc quang phổ của nguồn sáng Nguồn sáng có quang phổ bao gồm vùng đỏ (600-700nm) và vùng đỏ xa (700-800nm) với tỷ lệ thông lượng bức xạ R/Fr phù hợp có khả năng thúc đẩy sự ra hoa ở một số loại cây ngày dài.

Tổng quan về các loại nguồn sáng dùng thúc đẩy cây ra hoa

1.2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Đèn sợi đốt thương mại đã được phát minh bởi Thomas Edison vào năm 1879 và được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày Nguyên tắc hoạt động đó là dòng điện đi qua dây tóc điện trở bên trong một bầu bằng thủy tinh hoặc thạch anh, trong đó có thể có khí trơ bảo vệ, và đốt nóng dây tóc đến nhiệt độ phát sáng Đến năm 1904 dây tóc thiêu kết tungsten được phát minh và phát triển Cho đến năm 1907 hiệu năng của bóng đèn sợi đốt đã được cải thiện 100% [9]

Hình 1.6 Cấu tạo của bóng đèn sợi đốt

1.2.1.2 Ứng dụng chiếu sáng trong nông nghiệp

Trước đây, đèn sợi đốt đã được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng ban đêm cho cây Thanh Long, nhờ vào tác dụng thúc đẩy ra hoa trong điều kiện ngày dài Việc áp dụng công nghệ này không chỉ phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới mà còn được triển khai tại các địa phương ở Việt Nam, mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc kích thích ra hoa cho loại cây này.

Hình 1.7 Quang phổ và ứng dụng đèn sợi đốt chiếu sáng cho cây Thanh Long [14]

1.2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Đèn huỳnh quang được coi là thế hệ thứ hai của nguồn sáng nhân tạo, có sự phát triển lớn nhất trong chiếu sáng kể từ khi đèn sợi đốt ra đời Thông thường, cấu tạo của đèn bao gồm một ống phóng thủy tinh chứa đầy khí trơ (thường là argon) ở áp suất thấp, lớp phủ huỳnh quang ở bên trong thành ống, một điện cực vonfram ở đầu và chấn lưu điện tử Đèn huỳnh quang hoạt động bằng cách ion hóa hơi thủy ngân trong ống thủy tinh sinh ra ánh sáng cực tím- UV Ánh sáng

6 tia cực tím sinh ra đập vào phosphor ở lớp phủ bên trong thành ống và ánh sáng nhìn thấy

Hình 1.8 Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang compact

1.2.2.2 Ứng dụng chiếu sáng trong nông nghiệp

Với sự phát triển của các nguồn sáng nhân tạo, đèn compact ngày càng trở nên phổ biến Đèn sợi đốt gặp phải nhược điểm lớn là tiêu tốn điện năng, do đó, nhiều loại đèn huỳnh quang compact đã được thử nghiệm để thay thế cho đèn sợi đốt trong chiếu sáng cây Thanh Long.

Vào năm 2014, Công ty cổ phần Bóng đèn Phích nước Rạng Đông đã nghiên cứu và thử nghiệm thành công bóng đèn CFL đỏ, với việc tăng cường quang phổ vùng đỏ, mang lại hiệu quả vượt trội so với đèn CFL thông thường.

Hình 1.10 Quang phổ và ứng dụng chiếu sáng cho Thanh Long của đèn CFL đỏ

1.2.3 Đèn phóng điện cường độ cao HID

1.2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Đèn phóng điện cường độ cao (HID- high intensity discharge) hoạt động chủ yếu dựa trên nguyên lý phóng điện khí, bao gồm đèn halogen kim loại (MH- metal halide), natri áp suất cao (HPS- high pressure sodium), natri áp suất thấp (LPS- low pressure sodium) và đèn hơi thủy ngân (mercury vapor lamps) Đèn HID được ứng dụng chiếu sáng trong không gian lớn như giao thông, quảng trường, nhà ga, sân thể thao…

Đèn HID phát sáng thông qua quá trình phóng điện trên các điện cực vonfram bên trong ống thạch anh đặc biệt, chứa khí gas và muối kim loại Khi phóng điện xảy ra, muối kim loại được nung nóng và bay hơi, tạo ra ánh sáng trong môi trường Plasma Để khởi động và duy trì sự phóng điện, đèn HID cần sử dụng một chấn lưu, tương tự như đèn huỳnh quang.

Đèn Natri cao áp (HPS) là một loại đèn HID nổi bật với công suất phát quang và hiệu suất cao Loại đèn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sân bay, khai thác mỏ, công nghiệp, công viên, đường cao tốc, quảng trường và nhà máy trồng trọt.

Nguyên lý hoạt động của đèn bao gồm việc tạo ra xung điện áp cao từ chấn lưu, sinh ra hồ quang qua khí xenon, làm nóng thủy ngân giống như đèn MH Khi nhiệt độ vượt quá 240℃, natri sẽ hóa hơi, trong khi thủy ngân bổ sung ánh sáng xanh vào màu vàng tinh khiết của natri Việc trộn natri với các tạp chất khác giúp tạo ra ánh sáng trắng với phổ đủ rộng.

Hình 1.11 Cấu tạo của đèn HPS [17]

1.2.3.2 Ứng dụng chiếu sáng trong nông nghiệp

Tại Việt Nam, bên cạnh việc sử dụng đèn compact, việc thử nghiệm đèn HPS trong chiếu sáng cho cây Thanh Long đã cho thấy hiệu quả trong việc kích thích ra hoa Đèn HPS mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm sự tiện lợi trong chăm sóc cây nhờ vào việc sử dụng các trụ đèn lớn, giúp giảm thiểu mạng lưới dây điện.

Hình 1.12 Quang phổ và ứng dụng chiếu sáng cho Thanh Long của đèn HPS

1.2.4.1 Đèn ghép các LED đơn sắc a/ Giới thiệu

Hiện tượng biến điện năng thành ánh sáng được phát hiện lần đầu tiên vào năm

Vào năm 1907, Henry Joseph Round đã phát hiện ra bức xạ hồng ngoại tại phòng thí nghiệm của Marconi Đến năm 1955, Rubin Braunstein từ công ty Radio Corporation of America cũng phát hiện bức xạ hồng ngoại trên hợp chất GaAs và các hợp chất khác Năm 1961, các nhà thí nghiệm Robert Biard và Gary Pittman tại Texas Instruments đã chứng minh rằng GaAs phát ra tia hồng ngoại khi có dòng điện chạy qua, và họ đã nhận bằng phát minh cho LED hồng ngoại Năm 1962, Nick Holonyak phát hiện LED đỏ khi làm việc cho General Electric Company M.George Craford, một sinh viên tốt nghiệp trước Holonyak, đã phát minh ra LED vàng đầu tiên và cải thiện độ sáng cho LED đỏ cũng như LED đỏ-cam lên gấp 10 lần.

LED xanh da trời, được phát minh bởi Shuji Nakamura từ Nichia Corporation vào năm 1994, sử dụng công nghệ cấy GaN trên nền Saphia và lớp bán dẫn P từ GaN, phát triển bởi Isamu Akasaki và H Amano Năm 1995, Alberto Barbieri tại Đại học Cardiff đã giới thiệu LED "tiếp xúc trong suốt" với hiệu suất cao nhờ vào Indi thiếc ôxít (ITO) trên LED AlGaInP/GaAs Sự phát triển của LED xanh da trời và LED hiệu suất cao đã dẫn đến việc ra mắt LED trắng đầu tiên sử dụng Y3Al5O12:Ce (YAG), giúp tạo ra ánh sáng trắng bằng cách trộn ánh sáng vàng và xanh da trời Năm 2006, Nakamura nhận giải thưởng công nghệ thiên niên kỷ cho phát minh này, đánh dấu cuộc cách mạng trong công nghệ chiếu sáng Đèn LED đã dần thay thế các loại đèn truyền thống nhờ vào ưu điểm như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, độ bền cơ học, ít tổn hao nhiệt, không phát sinh tia cực tím và không chứa chất độc thủy ngân.

Chíp bán dẫn (LED chíp) là nguồn phát quang được hình thành từ cặp lớp bán dẫn n và p tiếp xúc Khi áp dụng phân cực thuận cho lớp chuyển tiếp n-p, dòng điện tử di chuyển và tái hợp với lỗ trống, giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng Bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào độ rộng của vùng cấm trong chíp bán dẫn.

Hình 1.13 Nguyên lý phát quang của chíp LED [17]

Bước sóng phát ra tương ứng với sự khác biệt trong cấu trúc vùng năng lượng của lớp p và n

Hình 1.14 Bước sóng phát xạ của LED bởi các vật liệu khác nhau [21]

- Lead-frame: các bản kim loại dập mỏng dẫn điện, nhiệt đóng vai trò dẫn điện và tản nhiệt sơ cấp cho LED

Cốc phản xạ (reflector) là một thành phần quan trọng trong việc điều chỉnh ánh sáng, giúp phân bố quang một cách hiệu quả Thường được kết hợp với Lead-frame, cốc phản xạ tạo thành khuôn vỏ cho LED, tối ưu hóa hiệu suất chiếu sáng.

- Die-Attachment: Hỗn hợp keo cố định chíp lên trên bề mặt Lead-frame, bao gồm dạng hỗn hợp silicon hoặc keo bạc (dẫn nhiệt hoặc điện)

- Dây dẫn Au/Al: dây kim loại độ dẫn điện cao, kích thước 20~100μm, kết nối điện cực của chíp LED với các điện cực bên ngoài

- Hỗn hợp phủ: Là hỗn hợp bao phủ, đối với LED đơn sắc thì lớp phủ trong suốt để bảo vệ chíp LED

Đèn ghép LED được tạo ra bằng cách kết hợp các LED đơn sắc, với tỷ lệ và công suất của từng loại LED quyết định phổ ánh sáng của tổ hợp Để phát triển LED có quang phổ kích thích ra hoa cho cây trong điều kiện ngày dài, phương pháp phổ biến là sử dụng sự kết hợp giữa LED đơn sắc đỏ, đỏ xa và LED xanh lam.

Hình 1.16 Đèn ghép LED xanh lam, đỏ, đỏ xa

1.2.4.2 Tổng quan về đóng gói LED phosphor dùng cho kích thích ra hoa a/ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Tổng quan một số nghiên cứu về đóng gói LED phosphor

1.3.1 Tổng quan về đóng gói LED trắng

Hiện nay, trong sản xuất chíp LED trắng, các nghiên cứu chú trọng vào việc cải thiện hiệu suất lượng tử và nâng cao hiệu quả chuyển đổi của bột phosphor, cũng như tối ưu hóa quy trình đóng gói Để tạo ra LED trắng với hiệu suất cao, nhiều yếu tố ảnh hưởng đã được phân tích, trong đó Ki Hyun Kim et al [28] nghiên cứu cấu trúc chíp LED, còn Min-Suk Jang et al [29] khảo sát kích thước hạt phosphor.

Hình 1.22 Ảnh hưởng của hàm lượng, kích thước hạt phosphor tới quang thông

Cher Ming Tan et al and Tsung-Hsun Yang et al discuss the thickness and concentration of phosphor layers, while Kang Du et al have investigated the spectral properties in relation to the concentration and thickness of phosphor films used in LED applications.

Hình 1.23 Cấu trúc của LED (a) và sự thay đổi của quang phổ LED theo nồng độ, độ dày màng phosphor (b)

Horatio Quinones et al [33] đã khảo sát với LED công suất cao, cho thấy ảnh hưởng của nồng độ phosphor tới quang phổ của LED

Hình 1.24 Cấu trúc LED (a) và sự dịch chuyển tọa độ trên không gian màu của LED theo nồng độ phosphor (b)

Nghiên cứu của Huai Zheng et al [34] tập trung vào hình dạng của lớp phủ, trong khi vị trí của lớp phủ được thảo luận bởi Sheng Liu và Xiaobing Luo [35] Bên cạnh đó, Shu Weicheng et al [36] cũng đã có những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này.

16 đã khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đế và Min-Jae Song et al [37] đã khảo sát ảnh hưởng của chu trình sấy tới sự lắng của phosphor

1.3.2 Tổng quan về đóng gói LED nông nghiệp

Để tối ưu hóa việc đóng gói LED phosphor trong nông nghiệp, cần nghiên cứu cơ chế sinh học của từng loại cây trồng nhằm lựa chọn các loại bột phosphor phù hợp, tạo ra quang phổ thích hợp cho từng giai đoạn sinh trưởng và phát triển Hơn nữa, tỷ lệ giữa các loại bột và tổng hàm lượng bột phosphor cũng ảnh hưởng đáng kể đến quang phổ phát xạ của LED.

Đèn LED được sử dụng để chiếu sáng cây nhằm thúc đẩy quá trình sinh trưởng thường dựa trên phổ hấp thụ của chlorophyll, với sự tập trung vào ánh sáng xanh lam và đỏ Để đạt được điều này, có thể áp dụng cấu trúc chip LED xanh lam kết hợp với lớp màng phosphor mỏng.

Hình 1.25 Cấu trúc LED (a) và quang phổ LED xanh lam- đỏ phụ thuộc vào nồng độ, độ dày lớp phosphor (b)

Có thể sử dụng chip LED xanh lam kết hợp với bột phosphor đỏ, hoặc áp dụng phổ hoạt tính quang hợp McCree bằng cách bổ sung ánh sáng xanh lục vào phổ.

Hình 1.26 minh họa chíp LED trước và sau khi phun phủ, cùng với xu hướng thay đổi quang phổ phát xạ theo nồng độ phosphor Nghiên cứu của Hiroaki Onuma et al [39] cho thấy việc sử dụng chíp LED xanh lam kết hợp với bột phosphor phát xạ vùng đỏ xa có thể nâng cao hiệu quả ra hoa cho cây ngày dài, mặc dù chưa xác định được tỷ lệ quang phổ tối ưu Trong khi đó, Zukauska et al [40] đã áp dụng chíp LED UV-gần, tím và xanh lam với các loại bột phosphor để tạo ra các LED có tỷ lệ quang phổ giữa các vùng, cụ thể là tỷ lệ đỏ xa: xanh lam là 1:4 và đỏ xa: đỏ.

Tỷ lệ ánh sáng cho cây ngày dài được xác định là 1:15, với màu xanh lam và đỏ ở mức 1:15:4 Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy tỷ lệ này chưa đủ hiệu quả để kích thích quá trình ra hoa của cây.

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu về ánh sáng kích thích ra hoa cho cây dài ngày cho thấy rằng việc sử dụng LED phosphor với một loại chíp LED duy nhất và phun phủ bột phosphor có dải phổ thích hợp vẫn cần được khảo sát kỹ lưỡng Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tỷ lệ R/Fr của nguồn sáng càng gần 1,0 thì hiệu quả kích thích ra hoa càng tốt hơn.

Trong luận văn này, tôi nghiên cứu quy trình đóng gói LED phosphor với tỷ lệ R/Fr tối ưu nhằm thúc đẩy ra hoa cho cây ngày dài Thí nghiệm được thực hiện trên cây Thanh Long, một loại cây đặc trưng cho nhóm cây ngày dài.

1- Nghiên cứu đóng gói LED kích thích ra hoa cho cây ngày dài từ chíp LED bước sóng đỉnh 450nm phủ bột phosphor đỏ và đỏ xa Tiến hành thử nghiệm sinh học LED đóng gói được

2- Nghiên cứu đóng gói LED kích thích ra hoa cho cây ngày dài từ chíp LED bước sóng đỉnh 630nm và bột đỏ xa

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Phương pháp đóng gói LED

2.1.1 Quy trình chung về đóng gói LED

Quy trình tổng thể đóng gói LED: từ vật liệu -> LED được trình bày trong hình 2.1, quy trình gồm các bước sau:

2) Chip manufacturing: Sản xuất chíp LED

Hình 2.1 Quy trình công nghệ đóng gói LED [41]

Trong bước 3- quy trình đóng gói LED bao gồm các công đoạn:

Hình 2.2 Sơ đồ khối quy trình đóng gói LED

Quy trình đóng gói LED được xây dựng dựa trên quy trình chung và tham khảo từ các công bố quốc tế Luận văn này khảo sát các thông số cụ thể trong các bước khuấy trộn, định lượng và phun phủ nhằm xác định quy trình tối ưu cho việc đóng gói LED chuyên dụng.

Chíp LED đơn sắc được gắn vào cốc phản xạ của khung lead-frame bằng keo bạc dẫn nhiệt, sau đó được sấy để làm cứng Keo này không chỉ dẫn điện và nhiệt từ chíp vào lead-frame mà còn giúp cố định vị trí của chíp LED.

Hình 2.3 Chíp LED đơn sắc được hàn vào cốc phản xạ

Hình 2.4 Hệ hàn vi mạch TPT HB70 và bộ điều áp TS250

Dây dẫn micro được nối từ điện cực thứ hai của chíp LED với lead-frame

Hình 2.5 Chíp LED được hàn vào cốc và hàn dây để kết nối điện cực

Hình 2.6 Khung lead-frame chứa 20x12 LED đã hàn đế, hàn dây

Hình 2.7 Hệ hàn dây siêu âm nhiệt TPT HB16 cùng kính hiển vi Leica S6D

Các thông số kích thước của hệ chíp LED xanh lam từ nhà cung cấp Semileds

Bảng 2.1 Thông số kích thước của chíp LED sử dụng

Thông số Kích thước Sai số

Vựng tiếp giỏp P-N 800 àm x 800 àm ± 20 àm

Vựng đỏy 860àm x 860 àm ± 50 àm

Chiều dày chớp 145 àm ± 15 àm

Kớch thước điện cực 120 àm x 120 àm ± 15 àm

Chiều dày điện cực 7,7 àm ± 0.5 àm

Chiều cao lớp tiếp giỏp 140 àm ± 15 àm

2.1.4 Công đoạn định lượng hỗn hợp phủ Để tạo ra được LED có quang phổ mong muốn, cần lựa chọn các loại vật liệu và định lượng thành phần lớp phủ

LED giúp kích thích ra hoa cho cây ưa sáng dài bằng cách cung cấp phổ ánh sáng đỏ và đỏ xa với tỷ lệ bức xạ phù hợp Nghiên cứu này áp dụng hai phương pháp khác nhau để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình ra hoa của cây.

- Sử dụng bột phosphor phát xạ vùng đỏ xa trong trường hợp sử dụng chíp LED đỏ

- Sử dụng hỗn hợp hai loại bột phosphor đỏ và đỏ xa trong trường hợp sử dụng chíp LED xanh lam

21 Đối với bột phosphor đỏ tiến hành lựa chọn từ các loại R625, R629 và R660 có thông số theo tiêu chuẩn từ nhà sản xuất như sau:

Bảng 2.2 Thông số của các loại bột phosphor đỏ

Loại bột Kích thước D50 Bước sóng đỉnh Cường độ tương đối

R660 15,3 àm 660 nm 149% Đối với bột phốt pho đỏ xa lựa chọn từ hai loại Fr1 và Fr2 có các thông số từ nhà sản xuất như sau:

Bảng 2.3 Thông số bột phosphor đỏ xa

Loại bột Kích thước D50 Bước sóng đỉnh Cường độ tương đối

Trong nghiên cứu này, tôi lựa chọn loại R629 và Fr1 để tiến hành các khảo sát tiếp theo

Hình 2.8 Bột phosphor đỏ và đỏ xa sử dụng

Hai loạt bột phosphor sử dụng có phân bố kích thước hạt và như hình 2.9 [42]

Hình 2.9 Phân bố kích thước hạt của bột phosphor R629 (a) và Fr1 (b)

2.1.4.2 Lựa chọn chất đóng rắn:

Chất đóng rắn đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán đều hạt phosphor trong hỗn hợp và tạo lớp che phủ bảo vệ bề mặt chip LED Hiện nay, chất đóng rắn silicon là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng Silicon là các polyme tổng hợp, bao gồm các đơn vị lặp lại của siloxan, với cấu trúc gồm hai nguyên tử silic và một nguyên tử oxy, thường kết hợp với cacbon và/hoặc hydro.

Hình 2.10 Cấu trúc mạch silicon

R là methyl, phenyl (các bon vòng thơm), 1,1,1-trifluoropropyl, ethyl [43]

Vật liệu silicon có các ưu điểm vượt trội như:

1 Có thể tùy chọn tính dẫn/ cách điện

2 Có khả năng dẫn nhiệt

3 Tính chất quang trong suốt, cho ánh sáng truyền qua

4 Tính bám dính, mềm dẻo và tính đàn hồi

5 Bền với cả nhiệt độ cao và thấp, sốc nhiệt, oxi hóa, độ ẩm, hóa chất, và bức xạ cực tím (UV), ổn định dưới điều kiện khắc nghiệt

6 Bền hơn nhiều vật liệu hữu cơ khác

7 Các tính chất lưu: dòng chảy, sự thấm ướt, bám dính và tính chất đóng rắn nhanh và đơn giản

Vật liệu silicon có khả năng hấp thu ứng suất trong chu kỳ hoạt động của LED, bảo vệ chip và các dây kết nối Đặc tính bền vững nhiệt của vật liệu giúp nó duy trì ổn định sau thời gian dài chịu nhiệt từ chip LED, đồng thời giữ nguyên đặc tính quang học.

Hình 2.11 Biến đổi của một số loại vật liệu dưới tác động nhiệt [44]

Tính chất của silicon và một số vật liệu được thể hiện trong bảng sau

Bảng 2.4 So sánh tính chất của một số vật liệu [44]

Thuộc tính Silicone PC PMMA Thủy tinh Độ truyền quang 94% 88-90% 93% 95%

Hệ số khúc xạ 1,42 (Methyl)

Kháng UV Tốt Kém Trung bình

Kháng hóa chất Tốt Trung bình

Nhiệt độ tối đa chịu được ( o C) >150 120 90 >200

Tính bám bụi Cao trung bình

Biến màu vàng* Ít Nhiều Nhiều Ít

Khả năng chế tạo các chi tiết nhỏ

Khả năng chế tạo các chi tiết lớn và dày

Tốt Kém Kém Tốt Độ dày tối thiểu**