浅谈 UV LED 灯珠可靠性

 行业动态     |      2022-05-26 22:25

1、引言

跟着UV固化手艺的飞速开展,印刷行业,比方数码印刷、钢网印刷、平板印刷、柔板印刷和凹版印刷等,已广泛采用UV固化油墨,与之相受室的UV固化光源多采用紫外汞灯等传统光源??墒?,传统的紫外光源因环保原因已被越来越多的国家限制把持,这使得紫外发光2极管的市场范围火速增长。

与传统紫外光源对比,UV LED灯珠存在节能环保、寿命长、功耗低和波长可选等诸多劣势。按照发光波长的大小,UV LED灯珠概略分为长波紫外UVA、中波紫外UVB和短波紫外UVC。1般来讲,发光波长大于300nm的属于浅紫外,小于300nm的属于深紫外。

按照封装体例与集成度的不同,UV LED灯珠又可分为分立式器件与集成模组,如下图所示。其中,集成模组概略分为COB和DOB。COB是将多颗LED灯珠芯片间接焊接在1块基板上,而DOB是先将LED灯珠芯片封装在器件内再将多个器件焊接在1块基板上。

UV LED灯珠作为新兴光源,在把持于印刷行业时同样面临种种寻衅,比方有机材质表露于UV能量下孕育产生莅临解、UV固化油墨的过曝导致油墨外观过硬或曝光量不够导致粘结力不够、有害物质侵入UV固化光源内部导致光源失效、UV固化光源与UV固化油墨的波段受室、UV固化光源的出光平匀性与出光从命和UV固化光源的寿命、倔强性及可靠性等。

目前,各LED灯珠封装公司的封装手艺水平不同,市道市情上的UV LED灯珠种类较多且品格错落不齐,这使得把持端常由于光源出现种种可靠性标题问题而接受损失。因此,本文别离从UV LED灯珠分立器件和UV LED灯珠集成模组两个方面对UV LED灯珠在印刷行业把持中的可靠性停止了钻研与论述。

2、UV LED灯珠分立器件

如上图所示,按照封装材料的不同,UV LED灯珠分立器件概略分为有机材料封装UV LED灯珠和无机材料封装UV LED灯珠。有机材料封装UV LED灯珠仍采用可见光LED灯珠的封装体例,即在UV LED灯珠芯片上涂覆1层有机封装材料,比如环氧树脂、有机硅胶等,或许采用有机材料作为UV LED器件的碗杯,比方市道市情上常见的EMC系列产品。

而无机材料封装UV LED灯珠在封装体例长停止了改良,1般以陶瓷作为碗杯,玻璃或金属玻璃作为盖板。在材料本性上,有机材料与无机材料存在较大的差距,两种材料把持于UV LED灯珠封装时对于全部器件的遵守、寿命和可靠性等方面的影响也有较大的差距。为便于论述,有机材料以有机硅胶为代表,无机材料以玻璃为代表,两者在如下几个方面停止了比力。

(1)UV LED灯珠透过率

芯片出光路子上的封装材料在UV波段的透过率间接影响UV LED灯珠的光输入。材料在UV波段的透过率越高,UV LED灯珠的光输入就越高。由于材料本性不同,不同的材料在同1UV波段的透过率会有很大的差距。如图1所示,在全部紫外波段的各个波长下,有机硅胶(甲基硅胶和苯基硅胶)的初始透过率绝对玻璃都没有劣势。

而且,跟着波长的减小,有机硅胶和玻璃的初始透过率会有不同水平的下降,对比玻璃,有机材料的初始透过率的下降速率要快很多。在300nm时,甲基硅胶的初始透过率曾经低于8五%,这对芯片的光输入有很大的影响,所以甲基硅胶不合用于波段较低的紫外波段。

另外,将有机硅胶和玻璃表露于36五nm的UV光24小时后,有机硅胶在UV波段的透过率有大幅的下降,而玻璃的透过率基础底细没有改观??杉?,在紫外波段,玻璃的初始透过率和UV老化后的透过率都要优于有机硅胶。

(2)热遵守

对于有机材料封装的UV LED灯珠,有机材料不单受到芯片发出的紫外光照射,还会受到芯片孕育产生的热量的影响。极端是间接涂覆在芯片外观的有机材料,芯片外观的高热量以热传导的体例间接传递给有机材料,使得有机材料经久处于高温工作形状。而高温会加快有机材料热老化,假如采用的有机材料的耐热遵守差,极易出现黄化情景,告急的乃至会出现碳化(变黑)或开裂等特别。

假如器件持久处于开关或许凹凸温循环形状下,由于芯片与有机材料的热收缩系数(CTE,CoefficientofThermalExpansion)不受室,芯片与有机材料的粘接处很繁杂孕育产生剥离特别?;苹桶氲忍乇鹜妥拥吐淦骷墓馐淙牒涂煽啃?。

为窥察有机材料与无机材料的耐热遵守,将甲基硅胶、苯基硅胶和玻璃同时放入260℃的烤箱中停止烘烤。外观查抄发现:苯基硅胶在烘烤第3天发现明白黄化,甲基硅胶在烘烤第七天固然没有发现明白黄化但出现了裂纹特别,而玻璃无任何明白特别。

苯基硅胶的黄化是由于在高冒失氧气环境下其支链的苯基被氧化,而甲基硅胶的开裂是由于高温导致断键。由于玻璃的主要成分是2氧化硅,其化学倔强性极好??杉?,对比有机硅胶,玻璃的耐热遵守存在十分大的劣势。

(3)可靠性履行

钻研发现,有机材料经久受UV照射会孕育发生莅临解(有氧环境下孕育发生光氧化),出现老化和黄化情景,告急的乃至出现开裂,使得器件的光效和可靠性大幅下降,最终导致失效,这种情景在深紫外波段极端告急。

为评估UV LED灯珠的可靠性水平或封装材料的抗UV遵守,一般会停止1系列的可靠性履行。以常温老化履行为例,在环境温度为常温的条件下同时对玻璃封装和甲基硅胶封装的UV LED灯珠停止点亮(芯片波段为39五nm),每48H停止1次辐射通量检测和外观观察。

如图2所示,玻璃封装的UV LED灯珠的辐射通量跟着老化韶华的增加而缓缓低落,在点亮五28H时的辐射通量或许为老化前的93.1%,且外观无明白改观。而甲基硅胶封装的UV LED灯珠的辐射通量在老化晚期时就初步大幅度低落,而在外观上并未发现任何明白特别,主要原因是甲基硅胶的透过率下降以及芯片老化本性(老化晚期辐射通量值下降较快)。

跟着老化韶华的增加,其辐射通量的低落速率初步变小,此时外观检测发现硅胶内部已出现裂纹(主要分布于芯片附近),且硅胶与芯片的粘接界面已出现了剥离,如图3(左)所示。甲基硅胶裂纹的出现标明断键已孕育发生,而剥离特别是由于硅胶与芯片的热收缩系数不受室。

在老化336H支配初步,甲基硅胶封装的UV LED灯珠的辐射通量的下降速率又明白变大,且在五28H时的辐射通量约为老化前的63.4%。此时外观检测发现芯片正上方的硅胶已有明白的开裂(如图3(右)所示),这是辐射通量加快下降的主要原因。假如定义UV LED的寿命为辐射通量降为初始值的70%时的韶华,那末硅胶封装的UV LED的寿命要远短于玻璃封装的UV LED。

(4)气密性

UV LED灯珠的气密性凹凸受制于封装材料的透湿透氧率和封装工艺水对等。封装材料的透湿透氧率高,器件的气密性就差,外界环境中的有害物质就繁杂透过封装材料侵入器件内部而导致UV LED灯珠失效。器件的气密性差会激起种种可靠性标题问题,比方芯片失利和镀银层硫化发黑等。

有机封装材料的透氧透湿率比玻璃高,比方,甲基硅胶的透氧率一般为20000~30000cm3/(m2×24H×atm),苯基硅胶1般为300~3000cm3/(m2×24H×atm),1般气体和水都可浸透进有机硅胶内部。而玻璃是1种高致密的无机物,其份子间间隙比水还小,所以1般气体和水都没法透过玻璃。因此,玻璃比有机硅胶更繁杂完成气密性封装。

(五)电遵守

有机材料比方有机硅胶一般会含有1定量的Na+、K+和Cl-等离子,而且有机材料在把持时或多或少屯子有小份子物质的释出。有机材料涂覆于芯片外观,有机材料内部的离子或释出的小份子物质过量屯子对芯片的电遵守构成1定水平的侵陵,比方芯片反向漏电流的孕育产生及增大。而玻璃不会出现这种特别。

综上所述,无机材料的各项遵守都优于有机材料。有机材料常受室近紫外波段UV LED芯片以用于对遵守和可靠性哀告较低的场所,而在高温高湿等卑鄙环境下或其余哀告较高的场所应把持无机材料封装的UV LED灯珠。

3、UV LED灯珠集成模组

如上所述,目前市道市情上常见的UV LED灯珠集成模组主要有COB和DOB两种。两种模组的分辨主要走漏表现在如下几个方面:1、封装物料;2、临盆工艺;3、光遵守;4、电遵守;五、热遵守。

(1)封装物料

在封装物料的抉择上,COB与DOB的主要分辨在于芯片和基板。目前市道市情上,采用横向布局芯片的COB和垂直布局芯片的COB都很常见,而DOB基础底细都采用垂直布局芯片。用于UV LED集成模组的基板主要有两种,即铜基板和氮化铝(AlN)陶瓷基板。

LED灯珠两种基板的分辨走漏表现在如下几个方面:

1、LED灯珠代价。氮化铝陶瓷基板比铜基板的代价更高。

2、LED灯珠布局。铜基板的布局从上到下1般为电路层(铜层)、绝缘层(BT树脂)和铜层,而氮化铝陶瓷基板1般为电路层和陶瓷层。

3、LED灯珠力学本性。氮化铝陶瓷很脆,在制造和陈列过程中很繁杂出现裂纹乃至团结,而铜基板1般不会出现这种特别。

4、LED灯珠热遵守。铜的导热系数固然比氮化铝高,但铜基板内包罗了1层绝缘层,这会在1定水平上故障芯片的散热。

五、LED灯珠方案多样性。对比陶瓷基板,铜基板更繁杂完成形状尺寸上的改观。封装物料的抉择不同,器件的遵守和可靠性等屯子有1定的差别。

(2)LED灯珠临盆工艺

LED灯珠主要走漏表现在如下两个方面。1、COBLED灯珠1般属于客制化产品,很难完成标准化或许大范围临盆,而DOB由于是将已标准化大范围化临盆的UV LED灯珠贴装于基板上。2、COBLED灯珠的制造工艺难度比DOB更大,1旦出现制造不良,比如塌线,全部COB灯珠就报废,而DOB就只损失某个器件。而且,在把持过程中1旦孕育发生光源失效,COBLED灯珠只能将全部光源变换,而DOB只必要变换失效的器件。

(3)LED灯珠光遵守

因横向布局芯片一般采用蓝宝石作为衬底,所以其散热遵守要比垂直布局芯片要差。因此,垂直布局芯片可准许经由的最大正向电流以及光功率密度等都比横向布局芯片的要大。采用横向布局UV LED灯珠芯片的COB因其芯片本性限制而罕用于低功率(几十瓦如下)哀告的场所。

(4)LED灯珠电遵守

目前,UV LED灯珠的防静电关怀基础底细采用加齐纳的体例来完成。因此,COBLED灯珠没法做到每颗芯片的防静电关怀,而DOB概略。所以,COBLED灯珠的抗静电遵守要比DOB差很多。而且,DOB模组概略经由基板的行程方案完成单颗器件的点亮测试和漏电流测试,便于失效分析。

(6)LED灯珠热遵守

1般来讲,UV LED灯珠的散热路子主要有3个:①芯片-金线-行程层-碗杯-环境;②芯片-外封胶(气体或空气)-透镜(盖板)-环境;③芯片-固晶层-基板-环境。对比之下,路子①和②的散热本事颇无穷,路子③是主要的散热门路。

据此,COB与DOB的典范布局及主要散热路子如图五所示。如前所述,横向布局芯片本人的散热遵守不佳。那末,比力采用垂直布局UV LED灯珠芯片的COB和DOB的散热路子概略发现,DOB在器件上多了两层很薄的镀金层和1层氮化铝陶瓷以及在基板和器件间多了1层焊料层,但在基板上少了1层绝缘层(导热系数如表3所示)。

在不考虑群集热阻等成分的抱负形状下,对COB与DOB停止热阻算计。从表3中可见,对比DOB,COB的总热阻要大很多,这是由于COBLED灯珠铜基板内的绝缘层的热阻过大。而对于DOB来讲,其焊接互联层(收罗固晶层和锡膏层等)对其总热阻的占对照大,假如互联层的焊接品格不佳,比方焊料不够或空洞很多,其对总热阻的影响将更大。博客

4、UV LED灯珠总结

经由从UV LED灯珠分立器件和集成模组两个方面停止分析论述标明,在透过率(UV波段)、气密性、电遵守和热遵守等多个方面,无机封装材料都优于有机封装材料。因此,采用有机材料封装的UV LED灯珠和模组只适于对功率和寿命等哀告较低的场所,而基于CMH封装手艺的全无机UV LED灯珠和模组可适应印刷行业的种种场所。