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UV led灯led灯珠色差珠可靠性研究2019-04-05 00:36

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UV led灯珠相对于于传统UV光源具备环保、低功耗以及波段可选等上风。UV led灯珠运用于印刷行业中凡是碰面临多方面的挑战,此中靠得住性问题尤其凸起。有机质料具备抗UV机能差以及透湿透氧率高的特征,其机能的劣化会年夜幅降低UV led灯珠的靠得住性。

十九世纪六十年月,第一款UV固化油墨面世。跟着UV固化技能的飞速成长,印刷行业,例如数码印刷、钢网印刷、平板印刷、柔板印刷以及凹版印刷等,已经遍及接纳UV固化油墨,与之相匹配的UV固化光源多接纳紫外汞灯等传统光源。然而,传统的紫外光源因环保缘故原由已经被愈来愈多的国度限定使用,这使患上紫外发光二极管(Ultra-Violet Light Emitting Diode, UV LED)的市场范围迅速增加。

与传统紫外光源比拟,UV led灯珠具备节能环保、寿命长、功耗低以及波长可选等诸多上风。根据发光波长的巨细,UV LED可以分为长波紫外UVA(315~400 nm)、中波紫外UVB(280~315 nm)以及短波紫外UVC(200~280 nm)。一般来讲,发光波长年夜于300 nm的属于浅紫外,小于300 nm的属于深紫外。根据封装体式格局与集成度的差别,UV LED灯珠又可分为分立式器件与集成模组,如表一所示。此中,集成模组可以分为COB(Chip On Board)以及DOB(Device On Board)。COB是将多颗LED芯片直接焊接在一块基板上,而DOB是先将LED芯片封装在器件内再将多个器件焊接在一块基板上。

作为新兴光源,UV led灯珠在运用于印刷行业时一样面对各类挑战,例若有机材质袒露于UV能量下孕育发生光降解[1]、UV固化油墨的过曝致使油墨外貌过硬或者暴光量不足致使粘结力不足[1]、有害物资侵入UV固化光源内部致使光源掉效、UV固化光源与UV固化油墨的波段匹配、UV固化光源的出光匀称性与出光效率以及UV固化光源的寿命、不变性及靠得住性等。

今朝,各LED封装公司的封装技能程度差别,市道上的UV LED光源种类较多且质量乱七八糟,这使患上运用端常由于光源呈现各类靠得住性问题而承受丧失。是以,本文别离从UV LED分立器件以及UV LED灯珠集成模组两个方面临UV led灯珠在印刷行业运用中的靠得住性举行了研究与阐述。



UV led灯珠可靠性研究

基于CMH封装技能的全无机UV led灯珠100%接纳无机质料封装,具备气密性好、靠得住性高、寿命长以及热阻低等长处。因COB与DOB模组在封装物料以及出产工艺上的差别,二者的机能以及靠得住性有较年夜的不同。基板绝缘层的热阻对于COB总热阻的占比极年夜,而焊接互联层对于DOB的热阻影响较年夜。

UV LED灯珠分立器件

根据封装质料的差别,UV LED灯珠分立器件可以分为有机质料封装UV LED灯珠以及无机质料封装UV LED灯珠。有机质料封装UV LED仍接纳可见光LED器件的封装体式格局,即在UV LED芯片上涂覆一层有机封装质料,好比环氧树脂、有机硅胶等[2],或者者接纳有机质料作为UV LED灯珠器件的碗杯,例如市道上常见的EMC系列产物。

而无机质料封装UV LED灯珠在封装体式格局长进行了革新,一般以陶瓷作为碗发光led灯珠杯,玻璃或者金属玻璃作为盖板。在质料特征上,有机质料与无机质料具备较年夜的不同,两种质料运用于UV LED封装时对于于整个器件的机能、寿命以及靠得住性等方面的影响也有较年夜的不同。为便于阐述,有机质料以有机硅胶为代表,无机质料以玻璃为代表,二者在如下几个方面举行了对于比。

(1)UV LED灯珠热机能

对于于有机质料封装的UV LED灯珠,有机质料不仅遭到芯片发出的紫外光照射,还会遭到芯片孕育发生的热量的影响。尤为是直接涂覆在芯片外貌的有机质料,芯片外貌的高热量以热传导的体式格局直接通报给有机质料,使患上有机质料永劫间处于高温事情状况。而高温会加快有机质料热老化,假如接纳的有机质料的耐热机能差,极易呈现黄化征象,严峻的甚至会呈现碳化(变黑)或者开裂等异样。

假如器件持久处于开关或者者凹凸温轮回状况下,因为芯片与有机质料的热膨胀系数(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)不匹配,芯片与有机质料的粘接处很轻易孕育发生剥离异样。黄化以及剥离等异样城市降低器件的光输出以及靠得住性。

为考查有机质料与无机质料的耐热机能,将甲基硅胶、苯基硅胶以及玻璃同时放入260℃的烤箱中举行烘烤。外不雅查抄发明:苯基硅胶在烘烤第三天发明较着黄化,甲基硅胶在烘烤第七天只管没有发明较着黄化但呈现了裂纹异样,而玻璃无任何较着异样。苯基硅胶的黄化是由于在高暖和氧气情况下其支链的苯基被氧化,而甲基硅胶的开裂是由于高温致使断键。由于玻璃的重要身分是二氧化硅,其化学不变性极好。可见,比拟有机硅胶,玻璃的耐热机能具备很是年夜的上风。

UV led灯珠可靠性研究

图一 典型有机质料与无机质料在UV照射先后的透过率

(2)UV LED灯珠透过率

芯片出光路径上的封装质料在UV波段的透过坦白接影响UV LED灯珠的光输出。质料在UV波段的透过率越高,UV LED灯珠的光输出就越高。因为质料特征差别,差别的质料在统一UV波段的透过率会有很年夜的不同。如图一所示,在整个紫外波段的各个波长下,有机硅胶(甲基硅胶以及苯基硅胶)的初始透过率相对于玻璃都没有上风。

并且,跟着波长的减小,有机硅胶以及玻璃的初始透过率会有差别水平的降落,比拟玻璃,有机质料的初始透过率的降落速率要快许多。在300 nm时,甲基硅胶的初始透过率已经经低于85%,这对于芯片的光输出有很年夜的影响,以是甲基硅胶不合用于波段较低的紫外波段。别的,将有机硅胶以及玻璃袒露于365nm的UV光24小时后,有机硅胶在UV波段的透过率有年夜幅的降落,而玻璃的透过率基本没led灯珠一个是几瓦有变化。可见,在紫外波段,玻璃的初始透过率以及UV老化后的透过率都要优于有机硅胶。

(3)UV LED灯珠靠得住性实验

研究发明,有机质料永劫间受UV照射会发生光降解(有氧情况下发生光氧化)[1],呈现老化以及黄化征象[3],严峻的甚至呈现开裂[4],使患上器件的光效以及靠得住性年夜幅降落,终极致使掉效,这类征象在深紫外波段尤为严峻。为评估UV LED灯珠的靠得住性程度或者封装质料的抗UV机能,凡是会举行一系列的靠得住性实验。

以常温老化实验为例,在情况温度为常温的前提下同时对于玻璃封装以及甲基硅胶封装的UV LED举行点亮(芯片波段为395 nm),每一48H举行一次辐射通量检测以及外不雅不雅察。

如图二所示,玻璃封装的UV LED灯珠的辐射通量跟着老化时间的增长而逐步降低,在点亮528H时的辐射通量约莫为老化前的93.1%,且外不雅无较着变化。而甲基硅胶封装的UV LED的辐射通量在老化早期时就最先年夜幅度降低,而在外不雅上并未发明任何较着异样,重要缘故原由是甲基硅胶的透过率降落和芯片老化特征(老化早期辐射通量值降落较快)。跟着老化时间的增长,其辐射通量的降低速度最先变小,此时外不雅检测发明硅胶内部已经呈现裂纹(重要漫衍于芯片四周),且硅胶与芯片的粘接界面已经呈现了剥离,如图三(左)所示。

甲基硅胶裂纹的呈现注解断键已经发生,而剥离异样是因为硅胶与芯片的热膨胀系数不匹配。在老化336H摆布最先,甲基硅胶封装的UV LED的辐射通量的降落速度又较着变年夜,且在528H时的辐射通量约为老化前的63.4%。此时外不雅检测发明芯片正上方的硅胶已经有较着的开裂(如图三(右)所示),这是辐射通量加快降落的重要缘故原由。假如界说UV LED灯珠的寿命为辐射通量降为初始值的70%时的时间,那末硅胶封装的UV LED灯珠的寿命要远短于玻璃封装的UV LED。

UV led灯珠可靠性研究

图二 典型有机质料与无机质料封装的UV LED常温老化的辐射通量曲线

UV led灯珠可靠性研究

图三 典型有机质料封装的UV LED常温老化后的外不雅(左为336H,右为528H)

(4)电机能

有机质料例若有机硅胶凡是会含有必然量的Na+、K+以及Cl-等离子,并且有机质料在使历时或者多或者少城市有小份子物资的释出。有机质料涂覆于芯片外貌,有机质料内部的离子或者释出的小份子物资过量城市对于芯片的电机能造成必然水平的侵害,例如芯片反向泄电流的孕育发生及增年夜。而玻璃不会呈现这类异样。

(5)UV LED灯珠气密性

UV LED灯珠器件的气密性凹凸受制于封装质料的透湿透氧率以及封装工艺程度等。封装质料的透湿透氧率高,器件的气密性就差,外界情况中的有害物资就轻易透过封装质料侵入器件内部而致使器件掉效。器件的气密性差会激发各类靠得住性问题,例如芯片腐化以及镀银层硫化发黑等。

有机封装质料的透氧透湿率比玻璃高,例如,甲基硅胶的透氧率凡是为20000~30000 cm3/(m2×24H×atm),苯基硅胶通常是300~3000 cm3/(m2×24H×atm),一般气体以及水均可渗入进有机硅胶内部。而玻璃是一种高致密的无机物,其份子间间隙比水还小,以是一般气体以及水都没法透过玻璃。是以,玻璃比有机硅胶更易实现气密性封装。

综上所述,无机质料的各项机能都优于有机质料。有机质料常匹配近紫外波段UV LED芯片以用于对于机能以及靠得住性要求较低的场所,而在高温高湿等恶劣情况下或者其他要求较高的场所应使用无机质料封装的UV LED灯珠

UV LED灯珠集成模组

如上所述,今朝市道上常见的UV LED灯珠集成模组重要有COB以及DOB两种。两种模组的区分重要表现在如下几个方面:1、封装物料;2、出产工艺;3、光机能;4、电机能;5、热机能。

(1)封装物料

在封装物料的选择上,COB与DOB的重要区分在于芯片以及基板。今朝市道上,接纳横向布局芯片的COB以及垂直布局芯片的COB都很常见,而DOB基本都接纳垂直布局芯片。用于UV LED集成模组的基板重要有两种,即铜基板以及氮化铝(AlN)陶瓷基板。两种基板的区分表现在如下几个方面。

1、价格。氮化铝陶瓷基板比铜基板的价格更高。

2、布局。铜基板的布局从上到下通常是电路层(铜层)、绝缘层(BT树脂)以及铜层,而氮化铝陶瓷基板通常是电路层以及陶瓷层。3、力学特征。氮化铝陶瓷很脆,在制造以及安装历程中很轻易呈现裂纹甚至分裂,而铜基板一般不会呈现这类异样。4、热机能。铜的导热系数只管比氮化铝高,但铜基板内包罗了一层绝缘层,这会在必然水平上拦阻芯片的散热。5、设计多样性。比拟陶瓷基板,铜基板更易实现外形尺寸上的变化。封装物料的选择差别,器件的机能以及靠得住性等城市有必然的差异。

(2)UV LED灯珠热机能

一般来讲,UV LED器件的散热路径重要有三个:①芯片-金线-路线层-碗杯-情况;②芯片-外封胶(气体或者空气)-透镜(盖板)-情况;③芯片-固晶层-基板-情况。比拟之下,路径①以及②的散热能力颇有限,路径③是重要的散热路子。据此,COB与DOB的典型布局及重要散热路径如图五所示。如前所述,横向布局芯片自身的散热机能欠安。那末,对于比接纳垂直布局UV LED芯片的COB以及DOB的散热路径可以发明,DOB在器件上多了两层很薄的镀金层以及一层氮化铝陶瓷和在基板以及器件间多了一层焊料层,但在基板上少了一层绝缘层(导热系数如表三所示)。

在不思量散布热阻等因素的抱负状况下,对于COB与DOB举行热阻计较。从表三中可见,比拟DOB,COB的总热阻要年夜患上多,这是由于COB铜基板内的绝缘层的热阻过年夜。而对于于DOB来讲,其焊接互联层(包孕固晶层以及锡膏层等)对于其总热阻的占比力年夜,假如互联层的焊接质量欠安,例如焊料不足或者浮泛许多,其对于总热阻的影响将更年夜。

2、COB的制造工艺难度比DOB更年夜,一旦呈现制造不良,好比塌线,整个COB就报废,而DOB就只丧失某个器件。并且,在使用历程中一旦发生光源掉效,COB只能将整个光源改换,而DOB只需要改换掉效的器件。

(4)UV LED灯珠光机能

因横向布局芯片凡是接纳蓝宝石作为衬底,以是其散热机能要比垂直布局芯片要差。是以,垂直布局芯片可答应经由过程的最年夜正向电流和光功率密度等都比横向布局芯片的要年夜。接纳横向布局UV LED灯珠芯片的COB因其芯片特征限定而经常使用于低功率(几十瓦如下)要求的场所。

(5)UV LED灯珠电机能

今朝,UV LED灯珠的防静电掩护基本接纳加齐纳的体式格局来实现。是以,COB没法做到每一颗芯片的防静电掩护,而DOB可以。以是,COB的抗静电机能要比DOB差许多。并且,DOB模组可以经由过程基板的路线设计实现单颗器件的点亮测试以及泄电流测试,便于掉效阐发。

(6)UV LED灯珠出产工艺

重要表现在如下两个方面。1、COB一般属于客制化产物,很难实现尺度化或者者年夜范围出产,而DOB因为是将已经尺度化年夜范围化出产的UV LED器件贴装于基板上。

经由过程从UV LED灯珠分立器件以及集成模组两个方面举行阐发阐述注解,在透过率(UV波段)、气密性、电机能以及热机能等多个方面,无机封装质料都优于有机封装质料。是以,接纳有机质料封装的UV LED灯珠器件以及模组只适于对于功率以及寿命等要求较低的场所,而基于CMH封装技能的全无机UV LED灯珠器件以及模组可顺应印刷行业的各类场所。