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UV LED灯led灯珠组装珠可靠性

时间:2020-06-19 02:02 点击次数:
 

1、UV LED灯珠引言

  跟着UV固化手艺的飞速成长,印刷行业,例如数码印刷、钢网印刷、平板印刷、柔板印刷和凹版印刷等,已遍及采取UV固化油墨,与之相匹配的UV固化光源多采取紫外汞灯等传统光源。但是,传统的紫外光源因环保缘由已被愈来愈多的国度限制利用,这使得紫外发光二极管的市场范围敏捷增加。

  与传统紫外光源比拟,UV LED灯珠具有节能环保、寿命长、功耗低和波长可选等诸多优势。依照发光波长的巨细,UV LED灯珠可以分为长波紫外UVA、中波紫外UVB和短波紫外UVC。一般来讲,发光波长年夜于300nm的属于浅紫外,小于300nm的属于深紫外。

  依照封装体例与集成度的分歧,UV LED灯珠又可分为分立式器件与集成模组,以下图所示。此中,集成模组可以分为COB和DOB。COB是将多颗LED灯珠芯片直接焊接在一块基板上,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一块基板上。

  UV LED灯珠作为新兴光源,在利用于印刷行业时一样面对各类挑战,例若有机材质表露于UV能量下发生光降解、UV固化油墨的过曝致使油墨概况过硬或暴光量不足致使粘结力不足、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固化光源的出光平均性与出光效力和UV固化光源的寿命、不变性及靠得住性等。

  今朝,各LED灯珠封装公司的封装手艺程度分歧,市道上的UV LED灯珠种类较多且质量良莠不齐,这使得利用端常由于光源呈现各类靠得住性问题而承受损掉。是以,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临UV LED灯珠在印刷行业利用中的靠得住性进行了研究与阐述。

UV LED灯珠的几种典型封装产物


2、UV LED灯珠分立器件

  如上图所示,依照封装材料的分歧,UV LED灯珠分立器件可以分为有机材料封装UV LED灯珠和无机材料封装UV LED灯珠。有机材料封装UV LED灯珠仍采取可见光LED灯珠的封装体例,即在UV LED灯珠芯片上涂覆一层有机封装材料,好比环氧树脂、有机硅胶等,或采取有机材料作为UV LED器件的碗杯,例如市道上常见的EMC系列产物。

  而无机材料封装UV LED灯珠在封装体例长进行了改良,一般以陶瓷作为碗杯,玻璃或金属玻璃作为盖板。在材料特征上,有机材料与无机材料具有较年夜的不同,两种材料利用于UV LED灯珠封装时对全部器件的机能、寿命和靠得住性等方面的影响也有较年夜的不同。为便于阐述,有机材料以有机硅胶为代表,led灯珠批发价钱无机材料以玻璃为代表,二者在以下几个方面进行了对照。

(1)UV LED灯珠透过率

  芯片出光路径上的封装材料在UV波段的透过率直接影响UV LED灯珠的光输出。材料在UV波段的透过率越高,UV LED灯珠的光输出就越高。因为材料特征分歧,分歧的材料在统一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)的初始透过率相对玻璃都没有优势。

并且,跟着波长的减小,有机硅胶和玻璃的初始透过率会有分歧水平的降落,比拟玻璃,有机材料的初始透过率的降落速度要快良多。在300nm时,甲基硅胶的初始透过率已低于85%,这对芯片的光输出有很年夜的影响,所以甲基硅胶不合用于波段较低的紫外波段。

别的,将有机硅胶和玻璃表露于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,而玻璃的透过率根基没有转变。可见,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。

图一 典型有机材料与无机材料在UV照耀前后的透过率

(2)热机能

  对有机材料封装的UV LED灯珠,有机材料不但遭到芯片发出的紫外光照耀,还会遭到芯片发生的热量的影响。特别是直接涂覆在芯片概况的有机材料,芯片概况的高热量以热传导的体例直接传递给有机材料,使得有机材料长时候处于高温工作状况。而高温会加快有机材料热老化,假如采取的有机材料的耐热机能差,极易呈现黄化现象,严重的乃至会呈现碳化(变黑)或开裂等异常。

  假如器件持久处于开关或凹凸温轮回状况下,因为芯片与有机材料的热膨胀系数(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)不匹配,芯片与有机材料的粘接处很轻易发生剥仳离常。黄化和剥离等异常城市下降器件的光输出和靠得住性。

  为考查有机材料与无机材料的耐热机能,将甲基硅胶、苯基硅胶和玻璃同时放入260℃的烤箱中进行烘烤。外不雅查抄发现:苯基硅胶在烘烤第三天发现较着黄化,甲基硅胶在烘烤第七天虽然没有发现较着黄化但呈现了裂纹异常,而玻璃无任何较着异常。

  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。由于玻璃的首要成份是二氧化硅,其化学不变性极好。可见,比拟有机硅胶,玻璃的耐热机能具有很是年夜的优势。

(3)靠得住性实验

  研究发现,有机材料长时候受UV照耀会产生光降解(有氧情况下产生光氧化),呈现老化和黄化现象,严重的乃至呈现开裂,使得器件的光效和靠得住性年夜幅降落,终究致使掉效,这类现象在深紫外波段特别严重。

  为评估UV LED灯珠的靠得住性程度或封装材料的抗UV机能,凡是会进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玻璃封装和甲基硅胶封装的UV LED灯珠进行点亮(芯片波段为395nm),每48H进行一次辐射通量检测和外不雅不雅察。

  如图二所示,玻璃封装的UV LED灯珠的辐射通量跟着老化时候的增添而渐渐下降,在点亮528H时的辐射通量年夜约为老化前的93.1%,且外不雅无较着转变。而甲基硅胶封装的UV LED灯珠的辐射通量在老化早期时就最先年夜幅度下降,而在外不雅上并未发现任何较着异常,首要缘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)。

  跟着老化时候的增添,其辐射通量的下降速度最先变小,此时外不雅检测发现硅胶内部已呈现裂纹(首要散布于芯片四周),且硅胶与芯片的粘接界面已呈现了剥离,如图三(左)所示。甲基硅胶裂纹的呈现注解断键已产生,而剥仳离常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灯珠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%。此时外不雅检测发现芯片正上方的硅胶已有较着的开裂(如图三(右)所示),这是辐射通量加快降落的首要缘由。假如界说UV LED的寿命为辐射通量降为初始值的70%时的时候,那末硅胶封装的UV LED的寿命要远短于玻璃封装的UV LED。

图二 典型有机材料与无机材料封装的UV LED灯珠常温老化的辐射通量曲线

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

(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程度等。封装材料的透湿透氧率高,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材料侵入器件内部而致使UV LED灯珠掉效。器件的气密性差会激发各类靠得住性问题,例如芯片侵蚀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,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),一般气体和水都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,所以一般气体和水都没法透过玻璃。是以,玻璃比有机硅胶更轻易实现气密性封装。

(5)电机能

  有机材料例若有机硅胶凡是会含有必然量的Na+、K+和Cl-等离子,并且有机材料在利用时或多或少城市有小份子物资的释出。有机材料涂覆于芯片概况,有机材料内部的离子或释出的小份子物资过量城市对芯片的电机能造成必然水平的侵害,例如芯片反向漏电流的发生及增年夜。而玻璃不会呈现这类异常。

  综上所述,无机材料的各项机能都优于有机材料。有机材料常匹配近紫外波段UV LED芯片以用于对机能和靠得住性要求较低的场所,而在高温高湿等卑劣情况下或其他要求较高的场所应利用无机材料封装的UV LED灯珠。

图四 基于CMH封装手艺的全无机UV LED灯珠布局示意图

表二 UV LED灯珠机能表

3、UV LED灯珠集成模组

  如上所述,今朝市道上常见的UV LED灯珠集成模组首要有COB和DOB两种。两种模组的区分首要表现在以下几个方面: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的首要区分在于芯片和基板。今朝市道上,采取横向布局芯片的COB和垂直布局芯片的COB都很常见,而DOB根基都采取垂直布局芯片。用于UV LED集成模组的基板首要有两种,即铜基板和氮化铝(AlN)陶瓷基板。

led灯珠两种基板的区分表现在以下几个方面:

1、led灯珠价钱。氮化铝陶瓷基板比铜基板的价钱更高。

2、led灯珠布局。铜基板的布局从上到下通常是电路层(铜层)、绝缘层(BT树脂)和铜层,而氮化铝陶瓷基板通常是电路层和陶瓷层。

3、led灯珠力学特征。氮化铝陶瓷很脆,在制造和安装进程中很轻易呈现裂纹乃至分裂,而铜基板一般不会呈现这类异常。

4、led灯珠热机能。铜的导热系数虽然比氮化铝高,但铜基板内包括了一层绝缘层,这会在必然水平上阻碍芯片的散热。

5、led灯珠设计多样性。比拟陶瓷基板,铜基板更轻易实现外形尺寸上的转变。封装物料的选择分歧,器件的机能和靠得住性等城市有必然的差别。

(2)led灯珠出产工艺

  led灯珠首要表现在以下两个方面。1、COB led灯珠一般属于客制化产物,很难实现尺度化或年夜范围出产,而DOB因为是将已尺度化年夜范围化出产的UV LED灯珠贴装于基板上。2、COB led灯珠的制造工艺难度比DOB更年夜,一旦呈现制造不良,好比塌线,全部COB 灯珠就报废,而DOB就只损掉某个器件。并且,在利用进程中一旦产生光源掉效,COB led灯珠只能将全部光源改换,而DOB只需要改换掉效的器件。

(3)led灯珠光机能

  因横向布局芯片凡是采取蓝宝石作为衬底,所以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。采取横向布局UV LED灯珠芯片的COB因其芯片特征限制而经常使用于低功率(几十瓦以下)要求的场所。

(4)led灯珠电机能

  今朝,UV LED灯珠的防静电庇护根基采取加齐纳的体例来实现。是以,COB led灯珠没法做到每颗芯片的防静电庇护,而DOB可以。所以,COB led灯珠的抗静电机能要比DOB差良多。并且,DOB模组可以经由过程基板的线路设计实现单颗器件的点亮测试和漏电流测试,便于掉效阐发。

(6)led灯珠热机能

  一般来讲,UV LED灯珠的散热路径首要有三个:①芯片-金线-线路层-碗杯-情况;②芯片-外封胶(气体或空气)-透镜(盖板)-情况;③芯片-固晶层-基板-情况。比拟之下,路径①和②的散热能力很有限,路径③是首要的散热路子。

  据此,COB与DOB的典型布局及首要散热路径如图五所示。如前所述,横向布局芯片本身的散热机能欠安。那末,对照采取垂直布局UV LED灯珠芯片的COB和DOB的散热路径可以发现,DOB在器件上多了两层很薄的镀金层和一层氮化铝陶瓷和在基板和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)。

  在不斟酌分散热阻等身分的抱负状况下,对COB与DOB进行热阻计较。从表三中可见,比拟DOB,COB的总热阻要年夜很多,这是由于COB led灯珠铜基板内的绝缘层的热阻过年夜。而对DOB来讲,其焊接互联层(包罗固晶层和锡膏层等)对其总热阻的占比力年夜,假如互联层的焊接质量欠安,例如焊料不足或浮泛良多,其对总热阻的影响将更年夜。


(a)采取横向布局UV LED灯珠芯片的COB

(b)采取垂直布局UV LED灯珠芯片的COB

(c)采取垂直布局UV LED灯珠芯片的DOB

图五 典型的COB led灯珠与DOB模组布局图

4、UV LED灯珠总结

  经由过程从UV LED灯珠分立器件和集成模组两个方面进行阐发阐述注解,在透过率(UV波段)、气密性、电机能和热机能等多个方面,无机封装材料都优于有机封装材料。是以,采取有机材料封装的UV LED灯珠和模组只适于对功率和寿命等要求较低的场所,而基于CMH封装手艺的全无机UV LED灯珠和模组可顺应印刷行业的各类场所。


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