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世界杯下注平台UV LED在印刷行业中的应用 可靠性

  UV LED光源相对于传统UV光源具有环保、低功耗和波段可选等优势。UV LED应用于印刷行业中通常会面临多方面的挑战,其中可靠性问题尤为突出。有机材料具有抗UV性能差和透湿透氧率高的特性,其性能的劣化会大幅降低UV LED的可靠性。基于CMH封装技术的全无机UV LED 100%采用无机材料封装,具有气密性好、可靠性高、寿命长和热阻低等优点。因COB与DOB模组在封装物料和生产工艺上的不同,两者的性能和可靠性有较大的差别。基板绝缘层的热阻对COB总热阻的占比极大,而焊接互联层对DOB的热阻影响较大。针对贴装时UV LED器件与基板间的焊接层空洞率过大问题(普遍在20%以上),通过大量实验获得了最优工艺参数,焊接层空洞率可100%控制在10%以下,且5%左右空洞率的占比在80%以上,较大程度地降低了焊接层空洞率对器件的光热性能和可靠性等的影响。

  十九世纪六十年代,第一款UV固化油墨面世。世界杯下注平台随着UV固化技术的飞速发展,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,已普遍采用UV固化油墨,与之相匹配的UV固化光源多采用紫外汞灯等传统光源。然而,世界杯下注平台!传统的紫外光源因环保原因已被越来越多的国家限制使用,这使得紫外发光二极管(Ultra-Violet Light Emitting Diode,UV LED)的市场规模迅速增长。

  与传统紫外光源相比,UV LED具有节能环保、寿命长、功耗低和波长可选等诸多优势。按照发光波长的大小,UV LED可以分为长波紫外UVA(315~400 nm)、中波紫外UVB(280~315 nm)和短波紫外UVC(200~280 nm)。一般来说,发光波长大于300 nm的属于浅紫外,小于300 nm的属于深紫外。按照封装方式与集成度的不同,UV LED又可分为分立式器件与集成模组,如表一所示。其中,集成模组可以分为COB(Chip On Board)和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在应用于印刷行业时同样面临各种挑战,例如有机材质暴露于UV能量下产生光降解[1]、UV固化油墨的过曝导致油墨表面过硬或曝光量不足导致粘结力不足[1]、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固化油墨的波段匹配、UV固化光源的出光均匀性与出光效率和UV固化光源的寿命、稳定性及可靠性等。目前,各LED封装公司的封装技术水平不同,市面上的UV LED光源种类较多且质量参差不齐,这使得应用端常因为光源出现各种可靠性问题而蒙受损失。因此,本文分别从UV LED分立器件和UV LED集成模组两个方面对UV LED在印刷行业应用中的可靠性进行了研究与论述。

  如表一所示,按照封装材料的不同,UV LED分立器件可以分为有机材料封装UV LED和无机材料封装UV LED。有机材料封装UV LED仍采用可见光LED器件的封装方式,即在UV LED芯片上涂覆一层有机封装材料,比如环氧树脂、有机硅胶等[2],或者采用有机材料作为UV LED器件的碗杯,例如市面上常见的EMC系列产品。而无机材料封装UV LED在封装方式上进行了改进,一般以陶瓷作为碗杯,玻璃或金属玻璃作为盖板。在材料特性上,有机材料与无机材料具有较大的差别,两种材料应用于UV LED封装时对于整个器件的性能、寿命和可靠性等方面的影响也有较大的差别。世界杯下注平台为便于论述,有机材料以有机硅胶为代表,无机材料以玻璃为代表,两者在以下几个方面进行了对比。

  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的光输出。材料在UV波段的透过率越高,UV LED的光输出就越高。由于材料特性不同,不同的材料在同一UV波段的透过率会有很大的差别。如图一所示,在整个紫外波段的各个波长下,有机硅胶(甲基硅胶和苯基硅胶)的初始透过率相对玻璃都没有优势。而且,随着波长的减小,有机硅胶和玻璃的初始透过率会有不同程度的下降,相比玻璃,有机材料的初始透过率的下降速度要快很多。在300 nm时,甲基硅胶的初始透过率已经低于85%,这对芯片的光输出有很大的影响,所以甲基硅胶不适用于波段较低的紫外波段。另外,将有机硅胶和玻璃暴露于365nm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,而玻璃的透过率基本没有变化。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。

  对于有机材料封装的UV LED,有机材料不仅受到芯片发出的紫外光照射,还会受到芯片产生的热量的影响。尤其是直接涂覆在芯片表面的有机材料,芯片表面的高热量以热传导的方式直接传递给有机材料,使得有机材料长时间处于高温工作状态。而高温会加速有机材料热老化,如果采用的有机材料的耐热性能差,极易出现黄化现象,严重的甚至会出现碳化(变黑)或开裂等异常。如果器件长期处于开关或者高低温循环状态下,由于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容易产生剥离异常。黄化和剥离等异常都会降低器件的光输出和可靠性。

  为考察有机材料与无机材料的耐热性能,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。外观检查发现:苯基硅胶在烘烤第三天发现明显黄化,甲基硅胶在烘烤第七天尽管没有发现明显黄化但出现了裂纹异常,而玻璃无任何明显异常。苯基硅胶的黄化是因为在高温和氧气环境下其支链的苯基被氧化,而甲基硅胶的开裂是因为高温导致断键(化学键键能大小:Si-OC-H苯环C=C。化学键键能越大,越难被破坏)。因为玻璃的主要成分是二氧化硅,其化学稳定性极好。可见,相比有机硅胶,玻璃的耐热性能具有非常大的优势。

  研究发现,有机材料长时间受UV照射会发生光降解(有氧环境下发生光氧化)[1],出现老化和黄化现象[3],严重的甚至出现开裂[4],使得器件的光效和可靠性大幅下降,最终导致失效,这种现象在深紫外波段尤其严重。为评估UV LED的可靠性水平或封装材料的抗UV性能,通常会进行一系列的可靠性试验。以常温老化试验为例,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进行点亮(芯片波段为395 nm),每48H进行一次辐射通量检测和外观观察。

  如图二所示,玻璃封装的UV LED的辐射通量随着老化时间的增加而慢慢降低,在点亮528H时的辐射通量大约为老化前的93.1%,且外观无明显变化。而甲基硅胶封装的UV LED的辐射通量在老化初期时就开始大幅度降低,而在外观上并未发现任何明显异常,主要原因是甲基硅胶的透过率下降以及芯片老化特性(老化初期辐射通量值下降较快)。随着老化时间的增加,其辐射通量的降低速率开始变小,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,如图三(左)所示。甲基硅胶裂纹的出现表明断键已发生,而剥离异常是由于硅胶与芯片的热膨胀系数不匹配。在老化336H左右开始,甲基硅胶封装的UV LED的辐射通量的下降速率又明显变大,且在528H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显的开裂(如图三(右)所示),这是辐射通量加速下降的主要原因。如果定义UV LED的寿命为辐射通量降为初始值的70%时的时间,那么硅胶封装的UV LED的寿命要远短于玻璃封装的UV LED。

  图三典型有机材料封装的UV LED常温老化后的外观(左为336H,右为528H)

  UV LED器件的气密性高低受制于封装材料的透湿透氧率和封装工艺水平等。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容易透过封装材料侵入器件内部而导致器件失效。器件的气密性差会引发各种可靠性问题,例如芯片腐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,甲基硅胶的透氧率通常为20000~30000 cm3/(m2×24H×atm),苯基硅胶一般为300~3000 cm3/(m2×24H×atm),一般气体和水都可渗透进有机硅胶内部。而玻璃是一种高致密的无机物,其分子间间隙比水还小,所以一般气体和水都无法透过玻璃。因此,玻璃比有机硅胶更容易实现气密性封装。

  有机材料例如有机硅胶通常会含有一定量的Na+、K+和Cl-等离子,而且有机材料在使用时或多或少都会有小分子物质的释出。有机材料涂覆于芯片表面,有机材料内部的离子或释出的小分子物质过多都会对芯片的电性能造成一定程度的损害,例如芯片反向漏电流的产生及增大。而玻璃不会出现这种异常。

  综上所述,无机材料的各项性能都优于有机材料。有机材料常匹配近紫外波段UV LED芯片以用于对性能和可靠性要求较低的场合,而在高温高湿等恶劣环境下或其他要求较高的场合应使用无机材料封装的UV LED。广州市鸿利秉一光电科技有限公司开发的全无机UV LED产品(结构如图四所示,产品性能如表二所示)采用CMH全无机封装技术(Ceramic陶瓷,metal金属,Hard glass/quartz硬质玻璃),即以陶瓷作为基板,UV LED芯片放置在陶瓷基板的腔体内,金属和硬质玻璃作为盖板,将盖板和基板进行焊接,腔体内填充氮气,就可以形成气密性封装(气密性测试通过了美国军标MIL-STD-883)。因其100%采用无机材料进行封装,完全避免了有机材料性能劣化而造成的可靠性问题。与其他UV LED器件相比,基于CMH封装技术的全无机UV LED器件具有热阻低、寿命长、气密性好和可靠性高等优点,适用于印刷行业的多种场合。

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