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UVLED光源不良剖析:光电参数与无机封装的思考

UVLED光源是集热电光于一体的半导体元器件,其研发制造与应用设计都需考量相关特性对功能和寿命的影响。有一系统厂家在700mA电流下使用水冷系统,一段时间后出现不良状况。表面上芯片发黄,多数人认为是散热问题,但事实究竟如何呢? 我们对不良品展开剖析以探寻真相。两组模组的芯片外观差异明显,经确认,它们虽出自同一制造商,但芯片经过了改进。

芯片工艺的变化会引起光电特性改变,若将不同工艺的芯片用于同一产品设计,可能导致光电参数不匹配,进而破坏产品的热平衡。 从光电参数分析,两种工艺下的参数有所不同。灯珠1电压为12.82V,灯珠2电压为13.31V,按照公司0.4V的分档标准,此电压差过大,不宜混合使用。从灯珠辐射效率来看,灯珠2低于灯珠1,这意味着灯珠2将更多电能转化为热能。

该封装工艺是先在芯片表面涂覆硅胶,再加盖玻璃透镜,这是可见光LED的常见生产工艺。由于玻璃透镜采用胶粘方式,气密性较差,因此需要在芯片表面涂覆硅胶来保护芯片、金线和腔体。我们发现胶体和芯片都有变色迹象,那么到底是胶体还是芯片变色呢?去除芯片表面的胶体后,发现芯片并无发黄,可见发黄的是胶体。 对于胶体黄化,我们考虑到散热因素,热无法有效传导,一段时间后可能出现这种情况,这在大功率白光封装中较为常见。

为进一步分析封装体的导热效果,我们对焊接层在X-Ray设备下进行了空洞率测试。两块模组中,不良品集中在一块模组上,如果只是散热问题,不良现象不应仅出现在一块板上。焊接空洞率在15%以内,从焊锡工艺角度看已经很好了,那是不是芯片产生的热没有传导出去呢?通过对两款芯片对应的灯珠散热能力分析,发现灯珠1和灯珠2的热阻都小于2K/W,这表明灯珠本身导热能力良好且相当,也就是说胶体变色不是由芯片工艺差异导致的。

接着分析胶水特性,功率型封装通常会使用有机硅胶,包括甲基硅胶和苯基硅胶。甲基硅胶的透湿透氧率为20000-30000cm³/(m²×24H×atm),苯基硅胶为300-3000cm³/(m²×24H×atm),气体和水容易渗透进有机硅胶内部。封装材料透湿透氧率高会导致气密性差,外界有害物质容易侵入,致使器件失效。

有机材料长时间受UV光照射,在有氧环境下会发生光氧化,出现老化、黄化甚至开裂现象,在深紫外波段这种情况更为严重,这就是胶体黄化的原因。不同工艺芯片的光电参数不同,影响胶体所处的热环境,黄化时间也就不同,但这种有机UVLED封装在使用一段时间后必然会出现胶体黄化现象。

全无机封装采用陶瓷C+金属M+硬质玻璃H的组合,整个过程不涉及有机材料。玻璃是一种高密度无机物,其分子间隙比水还小,气体和水都无法穿透,因此比有机硅胶更易实现气密性封装。这种工艺可以在真空或干燥的保护气环境下通过激光焊接实现气密性封装,达到美国军标MIL-STD-883的要求。

它能为芯片提供低氧、干燥且稳定的使用环境,相比有机材料,其耐紫外性能更优,从而保证UVLED长期使用时不会因有机封装材料而出现性能劣化。对于工业级应用而言,光源是关键部件,要求较高,全无机UVLED光源封装模式无疑是确保应用可靠性的最佳选择。

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