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UV led燈珠可靠led燈珠修理性研究

時間:2020-02-15 00:36 點擊次數:
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UV led燈珠相對于于傳統UV光源具備環保、低功耗以及波段可選等上風。UV led燈珠運用于印刷行業中凡是碰面臨多方面的挑戰,此中靠得住性問題尤其凸起。有機質料具備抗UV機能差以及透濕透氧率高的特征,其機能的劣化會年夜幅降低UV led燈珠的靠得住性。

十九世紀六十年月,第一款UV固化油墨面世。跟著UV固化技能的飛速成長,印刷行業,例如數碼印刷、鋼網印刷、平板印刷、柔板印刷以及凹版印刷等,已經遍及接納UV固化油墨,與之相匹配的UV固化光源多接納紫外汞燈等傳統光源。然而,傳統的紫外光源因環保緣故原由已經被愈來愈多的國度限定使用,這使患上紫外發光二極管(Ultra-Violet Light Emitting Diode, UV LED)的市場范圍迅速增加。

與傳統紫外光源比擬,UV led燈珠具備節能環保、壽命長、功耗低以及波長可選等諸多上風。根據發光波長的巨細,UV LED可以分為長波紫外UVA(315~400 nm)、中波紫外UVB(280~315 nm)以及短波紫外UVC(200~280 nm)。一般來講,發光波長年夜于300 nm的屬于淺紫外,小于300 nm的屬于深紫外。根據封裝體式格局與集成度的差別,UV LED燈珠又可分為分立式器件與集成模組,如表一所示。此中,集成模組可以分為COB(Chip On Board)以及DOB(Device On Board)。COB是將多顆LED芯片直接焊接在一塊基板上,而DOB是先將LED芯片封裝在器件內再將多個器件焊接在一塊基板上。

作為新興光源,UV led燈珠在運用于印刷行業時一樣面對各類挑戰,例若有機材質袒露于UV能量下孕育發生光降解[1]、UV固化油墨的過曝致使油墨外貌過硬或者暴光量不足致使粘結力不足[1]、有害物資侵入UV固化光源內部致使光源掉效、UV固化光源與UV固化油墨的波段匹配、UV固化光源的出光勻稱性與出光效率以及UV固化光源的壽命、不變性及靠得住性等。

今朝,各LED封裝公司的封裝技能程度差別,市道上的UV LED光源種類較多且質量亂七八糟,這使患上運用端常由于光源呈現各類靠得住性問題而承受喪失。是以,本文別離從UV LED分立器件以及UV LED燈珠集成模組兩個方面臨UV led燈珠在印刷行業運用中的靠得住性舉行了研究與闡述。



UV led燈珠可靠性研究

基于CMH封裝技能的全無機UV led燈珠100%接納無機質料封裝,具備氣密性好、靠得住性高、壽命長以及熱阻低等長處。因COB與DOB模組在封裝物料以及出產工藝上的差別,二者的機能以及靠得住性有較年夜的不同?;褰^緣層的熱阻對于COB總熱阻的占比極年夜,而焊接互聯層對于DOB的熱阻影響較年夜。

UV LED燈珠分立器件

根據封裝質料的差別,UV LED燈珠分立器件可以分為有機質料封裝UV LED燈珠以及無機質料封裝UV LED燈珠。有機質料封裝UV LED仍接納可見光LED器件的封裝體式格局,即在UV LED芯片上涂覆一層有機封裝質料,好比環氧樹脂、有機硅膠等[2],或者者接納有機質料作為UV LED燈珠器件的碗杯,例如市道上常見的EMC系列產物。

而無機質料封裝UV LED燈珠在封裝體式格局長進行了革新,一般以陶瓷作為碗杯,玻璃或者金屬玻璃作為蓋板。在質料特征上,有機質料與無機質料具備較年夜的不同,兩種質料運用于UV LED封裝時對于于整個器件的機能、壽命以及靠得住性等方面的影響也有較年夜的不同。為便于闡述,有機質料以有機硅膠為代表,無機質料以玻璃為代表,二者在如下幾個方面舉行了對于比。

(1)UV LED燈珠熱機能

對于于有機質料封裝的UV LED燈珠,有機質料不僅遭到芯片發出的紫外光照射,還會遭到芯片孕育發生的熱量的影響。尤為是直接涂覆在芯片外貌的有機質料,芯片外貌的高熱量以熱傳導的體式格局直接通報給有機質料,使患上有機質料永劫間處于高溫事情狀況。而高溫會加快有機質料熱老化,假如接納的有機質料的耐熱機能差,極易呈現黃化征象,嚴峻的甚至會呈現碳化(變黑)或者開裂等異樣。

假如器件持久處于開關或者者凹凸溫輪回狀況下,因為芯片與有機質料的熱膨脹系數(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)不匹配,芯片與有機質料的粘接處很輕易孕育發生剝離異樣。黃化以及剝離等異樣城市降低器件的光輸出以及靠得住性。

為考查有機質料與無機質料的耐熱機能,將甲基硅膠、苯基硅膠以及玻璃同時放入260℃的烤箱中舉行烘烤。外不雅查抄發明:苯基硅膠在烘烤第三天發明較著黃化,甲基硅膠在烘烤第七天只管沒有發明較著黃化但呈現了裂紋異樣,而玻璃無任何較著異樣。苯基硅膠的黃化是由于在高暖和氧氣情況下其支鏈的苯基被氧化,而甲基硅膠的開裂是由于高溫致使斷鍵。由于玻璃的重要身分是二氧化硅,其化學不變性極好??梢?,比擬有機硅膠,玻璃的耐熱機能具備很是年夜的上風。

UV led燈珠可靠性研究

圖一 典型有機質料與無機質料在UV照射先后的透過率

(2)UV LED燈珠透過率

芯片出光路徑上的封裝質料在UV波段的透過坦白接影響UV LED燈珠的光輸出。質料led燈珠功率在UV波段的透過率越高,UV LED燈珠的光輸出就越高。因為質料特征差別,差別的質料在統一UV波段的透過率會有很年夜的不同。如圖一所示,在整個紫外波段的各個波長下,有機硅膠(甲基硅膠以及苯基硅膠)的初始透過率相對于玻璃都沒有上風。

并且,跟著波長的減小,有機硅膠以及玻璃的初始透過率會有差別水平的降落,比擬玻璃,有機質料的初始透過率的降落速率要快許多。在300 nm時,甲基硅膠的初始透過率已經經低于85%,這對于芯片的光輸出有很年夜的影響,以是甲基硅膠不合用于波段較低的紫外波段。別的,將有機硅膠以及玻璃袒露于365nm的UV光24小時后,有機硅膠在UV波段的透過率有年夜幅的降落,而玻璃的透過率基本沒有變化??梢?,在紫外波段,玻璃的初始透過率以及UV老化后的透過率都要優于有機硅膠。

(3)UV LED燈珠靠得住性實驗

研究發明,有機質料永劫間受UV照射會發生光降解(有氧情況下發生光氧化)[1],呈現老化以及黃化征象[3],嚴峻的甚至呈現開裂[4],使患上器件的光效以及靠得住性年夜幅降落,終極致使掉效,這類征象在深紫外波段尤為嚴峻。為評估UV LED燈珠的靠得住性程度或者封裝質料的抗UV機能,凡是會舉行一系列的靠得住性實驗。

以常溫老化實驗為例,在情況溫度為常溫的前提下同時對于玻璃封裝以及甲基硅膠封裝的UV LED舉行點亮(芯片波段為395 nm),每一48H舉行一次輻射通量檢測以及外不雅不雅察。

如圖二所示,玻璃封裝的UV LED燈珠的輻射通量跟著老化時間的增長而逐步降低,在點亮528H時的輻射通量約莫為老化前的93.1%,且外不雅無較著變化。而甲基硅膠封裝的UV LED的輻射通量在老化早期時就最先年夜幅度降低,而在外不雅上并未發明任何較著異樣,重要緣故原由是甲基硅膠的透過率降落和芯片老化特征(老化早期輻射通量值降落較快)。跟著老化時間的增長,其輻射通量的降低速度最先變小,此時外不雅檢測發明硅膠內部已經呈現裂紋(重要漫衍于芯片四周),且硅膠與芯片的粘接界面已經呈現了剝離,如圖三(左)所示。

甲基硅膠裂紋的呈現注解斷鍵已經發生,而剝離異樣是因為硅膠與芯片的熱膨脹系數不匹配。在老化336H擺布最先,甲基硅膠封裝的UV LED的輻射通量的降落速度又較著變年夜,且在528H時的輻射通量約為老化前的63.4%。此時外不雅檢測發明芯片正上方的硅膠已經有較著的開裂(如圖三(右)所示),這是輻射通量加快降落的重要緣故原由。假如界說UV LED燈珠的壽命為輻射通量降為初始值的70%時的時間,那末硅膠封裝的UV LED燈珠的壽命要遠短于玻璃封裝的UV LED。

UV led燈珠可靠性研究

圖二 典型有機質料與無機質料封裝的UV LED常溫老化的輻射通量曲線

UV led燈珠可靠性研究

圖三 典型有機質料封裝的UV LED常溫老化后的外不雅(左為336H,右為528H)

(4)電機能

有機質料例若有機硅膠凡是會含有必然量的Na+、K+以及Cl-等離子,并且有機質料在使歷時或者多或者少城市有小份子物資的釋出。有機質料涂覆于芯片外貌,有機質料內部的離子或者釋出的小份子物資過量城市對于芯片的電機能造成必然水平的侵害,例如芯片反向泄電流的孕育發生及增年夜。而玻璃不會呈現這類異樣。

(5)UV LED燈珠氣密性

UV LED燈珠器件的氣密性凹凸受制于封裝質料的透濕透氧率以及封裝工藝程度等。封裝質料的透濕透氧率高,器件的氣密性就差,外界情況中的有害物資就輕易透過封裝質料侵入器件內部而致使器件掉效。器件的氣密性差會激發各類靠得住性問題,例如芯片腐化以及鍍銀層硫化發黑等。

有機封裝質料的透氧透濕率比玻璃高,例如,甲基硅膠的透氧率凡是為20000~30000 cm3/(m2×24H×atm),苯基硅膠通常是300~3000 cm3/(m2×24H×atm),一般氣體以及水均可滲入進有機硅膠內部。而玻璃是一種高致密的無機物,其份子間間隙比水還小,以是一般氣體以及水都沒法透過玻璃。是以,玻璃比有機硅膠更易實現氣密性封裝。

綜上所述,無機質料的各項機能都優于有機質料。有機質料常匹配近紫外波段UV LED芯片以用于對于機能以及靠得住性要求較低的場所,而在高溫高濕等惡劣情況下或者其他要求較高的場所應使用無機質料封裝的UV LED燈珠。

UV LED燈珠集成模組

如上所述,今朝市道上常見的UV LED燈珠集成模組重要有COB以及DOB兩種。兩種模組的區分重要表現在如下幾個方面:1、封裝物料;2、出產工藝;3、光機能;4、電機能;5、熱機能。

(1)封裝物料

在封裝物料的選擇上,COB與DOB的重要區分在于芯片以及基板。今朝市道上,接納橫向布局芯片的COB以及垂直布局芯片的COB都很常見,而DOB基本都接納垂直布局芯片。用于UV LED集成模組的基板重要有兩種,即銅基板以及氮化鋁(AlN)陶瓷基板。兩種基板的區分表現在如下幾個方面。

1、價格。氮化鋁陶瓷基板比銅基板的價格更高。

2、布局。銅基板的布局從上到下通常是電路層(銅層)、絕緣層(BT樹脂)以及銅層,而氮化鋁陶瓷基板通常是電路層以及陶瓷層。3、力學特征。氮化鋁陶瓷很脆,在制造以及安裝歷程中很輕易呈現裂紋甚至分裂,而銅基板一般不會呈現這類異樣。4、熱機能。銅的導熱系數只管比氮化鋁高,但銅基板內包羅了一層絕緣層,這會在必然水平上攔阻芯片的散熱。5、設計多樣性。比擬陶瓷基板,銅基板更易實現外形尺寸上的變化。封裝物料的選擇差別,器件的機能以及靠得住性等城市有必然的差異。

(2)UV LED燈珠熱機能

一般來講,UV LED器件的散熱路徑重要有三個:①芯片-金光源led燈珠線-路線層-碗杯-情況;②芯片-外封膠(氣體或者空氣)-透鏡(蓋板)-情況;③芯片-固晶層-基板-情況。比擬之下,路徑①以及②的散熱能力頗有限,路徑③是重要的散熱路子。據此,COB與DOB的典型布局及重要散熱路徑如圖五所示。如前所述,橫向布局芯片自身的散熱機能欠安。那末,對于比接納垂直布局UV LED芯片的COB以及DOB的散熱路徑可以發明,DOB在器件上多了兩層很薄的鍍金層以及一層氮化鋁陶瓷和在基板以及器件間多了一層焊料層,但在基板上少了一層絕緣層(導熱系數如表三所示)。

在不思量散布熱阻等因素的抱負狀況下,對于COB與DOB舉行熱阻計較。從表三中可見,比擬DOB,COB的總熱阻要年夜患上多,這是由于COB銅基板內的絕緣層的熱阻過年夜。而對于于DOB來講,其焊接互聯層(包孕固晶層以及錫膏層等)對于其總熱阻的占比力年夜,假如互聯層的焊接質量欠安,例如焊料不足或者浮泛許多,其對于總熱阻的影響將更年夜。

2、COB的制造工藝難度比DOB更年夜,一旦呈現制造不良,好比塌線,整個COB就報廢,而DOB就只喪失某個器件。并且,在使用歷程中一旦發生光源掉效,COB只能將整個光源改換,而DOB只需要改換掉效的器件。

(4)UV LED燈珠光機能

因橫向布局芯片凡是接納藍寶石作為襯底,以是其散熱機能要比垂直布局芯片要差。是以,垂直布局芯片可答應經由過程的最年夜正向電流和光功率密度等都比橫向布局芯片的要年夜。接納橫向布局UV LED燈珠芯片的COB因其芯片特征限定而經常使用于低功率(幾十瓦如下)要求的場所。

(5)UV LED燈珠電機能

今朝,UV LED燈珠的防靜電掩護基本接納加齊納的體式格局來實現。是以,COB沒法做到每一顆芯片的防靜電掩護,而DOB可以。以是,COB的抗靜電機能要比DOB差許多。并且,DOB模組可以經由過程基板的路線設計實現單顆器件的點亮測試以及泄電流測試,便于掉效闡發。

(6)UV LED燈珠出產工藝

重要表現在如下兩個方面。1、COB一般屬于客制化產物,很難實現尺度化或者者年夜范圍出產,而DOB因為是將已經尺度化年夜范圍化出產的UV LED器件貼裝于基板上。

經由過程從UV LED燈珠分立器件以及集成模組兩個方面舉行闡發闡述注解,在透過率(UV波段)、氣密性、電機能以及熱機能等多個方面,無機封裝質料都優于有機封裝質料。是以,接納有機質料封裝的UV LED燈珠器件以及模組只適于對于功率以及壽命等要求較低的場所,而基于CMH封裝技能的全無機UV LED燈珠器件以及模組可順應印刷行業的各類場所。


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