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从案例分析看UV LED封装结构的选择

日期: 2018-05-21
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由于UV LED是集热电光为一体的半导体元器件,因此在元器件研发制造和元器件应用端的研发设计均应考虑相关特性对其功能和寿命的影响。

  由于UV LED是集热电光为一体的半导体元器件,因此在元器件研发制造和元器件应用端的研发设计均应考虑相关特性对其功能和寿命的影响。通过以下案例,我们能进一步对其特性进行了解。

  由案例带来的猜想

  下图为某系统厂家在电流700mA的条件下,采用水冷系统使用一段时间(两个月)后,出现的不良现象,图中明显看出有灯珠变色的现象,那为什么会发生此现象呢?大家都会认为应该是散热出了问题,从表面看是芯片表面变黄,那事实真是这样吗?

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图1:不良样品

  对猜想的验证

  为寻找真实的原因,我们对此不良品进行了分析与解剖,以确定真正变色的原因。

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图2:芯片视图

  从上图中我们可以清晰的看到,两组模组使用的芯片外观完全不一样,由此我们可以了解到,不同制造商或不同时期的产品放到了同一个系统中,通过查询两款芯片都是同一制造商的芯片,只是芯片有过改进,而芯片工艺的改进,会牵涉到相关的光电特性改变,而将不同工艺下的芯片放在一起进行产品设计,可能会引起光电参数的不匹配,从而影响产品热性能的不平衡。

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图3:灯珠1光电测试数据

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图4:灯珠2光电测试数据

  从以上光电参数分析,两种工艺下的参数略有不同,灯珠1的电压为12.82V,灯珠2的电压为13.31V,按我司0.4V间距标准分档,电压范围过宽,建议是不能放在一起使用的。从灯珠的辐射效率来看,灯珠2的小于灯珠1的,这说明有更多的电能转化成热能了。

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图5:去透镜后图

  上图是去掉玻璃透镜后的图片,从图中不难看出,此封装工艺是在芯片表面涂覆硅胶后再加盖玻璃透镜,此封装工艺就是可见光LED的生产工艺,由于玻璃透镜用胶粘的方式,其本身气密性较差,为保护芯片、金线及腔体不受有害物质的破坏,而采用在芯片表面涂覆一种硅胶进行保护,在图中我们也能看到胶体或芯片有变色的痕迹。那么到底是胶体变色,还是芯片变色呢?

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图6:去胶前后对比图

  将芯片表面的胶体去除后,我们发现芯片表面并无发黄现象,那么可以确定发黄的物质其实就是胶体本身。

  对于胶体黄化,我们会考虑到散热的问题,热传导不出去,经过一定时间后确实会产生此种现象,这是大功率白光封装中常见的问题。进一步分析封装体导热效果如何,我们对焊接层在X-Ray设备下进行空洞率测试。

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图7:空洞率检测

  而且从图1可以看出,两块模组中不良品全部集中在一块模组上,如果是散热不好,不良就不应该只在一块板上,这是否是前面提到的两种工艺的芯片放在一起的原因呢?那这是真正的原因吗?从图7可以看出焊接空洞率在15%以内,这在焊锡工艺来说已经非常不错了,那是否是芯片本身产生的热没有传导出去呢?

  下面我们对两款芯片对应的灯珠的散热能力来分析是否是芯片工艺不同而导致的胶体变色。

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图8:灯珠1热阻测试曲线

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图9:灯珠2热阻测试曲线

  从图8、图9中我们可以了解到灯珠1和灯珠2的热阻均小于2K/W,此热阻反映此灯珠本身导热能力较好,且两款灯珠的导热能力相当,也就是说此灯珠胶体变色并不是因为芯片工艺不同而导致。

  下面来分析下胶水的特性,一般目前做功率型的封装,都会用到有机硅胶,而有机硅胶有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),苯基硅胶的透湿透氧率为300~3000cm3/(m2×24H×atm),一般气体和水都可渗透进有机硅胶内部,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而入侵器件内部而导致器件失效。研究发现,有机材料长时间受UV光照射会发生光降解(有氧环境下发生光氧化)[1],出现老化和黄化现象[2],严重的甚至出现开裂[3],使得器件的光萃取效率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。通过对胶水的特性分析,我们应该清楚上面胶体黄化现象的原因,那就是胶水的气密性差,空气和水气的入侵,在UV光的作用下而发生的黄化现象,那为什么同一个系统上,这种现象只出现在一种芯片上呢?这就是前面说过的不同工艺生产的芯片,其光电参数不同,从而影响胶体所在的热环境不同,黄化时间也就不同,但这种有机UV LED的封装,在一段时间的使用后,也必将发生胶体黄化现象。那么如何避免此类问题呢?

  案例告诉我们如何选择UV LED封装结构

  鸿利秉一采用的全无机封装是陶瓷C+金属M+硬质玻璃H,整个封装过程并无有机材料,而玻璃是一种高质密的无机物,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。

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图10:CMH封装结构图

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图11:封焊示意图

  此工艺可以在真空或干燥的保护气环境下通过激光焊接的方式实现气密性封装,气密性可达美国军标MIL-STD-883要求。能够给芯片提供一个低氧、干燥的相对稳定的使用环境,同时较有机材料而言,有更好的耐紫外性能,进而保证UV LED长期使用不因含有机封装材料而出现性能劣化。对于工业级的应用,光源是关键部件,因此要求相对要高,为了确保应用的可靠性,我相信全无机UV LED的封装模式是最好的选择。


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