UVLED燈珠_uvc led燈珠

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UVled燈珠與以往的UV光源相比，具有對環境好、低消耗功率、頻帶選擇等優點。UVled燈珠如果適用于印刷行業，可靠性問題往往會面臨特別顯著的多方面課題。有機材料具有耐UV性能較差透濕透氧率的高特性，其性能的劣化大大降低UVled燈珠的可靠性。

1960年代，最初的UV硬化墨水登場了。UV隨著硬化技術的快速發展，在印刷行業中，一般采用數字印刷、鋼網印刷、平板印刷、柔性板印刷、凹印等硬化墨，與此一致UV硬化光源多采用紫外汞燈等以往的光源。但是，以前的紫外光源為了保護環境在越來越多的國家被限制使用，由此紫外發光二極管Ultra-Violet Light Emitting Diode、UV led的市場規模急速增加。

與以往紫外光源相比，UVled燈珠具有節能環保、壽命長、消耗功率低、波長可選等許多優點。根據發光波長的大小，UV led被分為長波紫外線UVA（315~400nm）、中波紫外線UVB（280~3315nm）、短波紫外線UVC（200~208nm）。一般來說，發光波長大于300nm的屬于淺紫外線，不足300nm的屬于深紫外線。根據封裝方案和集成度，UVled燈珠可以如表1所示被劃分為立體設備和集成模塊。這里，集成模塊可以分為COB（Chip On Board）和DOB（Device On Board）。COB是將多個LED芯片直接焊接在一個基板上，DOB是首先將LED芯片封裝在設備內，然后將多個設備焊接在一個基板上。

作為新興光源，UVled燈珠是UV對能量的有機材質暴露而產生的光解1、UV由于硬化墨水的過暴露而導致的墨表面硬度和曝光量不足所導致的粘著力不足1、有害物質的侵入UV由于侵入硬化光源內部而導致的光源失效、UV硬化光源和UV硬化墨的帶匹配、UV硬化光源的出光均勻性和出光效率，以及UV硬化光源的壽命、穩定性和可靠性等。

現在，各LED封裝公司的包裝技術的水平不同，市售的UV LED光源種類多，質量有偏差，由此，光源產生了各種可靠性的問題，所以應用端常常受到損失。因此，從UV led分立元件和UVled燈珠集成模塊兩方面對印刷行業應用中UVled燈珠的可靠性進行了研究和討論。

基于CMH封裝技術的全無機UVled燈珠100%采用無機材料包裝，具有密封性好、可靠性高、壽命長、熱阻低等優點。COB和DOB模塊根據包裝種類和制造過程的不同，性能和可靠性有很大差異?；褰^緣層的熱阻對COB全熱阻的比例非常大，焊接相互連接層對DOB的熱阻有很大的影響。

UVled燈珠離散設備

根據封裝材料，UVled燈珠分立裝置可以分為有機材料封裝UVled燈珠和無機材料封裝UVled燈珠。有機材料封裝UV led采用UV led在芯片上涂覆環氧樹脂、有機硅膠等有機封裝材料2、UVled燈珠作為設備的碗杯而采用有機材料、或采用例如市售的EMC系列產品的可見光LED設備的封裝方式。

另一方面，無機材料包裝UVled燈珠一般將陶瓷改良為將碗杯、玻璃或金屬玻璃作為蓋板的包裝方式。在材料特性方面，有機材料和無機材料有很大的不同，當兩種材料應用于UV led封裝時，對器件整體的性能、壽命、可靠性等的影響也有很大的不同。為了便于論述，有機材料以有機硅膠為代表，無機材料以玻璃為代表，兩者在以下幾點進行比較。

（1）UVled燈珠熱特性

在有機材料包裝UVled燈珠中，有機材料不僅受到來自芯片的紫外線照射，還受到芯片的熱的影響。特別是直接涂在芯片表面的有機材料，芯片表面的高熱通過熱導方式直接傳遞給有機材料，使得有機材料在長時間高溫下工作。高溫會加速有機材料的熱老化，所采用的有機材料的耐熱性能不好的話容易發生黃化現象，嚴重的情況下還會發生碳化（變黑）和裂紋等異常。

在設備長期處于開關或高低溫循環狀態的情況下，芯片與有機材料的熱膨脹系數CTE、Coefficient ofThermal Expansion）不一致，因此芯片與有機材料的粘接部容易發生剝離異常。黃化和剝離等異常降低了元件的光輸出和可靠性。

為了考察有機材料和無機材料的耐熱性能，將甲基硅膠、苯基硅膠和玻璃同時放入260°C的烤箱中進行燒制。在外觀檢查中，苯基硅膠第3天發現明顯的黃化，第7天沒有發現明顯的黃化，但發現裂紋異常，玻璃上沒有明顯的異常。苯基硅膠的黃化是因為在高溫和氧氣環境下，分支鏈的苯基被氧化，而甲基硅膠的開裂是由于高溫導致的斷結合。因為玻璃的主要成分是二氧化硅，所以其化學穩定性非常優秀。發現玻璃的耐熱性比有機硅膠具有非常大的優點。

圖1的典型的有機材料和無機材料的UV照射前后的透過率

（2）UV led燈珠透過率

芯片出射路徑上的封裝材料在UV頻帶的透過率中直接影響UVled燈珠的光輸出。材料UV帶寬的透過率越高UVled燈珠的光輸出越高。由于材料特性不同，不同的材料在相同UV頻帶的透過率中有很大的差異。如如圖所示，在紫外波段的整個波長中，有機硅膠（甲基硅膠和苯基硅膠）的初始透過率相對于玻璃不占優勢。

另外，隨著波長的減小，有機硅膠和玻璃的初始透過率下降到不同程度，有機材料的初始透過率比玻璃的降低速度快得多。在300nm處，甲基硅膠的初始透過率小于85%，對芯片的光輸出有很大影響，所以不適用于低帶寬紫外波段。另外，將有機硅膠以及玻璃在365 nmUV光中暴露24小時后，有機硅膠在UV頻帶的透過率中大幅降低，但玻璃的透過率幾乎沒有變化。紫外波段、玻璃的初始透過率、以及UV的老化后的透過率比有機硅膠優秀。

（3）UVled燈珠可靠性測試

根據研究，有機材料長時間UV照射會產生光解（有氧環境下的光氧化）1，發生老化和黃化現象3，嚴重的情況下會發生開裂4，元件的光效率和可靠性大幅下降，最終導致失效，這種現象在深度紫外波段尤其嚴重。為了評價UVled燈珠的可靠性等級或封裝材料的耐UV性能，通常進行一系列的可靠性測試。

以常溫老化測試為例，在常溫條件下同時點亮玻璃封裝和甲基硅膠封裝UV led（芯片帶395nm），對每個48H進行輻射束檢測和外觀觀察。

如如圖2所示，玻璃封裝的UVled燈珠的放射線束隨著老化時間的增加而逐漸減少，528H點亮時的放射線束約為老化前的93.1%，外觀沒有明顯變化。另一方面，甲基硅膠封裝UV led的輻射束在老化初期開始大幅下降，但在外觀上看不到明顯的異常，主要原因是甲基硅膠透過率的降低以及芯片老化特性（老化初期輻射束值的降低很快）。隨著老化時間的延長，輻射通量的降低速度開始變小，在外觀檢測中，在硅膠內部出現裂縫（主要分布在芯片附近），在硅膠和芯片的粘結界面出現剝離如圖3（左側）表示。

甲基硅膠裂紋的出現表明發生了斷開鍵，剝離異常是由于硅膠和芯片熱膨脹系數的不匹配。從老化336H左右開始，甲基硅膠封裝UV led的放射線束的降低速度也顯著增大，528H下的放射線束約為老化前的63.4%。此時，在外觀檢測中，芯片正上方的硅膠有明顯的裂縫（（如圖三（右）所示），這是輻射通量加速降低的主要原因。如果UVled燈珠的壽命被定義為放射線束降低到初始值的70%的時間，則硅膠封裝的UVled燈珠的壽命比玻璃封裝的UV led短得多。

圖2的典型有機材料和無機材料封裝的UV led常溫降解輻射通量曲線

圖3的典型有機材料封裝UV led常溫老化后的外觀（左336H，右528H）

（4）電氣性能

有機材料，例如有機硅膠通常是恒定量Na+、K+和Cl？包括等離子體，有機材料在使用時或多或少地具有小分子物質的釋放。有機材料涂在芯片表面，如果有機材料內部的離子或釋放的小分子物質過多，會對芯片的電特性造成一定程度的損害，例如芯片的反向泄漏電流的產生和增加。玻璃上沒有出現這樣的異常。

（5）UVled燈珠氣密性

UVled燈珠裝置的氣密性的高低由封裝材料的透濕透氧率和封裝過程等級等控制。當封裝材料透濕透氧率高時，設備的密封性變差，外部環境中的有害物質通過封裝材料容易侵入設備內部，設備失效。設備的密封性不好的話，會發生芯片腐蝕和鍍銀層硫化發黑等各種可靠性問題。

有機封裝材料透氧透濕率高于玻璃，例如，甲基硅膠的氧透過率通常為20000~30LED封裝公司cm3/m2×24H×atm，苯基硅膠一般來說300~3000cm3/（m2×24H×atm，一般的氣體和水可以滲透到有機硅膠內部。玻璃是致密的無機物，分子間的間隙比水小，所以一般的氣體和水都不能透過玻璃。因此，玻璃可以比有機硅膠更容易地實現氣密性封裝。

綜上所述，無機材料的各性能都優于有機材料。有機材料在性能和可靠性要求低的情況下，與接近紫外波段UV led芯片很好地一致，但是在高溫高濕等惡劣環境下或其他要求高的情況下，應該使用無機材料包裝UVled燈珠。

UVled燈珠集成模塊

如上所述，當前市售的UVled燈珠集成模塊主要是COB和DOB這兩種。兩個模塊的不同主要表現在以下幾個方面：一、包類；二、生產技術；三、光性能；四、電氣性能；五、熱性能。

（1）包裝項目

在選擇封裝材料時，COB和DOB的主要區別是芯片和基板?，F在，市場上一般使用橫結構芯片COB和垂直結構芯片COB，但是DOB基本上使用垂直結構芯片。UV led用于集成模塊的基板主要有銅基板和氮化鋁AlN陶瓷基板兩種。兩個基板的差異出現在以下幾個方面。

一、價格。氮化鋁陶瓷基板比銅基板還貴。

二、結構。銅基板的結構是從上到下的電路層（銅層）、絕緣層BT樹脂和銅層，氮化鋁陶瓷基板一般是電路層和陶瓷層。三、力學特性。氮化鋁陶瓷脆性，在制造和安裝過程中容易發生裂紋或破裂，銅基板一般不會發生這樣的異常。四、熱性能。銅的導熱系數比氮化鋁高，但是銅基板內包含絕緣層，在某種程度上阻礙芯片的散熱。五、設計的多樣性。銅基板的形狀尺寸比陶瓷基板容易變化。根據包裝種類的選擇，設備的性能和可靠性等有一定的差別。

（2）UVled燈珠熱特性

一般來說，UV led器件的散熱路徑主要有三個：一個芯片-金線-線路層-杯-環境；②芯片-外殼橡膠（氣體或空氣）-透鏡（蓋板）-環境；③芯片腐蝕63？固晶層腐蝕？基板腐蝕？環境。與此相對，路徑①和②的散熱能力有限，路徑③是主要的散熱路徑。這在COB和DOB的典型結構和主散熱路徑如圖5中示出。如上所述，橫向結構芯片本身的散熱性能不好。因此，若比較使用垂直結構UV led芯片的COB和DOB的散熱路徑，則DOB在元件上增加薄的鍍層和1層氮化鋁陶瓷2層，在基板和元件之間增加了1層焊料層，但在基板上絕緣層減少了1層導熱系數表3所示。

在不考慮擴散熱阻等因素的理想狀態下，對COB和DOB進行了熱阻計算。從表3可以看出，銅基板內的絕緣層熱阻太大，所以COB的總熱阻比DOB大得多。另一方面，在DOB中，該焊接相互連接層（包括固晶層或錫膏層等）占總熱阻的比例較大，在相互連接層的焊接質量不足的情況下，例如焊接材料不足、空洞多的情況下，對總熱阻的影響更大。

二、COB的制造過程的難易度比DOB大，如果發生制造不良，例如崩潰線，則整體COB被丟棄，DOB只有某個設備被損失。另外，如果在使用中光源失效，則只能更換COB整個光源，僅更換DOB已失效的設備。

（4）UVled燈珠光性能

由于橫結構芯片通常使用藍寶石作為基板，所以散熱性能比垂直結構芯片差。因此，垂直結構芯片可以通過最大正向電流和光功率密度等，而不是橫向結構芯片。由于使用了橫結構UVled燈珠芯片的COB限制了芯片特性，所以在要求低功率（幾十瓦以下）的情況下經常使用橫結構UVled燈珠芯片。

（5）UVled燈珠電性能

現在，UVled燈珠的防靜電保護基本上以加齊納方式實現。因此，COB無法防止每個芯片的帶電保護DOB。因此，COB的抗靜電性遠遠低于DOB。另外，DOB模塊通過基板的線路設計，能夠實現單個設備的點亮測試和漏電流測試，能夠容易地進行失效分析。

（6）UVled燈珠制造工序

主要表現在以下兩個方面。一、COB一般屬于定制產品，難以實現標準化或大規模生產，DOB是為了將標準化的大規?；疷V led設備粘貼到基板上。

UVled燈珠從分立元件和集成模塊兩方面進行分析討論的結果表明，無機封裝材料在透過率UV頻帶、氣密性、電性、熱性等許多方面比有機封裝材料優越。因此，僅當對諸如功率和壽命之類的請求較低時，用有機材料封裝的設備和模塊才適合，并且基于CMH封裝技術的全無機UVled燈珠設備和模塊可以適應打印行業的各種情況。