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UVLED封装特性深度解析:案例启示与应对策略

发表日期:2024-12-23

UVLED作为一种融合热电光特性的半导体元器件,无论是在其自身的研发制造环节,还是在应用端的设计考量中,都必须审慎对待相关特性对其功能发挥与使用寿命的深远影响。接下来,我们将通过一个具体案例来深入挖掘其中的奥秘。


某系统制造企业在设定电流为700mA 并运用水冷系统运行一段时间后,惊现灯珠变色的不良状况。初看之下,人们往往会下意识地将其归咎于散热环节出了差错,毕竟表面上呈现出芯片表面泛黄的迹象。然而,事实远非如此简单直白。


仔细审视后可以发现,两组模组所采用的芯片在外观上有着明显的不同。尽管它们均源自同一制造商,但却经历了不同阶段的改进。芯片制造工艺的每一次演进,都不可避免地伴随着光电特性的相应改变。当把这些源于不同工艺的芯片放置在同一个系统中进行产品架构设计时,极有可能引发光电参数之间的不匹配现象,进而导致整个产品的热性能处于一种失衡的状态。举例来说,灯珠 1 的电压值为 12.82V,而灯珠 2 的电压则达到了 13.31V,按照常规的 0.4V 间距标准分档衡量,这样的电压范围显然过宽,是不适合搭配在一起使用的。从辐射效率的维度进行对比,灯珠 2 的辐射效率明显低于灯珠 1,这也就意味着灯珠 2 在工作过程中有更多的电能转化成了热能,进一步加剧了系统内部的能量分布不均衡。


再深入探究其封装工艺,此次采用的是在芯片表面先涂覆硅胶,随后再加盖玻璃透镜的方式,这实际上是可见光LED常用的生产工艺。由于玻璃透镜是借助胶粘的方式进行固定,其本身的气密性相对较差。为了切实保护芯片、金线以及腔体免受外界有害物质的侵蚀与破坏,便在芯片表面涂覆了一种硅胶作为防护层。那么,究竟是胶体发生了变色,还是芯片本身出现了问题呢?当我们小心翼翼地将芯片表面的胶体去除后,惊奇地发现芯片表面并未呈现出发黄的现象,由此可以确凿地判定,发黄的物质其实就是胶体本身。


针对胶体黄化这一现象,我们最初的确会优先考虑是否是散热问题所导致。因为如果热传导过程不顺畅,经过一定时长的积累后,确实有可能产生这样的结果,这在大功率白光封装领域也是较为常见的棘手问题。为了进一步剖析封装体的导热效果究竟如何,我们借助 X-Ray 设备对焊接层进行了空洞率测试。从测试结果中可以清晰地看到,两块模组中的不良品竟然全部集中在其中一块模组之上。倘若仅仅是散热不佳的原因,那么不良现象理应不会仅仅局限于一块板上。从图 7 的测试数据可知,焊接空洞率处于 15%以内,就焊锡工艺而言,这已经属于相当不错的水平了,所以基本可以排除是芯片本身产生的热量无法传导出去而导致的问题。


接下来,我们对两款芯片所对应的灯珠的散热能力展开深入分析,以此来判断是否是由于芯片工艺的不同而引发了胶体变色现象。通过数据反馈,我们了解到灯珠 1 和灯珠 2 的热阻均小于 2K/W,这一热阻数据充分表明此灯珠本身具备良好的导热能力,并且两款灯珠在导热能力方面相差无几。综上所述,我们可以得出结论:此灯珠胶体变色并非是因为芯片工艺的不同而导致的。

                                                             

那么,究竟是什么原因导致了胶体黄化呢?让我们把目光聚焦到胶水的特性上来。一般而言,在当前的功率型封装作业中,有机硅胶是较为常用的材料。有机硅胶又可细分为甲基硅胶和苯基硅胶。其中,甲基硅胶的透湿透氧率处于 20000 - 30000cm³/(m²×24H×atm)的范围,而苯基硅胶的透湿透氧率则为 300 - 3000cm³/(m²×24H×atm)。由于有机硅胶普遍存在透湿透氧率较高的特性,这就直接导致了封装材料的气密性相对较差。如此一来,外界环境中的各种有害物质便能够轻而易举地透过封装材料,进而入侵到器件内部,最终导致器件失效。经过大量的研究发现,有机材料在长时间受到 UV 光照射的情况下,会不可避免地发生光降解现象(在有氧环境下则会发生光氧化反应),进而出现老化和黄化的现象,严重时甚至会产生开裂的情况。一旦出现这种情况,器件的光萃取效率将会大打折扣,可靠性也会急剧下降,直至最终彻底失效。尤其需要注意的是,这种现象在深紫外波段表现得尤为严重。通过对胶水特性的全面分析,我们此刻已经清晰地洞察到上述胶体黄化现象的根源所在,那就是胶水的气密性较差,致使空气和水气得以顺利入侵,然后在 UV 光的持续作用下发生了黄化现象。那么,为什么在同一个系统上,这种胶体黄化现象仅仅出现在一种芯片上呢?这其实就是我们之前所提到的,不同工艺生产的芯片,其光电参数存在差异,这种差异会进一步影响胶体所处的热环境,从而导致黄化时间出现不同。但从长远来看,这种有机UVLED的封装方式,在经过一段时间的使用之后,胶体黄化现象的发生几乎是难以避免的。


既然如此,我们又该如何有效地避免此类问题的发生呢?首先,在胶水的选择上,我们应当更加注重其气密性指标,尽量挑选透湿透氧率较低的有机硅胶或者探索其他新型的封装材料,以此来增强封装的气密性,减少外界有害物质的入侵。其次,在芯片的选用过程中,要严格遵循工艺匹配原则,对不同工艺的芯片进行详细的光电参数测试与分析,确保搭配使用的芯片能够在光电特性上相互兼容,避免因参数不匹配而引发的热性能失衡问题。此外,在封装工艺方面,也应当持续投入研发力量,寻求更加优化的封装方案,例如改进玻璃透镜的固定方式,提高整体封装的稳定性与防护性。只有通过在胶水选择、芯片匹配以及封装工艺优化等多个方面多管齐下,才能够切实有效地延长UVLED元器件的使用寿命,保障其在各种应用场景下的功能稳定与可靠运行。 


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