UVLED灯珠_uvc led灯珠

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UVled灯珠与以往的UV光源相比，具有对环境好、低消耗功率、频带选择等优点。UVled灯珠如果适用于印刷行业，可靠性问题往往会面临特别显著的多方面课题。有机材料具有耐UV性能较差透湿透氧率的高特性，其性能的劣化大大降低UVled灯珠的可靠性。

1960年代，最初的UV硬化墨水登场了。UV随着硬化技术的快速发展，在印刷行业中，一般采用数字印刷、钢网印刷、平板印刷、柔性板印刷、凹印等硬化墨，与此一致UV硬化光源多采用紫外汞灯等以往的光源。但是，以前的紫外光源为了保护环境在越来越多的国家被限制使用，由此紫外发光二极管Ultra-Violet Light Emitting Diode、UV led的市场规模急速增加。

与以往紫外光源相比，UVled灯珠具有节能环保、寿命长、消耗功率低、波长可选等许多优点。根据发光波长的大小，UV led被分为长波紫外线UVA（315~400nm）、中波紫外线UVB（280~3315nm）、短波紫外线UVC（200~208nm）。一般来说，发光波长大于300nm的属于浅紫外线，不足300nm的属于深紫外线。根据封装方案和集成度，UVled灯珠可以如表1所示被划分为立体设备和集成模块。这里，集成模块可以分为COB（Chip On Board）和DOB（Device On Board）。COB是将多个LED芯片直接焊接在一个基板上，DOB是首先将LED芯片封装在设备内，然后将多个设备焊接在一个基板上。

作为新兴光源，UVled灯珠是UV对能量的有机材质暴露而产生的光解1、UV由于硬化墨水的过暴露而导致的墨表面硬度和曝光量不足所导致的粘着力不足1、有害物质的侵入UV由于侵入硬化光源内部而导致的光源失效、UV硬化光源和UV硬化墨的带匹配、UV硬化光源的出光均匀性和出光效率，以及UV硬化光源的寿命、稳定性和可靠性等。

现在，各LED封装公司的包装技术的水平不同，市售的UV LED光源种类多，质量有偏差，由此，光源产生了各种可靠性的问题，所以应用端常常受到损失。因此，从UV led分立元件和UVled灯珠集成模块两方面对印刷行业应用中UVled灯珠的可靠性进行了研究和讨论。

基于CMH封装技术的全无机UVled灯珠100%采用无机材料包装，具有密封性好、可靠性高、寿命长、热阻低等优点。COB和DOB模块根据包装种类和制造过程的不同，性能和可靠性有很大差异。基板绝缘层的热阻对COB全热阻的比例非常大，焊接相互连接层对DOB的热阻有很大的影响。

UVled灯珠离散设备

根据封装材料，UVled灯珠分立装置可以分为有机材料封装UVled灯珠和无机材料封装UVled灯珠。有机材料封装UV led采用UV led在芯片上涂覆环氧树脂、有机硅胶等有机封装材料2、UVled灯珠作为设备的碗杯而采用有机材料、或采用例如市售的EMC系列产品的可见光LED设备的封装方式。

另一方面，无机材料包装UVled灯珠一般将陶瓷改良为将碗杯、玻璃或金属玻璃作为盖板的包装方式。在材料特性方面，有机材料和无机材料有很大的不同，当两种材料应用于UV led封装时，对器件整体的性能、寿命、可靠性等的影响也有很大的不同。为了便于论述，有机材料以有机硅胶为代表，无机材料以玻璃为代表，两者在以下几点进行比较。

（1）UVled灯珠热特性

在有机材料包装UVled灯珠中，有机材料不仅受到来自芯片的紫外线照射，还受到芯片的热的影响。特别是直接涂在芯片表面的有机材料，芯片表面的高热通过热导方式直接传递给有机材料，使得有机材料在长时间高温下工作。高温会加速有机材料的热老化，所采用的有机材料的耐热性能不好的话容易发生黄化现象，严重的情况下还会发生碳化（变黑）和裂纹等异常。

在设备长期处于开关或高低温循环状态的情况下，芯片与有机材料的热膨胀系数CTE、Coefficient ofThermal Expansion）不一致，因此芯片与有机材料的粘接部容易发生剥离异常。黄化和剥离等异常降低了元件的光输出和可靠性。

为了考察有机材料和无机材料的耐热性能，将甲基硅胶、苯基硅胶和玻璃同时放入260°C的烤箱中进行烧制。在外观检查中，苯基硅胶第3天发现明显的黄化，第7天没有发现明显的黄化，但发现裂纹异常，玻璃上没有明显的异常。苯基硅胶的黄化是因为在高温和氧气环境下，分支链的苯基被氧化，而甲基硅胶的开裂是由于高温导致的断结合。因为玻璃的主要成分是二氧化硅，所以其化学稳定性非常优秀。发现玻璃的耐热性比有机硅胶具有非常大的优点。

图1的典型的有机材料和无机材料的UV照射前后的透过率

（2）UV led灯珠透过率

芯片出射路径上的封装材料在UV频带的透过率中直接影响UVled灯珠的光输出。材料UV带宽的透过率越高UVled灯珠的光输出越高。由于材料特性不同，不同的材料在相同UV频带的透过率中有很大的差异。如如图所示，在紫外波段的整个波长中，有机硅胶（甲基硅胶和苯基硅胶）的初始透过率相对于玻璃不占优势。

另外，随着波长的减小，有机硅胶和玻璃的初始透过率下降到不同程度，有机材料的初始透过率比玻璃的降低速度快得多。在300nm处，甲基硅胶的初始透过率小于85%，对芯片的光输出有很大影响，所以不适用于低带宽紫外波段。另外，将有机硅胶以及玻璃在365 nmUV光中暴露24小时后，有机硅胶在UV频带的透过率中大幅降低，但玻璃的透过率几乎没有变化。紫外波段、玻璃的初始透过率、以及UV的老化后的透过率比有机硅胶优秀。

（3）UVled灯珠可靠性测试

根据研究，有机材料长时间UV照射会产生光解（有氧环境下的光氧化）1，发生老化和黄化现象3，严重的情况下会发生开裂4，元件的光效率和可靠性大幅下降，最终导致失效，这种现象在深度紫外波段尤其严重。为了评价UVled灯珠的可靠性等级或封装材料的耐UV性能，通常进行一系列的可靠性测试。

以常温老化测试为例，在常温条件下同时点亮玻璃封装和甲基硅胶封装UV led（芯片带395nm），对每个48H进行辐射束检测和外观观察。

如如图2所示，玻璃封装的UVled灯珠的放射线束随着老化时间的增加而逐渐减少，528H点亮时的放射线束约为老化前的93.1%，外观没有明显变化。另一方面，甲基硅胶封装UV led的辐射束在老化初期开始大幅下降，但在外观上看不到明显的异常，主要原因是甲基硅胶透过率的降低以及芯片老化特性（老化初期辐射束值的降低很快）。随着老化时间的延长，辐射通量的降低速度开始变小，在外观检测中，在硅胶内部出现裂缝（主要分布在芯片附近），在硅胶和芯片的粘结界面出现剥离如图3（左侧）表示。

甲基硅胶裂纹的出现表明发生了断开键，剥离异常是由于硅胶和芯片热膨胀系数的不匹配。从老化336H左右开始，甲基硅胶封装UV led的放射线束的降低速度也显著增大，528H下的放射线束约为老化前的63.4%。此时，在外观检测中，芯片正上方的硅胶有明显的裂缝（（如图三（右）所示），这是辐射通量加速降低的主要原因。如果UVled灯珠的寿命被定义为放射线束降低到初始值的70%的时间，则硅胶封装的UVled灯珠的寿命比玻璃封装的UV led短得多。

图2的典型有机材料和无机材料封装的UV led常温降解辐射通量曲线

图3的典型有机材料封装UV led常温老化后的外观（左336H，右528H）

（4）电气性能

有机材料，例如有机硅胶通常是恒定量Na+、K+和Cl？包括等离子体，有机材料在使用时或多或少地具有小分子物质的释放。有机材料涂在芯片表面，如果有机材料内部的离子或释放的小分子物质过多，会对芯片的电特性造成一定程度的损害，例如芯片的反向泄漏电流的产生和增加。玻璃上没有出现这样的异常。

（5）UVled灯珠气密性

UVled灯珠装置的气密性的高低由封装材料的透湿透氧率和封装过程等级等控制。当封装材料透湿透氧率高时，设备的密封性变差，外部环境中的有害物质通过封装材料容易侵入设备内部，设备失效。设备的密封性不好的话，会发生芯片腐蚀和镀银层硫化发黑等各种可靠性问题。

有机封装材料透氧透湿率高于玻璃，例如，甲基硅胶的氧透过率通常为20000~30LED封装公司cm3/m2×24H×atm，苯基硅胶一般来说300~3000cm3/（m2×24H×atm，一般的气体和水可以渗透到有机硅胶内部。玻璃是致密的无机物，分子间的间隙比水小，所以一般的气体和水都不能透过玻璃。因此，玻璃可以比有机硅胶更容易地实现气密性封装。

综上所述，无机材料的各性能都优于有机材料。有机材料在性能和可靠性要求低的情况下，与接近紫外波段UV led芯片很好地一致，但是在高温高湿等恶劣环境下或其他要求高的情况下，应该使用无机材料包装UVled灯珠。

UVled灯珠集成模块

如上所述，当前市售的UVled灯珠集成模块主要是COB和DOB这两种。两个模块的不同主要表现在以下几个方面：一、包类；二、生产技术；三、光性能；四、电气性能；五、热性能。

（1）包装项目

在选择封装材料时，COB和DOB的主要区别是芯片和基板。现在，市场上一般使用横结构芯片COB和垂直结构芯片COB，但是DOB基本上使用垂直结构芯片。UV led用于集成模块的基板主要有铜基板和氮化铝AlN陶瓷基板两种。两个基板的差异出现在以下几个方面。

一、价格。氮化铝陶瓷基板比铜基板还贵。

二、结构。铜基板的结构是从上到下的电路层（铜层）、绝缘层BT树脂和铜层，氮化铝陶瓷基板一般是电路层和陶瓷层。三、力学特性。氮化铝陶瓷脆性，在制造和安装过程中容易发生裂纹或破裂，铜基板一般不会发生这样的异常。四、热性能。铜的导热系数比氮化铝高，但是铜基板内包含绝缘层，在某种程度上阻碍芯片的散热。五、设计的多样性。铜基板的形状尺寸比陶瓷基板容易变化。根据包装种类的选择，设备的性能和可靠性等有一定的差别。

（2）UVled灯珠热特性

一般来说，UV led器件的散热路径主要有三个：一个芯片-金线-线路层-杯-环境；②芯片-外壳橡胶（气体或空气）-透镜（盖板）-环境；③芯片腐蚀63？固晶层腐蚀？基板腐蚀？环境。与此相对，路径①和②的散热能力有限，路径③是主要的散热路径。这在COB和DOB的典型结构和主散热路径如图5中示出。如上所述，横向结构芯片本身的散热性能不好。因此，若比较使用垂直结构UV led芯片的COB和DOB的散热路径，则DOB在元件上增加薄的镀层和1层氮化铝陶瓷2层，在基板和元件之间增加了1层焊料层，但在基板上绝缘层减少了1层导热系数表3所示。

在不考虑扩散热阻等因素的理想状态下，对COB和DOB进行了热阻计算。从表3可以看出，铜基板内的绝缘层热阻太大，所以COB的总热阻比DOB大得多。另一方面，在DOB中，该焊接相互连接层（包括固晶层或锡膏层等）占总热阻的比例较大，在相互连接层的焊接质量不足的情况下，例如焊接材料不足、空洞多的情况下，对总热阻的影响更大。

二、COB的制造过程的难易度比DOB大，如果发生制造不良，例如崩溃线，则整体COB被丢弃，DOB只有某个设备被损失。另外，如果在使用中光源失效，则只能更换COB整个光源，仅更换DOB已失效的设备。

（4）UVled灯珠光性能

由于横结构芯片通常使用蓝宝石作为基板，所以散热性能比垂直结构芯片差。因此，垂直结构芯片可以通过最大正向电流和光功率密度等，而不是横向结构芯片。由于使用了横结构UVled灯珠芯片的COB限制了芯片特性，所以在要求低功率（几十瓦以下）的情况下经常使用横结构UVled灯珠芯片。

（5）UVled灯珠电性能

现在，UVled灯珠的防静电保护基本上以加齐纳方式实现。因此，COB无法防止每个芯片的带电保护DOB。因此，COB的抗静电性远远低于DOB。另外，DOB模块通过基板的线路设计，能够实现单个设备的点亮测试和漏电流测试，能够容易地进行失效分析。

（6）UVled灯珠制造工序

主要表现在以下两个方面。一、COB一般属于定制产品，难以实现标准化或大规模生产，DOB是为了将标准化的大规模化UV led设备粘贴到基板上。

UVled灯珠从分立元件和集成模块两方面进行分析讨论的结果表明，无机封装材料在透过率UV频带、气密性、电性、热性等许多方面比有机封装材料优越。因此，仅当对诸如功率和寿命之类的请求较低时，用有机材料封装的设备和模块才适合，并且基于CMH封装技术的全无机UVled灯珠设备和模块可以适应打印行业的各种情况。