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三种紫外LED封装物料对比:谁最高效可靠?

作者:时间:2017-10-25来源:网络

   具体积小、寿命长和效率高等优点,具有广泛的应用前景。目前 的发光功率不高,除了芯片制作水平的提高外,封装技术对LED 的特性也有重要的影响。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/368134.htm

  目前, 主要有环氧树脂封装和金属与玻璃透镜封装。前者主要应用于400 nm 左右的近紫外LED, 但紫外光对材料的老化影响较大。后者主要应用于波长小于380 nm 的紫外LED,由于GaN 和蓝宝石折射率分别为2.4和1.76,而气体折射率为1,较大的折射率差导致全反射对光的限制较为严重,封装后出光效率低。

  封装材料是技术的另一个重要方面。材料主要有玻璃透镜、环氧树脂和硅树脂等。石英玻璃软化点温度为1 600℃,热加工温度为1 700~2000℃,从工艺的角度,石英玻璃不适合用来密封;环氧树脂高温耐热性能一般,耐紫外光性能较差;硅树脂是近几年开始应用于LED 封装的材料,目前国内对硅树脂的透过率、耐热和耐紫外光特性研究较少,特别是对于硅树脂封装紫外LED 的特性还缺乏研究。

  本文立足于波长小于380 nm 的紫外LED 的封装技术,对不同封装材料的透过率、耐紫外光和耐热性进行了对比,进而提出高出光效率、高可靠性的紫外结构。

  实验

  采用的紫外光LED 芯片峰值波长有395 和375 nm 2种,分别由在碳化硅和蓝宝石衬底上外延生长GaN 制备而成。在20 mA 注入电流下,碳化硅和蓝宝石衬底的L ED芯片工作电压分别为3.8 和3.4 V。

  研究了石英玻璃、环氧树脂和硅树脂具有代表性的5种不同型号的封装材料。石英玻璃是厚度为2 mm 的JGS1 型材料;环氧树脂A 和B 分别为双酚A 型和脂环族环氧树脂;硅树脂A 和B 分别是弹性硅胶和树脂型硅胶。

  光功率和峰值波长系在杭州远方公司PMS-50增强型紫外-可见-近红外光谱分析系统上测量得到。光学透过率的测量系统如图1 所示,单色仪为江苏维信科技公司的CM200 型,灯源为天津拓普公司的GY-10高压球形氙灯,信号采集和处理系统采用的是远方公司的紫外-可见光分析系统。

  

  采用材料的光学透过率随时间的变化来评估其热稳定性。样品厚度为2 mm,放置于烘箱中恒温老化,温度为150℃。

  紫外LED封装材料研究

  1、材料光学透过率特性

  

  石英玻璃、硅树脂和环氧树脂的透过率如图2 所示。硅树脂和环氧树脂先注入模具,高温固化后脱模,形成厚度均匀为5 mm 的样品。为了便于比较,根据Bouguer-Lam-bert 定律,把测量值都换算成mm-1厚度时的透过率。

  可以看到,环氧树脂在可见光范围具有很高的透过率,某些波长的透过率甚至超过了95%,但环氧树脂在紫外光范围的吸收损耗较大,波长小于380nm 时,透过率迅速下降。硅树脂在可见光范围透过率接近92%,在紫外光范围内要稍低一些,但在320nm时仍然高于88%,表现出很好的紫外光透射性质;石英玻璃在可见光和紫外光范围的透过率都接近95%,是所有材料里面紫外光透过率最高的。

  对于紫外LED封装,石英玻璃具有最高的透过率,硅树脂次之,环氧树脂较差。然而尽管石英玻璃紫外光透过率高,但是其热加工温度高,并不适用于LED芯区的密封,因此在LED封装工艺中石英玻璃一般仅作为透镜材料使用。由于石英玻璃的耐紫外光辐射和耐热性能已经有很多报道,仅对常用于密封LED芯区的环氧树脂和硅树脂的耐紫外光辐射和耐热性能进行研究。

  2、耐紫外光特性

  研究了环氧树脂A和B 以及硅树脂A和B 在封装波长为395 nm 和375 nm 的时的老化情况,如图3所示。实验中,每个LED的树脂涂层厚度均为2 mm。

  

  可以看到,环氧树脂材料耐紫外光辐射性能都较差,连续工作时,紫外LED输出光功率迅速衰减,100h后输出光功率均下降到初始的50% 以下;200h后,LED的输出光功率已经非常微弱。对于脂环族的环氧树脂B,在375nm 的紫外光照射下衰减比395nm 时要快,说明对紫外光波长较为敏感,由于375 nm 的紫外光光子能量较大,破坏也更为严重。

  双酚类的环氧树脂A 在375nm和395nm的紫外光照射下都迅速衰减,衰减速度基本一致。尽管双酚类的环氧树脂A 在375nm和395nm 时的光透过率要略高于脂环族类的环氧树脂B,但是由于环氧树脂A含有苯环结构,因此在紫外光持续照射时,衰减要比环氧树脂B 要快。测量老化前后的光功率,发现老化后LED 的光功率基本上没有衰减。

  这说明,光功率的衰减主要是由紫外光对环氧树脂的破坏引起的。环氧树脂是高分子材料,在紫外线的照射下,高分子吸收紫外光子,紫外光子光子能量较大,能够打开高分子间的键链。因此,在持续的紫外光照射下,环氧树脂的主链慢慢被破坏,导致主链降解,发生了光降解反应,性质发生了变化。实验表明,环氧树脂不适合用于波长小于380 nm 的紫外LED芯片的封装。

  相对环氧树脂,硅树脂表现出了良好的耐紫外光特性。经过近1500h老化后,LED输出光功率虽然有不同程度的衰减,但是仍维持在85%以上,衰减低于15%。这可能与硅树脂和环氧树脂间的结构差异有关。硅树脂的主要结构包括Si 和O,主链Si-O-Si是无机的,而且具有较高的键能(422.5 kJ/mol) ;而环氧树脂的主链主要是C-C或C-O,键能分别为356kJ/mol 和344.4 kJ/ mol。由于键能较高,硅树脂的性能相对要稳定。因此,硅树脂具有良好的耐紫外光特性。

  3、耐热性

  LED 封装对材料的耐热性提出了更高的要求。从图3可以看出,环氧树脂B 和硅树脂B 具有较好的承受紫外光辐照的能力。因此,对其热稳定性进行了研究。图4 表示这两种材料在高温老化后mm-1厚度时透过率随时间的变化情况。可以看到,环氧树脂的耐热性较差,经过连续6days 的高温老化后,各个波长的透过率都发生了较大的衰减,紫外光范围的衰减尤其严重,环氧树脂样品颜色从最初的清澈透明变成了黄褐色。

  

  硅树脂表现出了优异的耐热性能。在150℃的高温环境下,经过14 days 的老化后,可见光范围的样品mm-1厚度时透过率只有稍微的衰减,在紫外光范围也仅有少量的衰减,颜色仍然保持着最初的清澈透明。与环氧树脂不同,硅树脂以Si-O-Si键为主链,由于Si-O键具有较高的键能和离子化倾向,因此具有优良的耐热性。

  高出光效率、高可靠性紫外LED封装

  根据实验结果,结合硅树脂和石英玻璃材料,提出了一种新的紫外LED封装方法,如图5所示。

  

  封装结构共有3 层。里层采用硅树脂A 进行密封,因为硅树脂A 的折射率为1.53,有利于充分提高LED 的提取效率,而且固化后为弹性硅胶,较低的机械强度有利于保护芯片和电极引线。中间层是硅树脂B,作为石英玻璃透镜和硅树脂A 层间的过渡层,而且硅树脂B 透过率较高,折射率为1.51;固化后硬度大、粘接性强,能很好地固定玻璃透镜。外层是高透过率的JGS1型石英玻璃透镜,折射率为1.46,用于光的导出,并形成一定的光场分布,其极高的紫外光透过率减少了光在激射过程中的损失。

  在整个结构中,为了尽可能减少硅树脂对紫外光的吸收损耗,树脂层厚度都较薄。同时,折射率逐层递减的3 层结构有利于减少光在传播过程中的菲涅尔损耗。

  下表给出了不同封装结构的紫外LED封装前后的光功率。

  可以看到,在LED芯片峰值波长一样、裸片功率相近的情况下,新封装结构的紫外LED,出光功率提高了60%以上,出光效率是金属与玻璃透镜封装的2.7倍。相对于环氧树脂封装的紫外LED,新封装结构的紫外LED 出光效率要低,但是稳定性要远好于环氧树脂封装的LED。老化实验表明,环氧树脂封装的紫外LED发光功率在不到100h内已经衰减到50%以下。而新封装结构的紫外LED 具有良好的稳定性,连续工作800h后发光功率依然维持在95%以上,发光功率衰减低于5%。

  结论

  硅树脂比环氧树脂具有更高的紫外光透过率、更优异的耐紫外光和耐热特性,是密封紫外LED芯片很好的材料。设计了使用硅树脂与石英玻璃透镜封装的紫外LED封装方法。

  新封装结构的紫外LED出光效率是金属外壳与玻璃透镜封装LED的2.7倍;同时具有良好的稳定性,连续工作800h,发光功率衰减低于5% 。

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