不同膠量對UVC LED玻璃黏結(jié)性能的影響

麥家兒，章金惠，歐敘文

佛山市國星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000

0 引言

隨著《關(guān)于汞的水俁公約》的實(shí)施，一批含汞產(chǎn)品在2020年已經(jīng)被淘汰，而UV LED隨著技術(shù)的逐漸成熟，慢慢步入大眾的視線。相較于汞燈，UV LED優(yōu)勢明顯。首先，UV LED不含汞，光源純度高，不存在因?yàn)槠扑槎鴮?dǎo)致汞蒸氣泄露污染的問題，而且UV LED能瞬間啟動，無須預(yù)熱，汞燈則均需要預(yù)熱一段時間才能正常工作；其次，UV LED屬于點(diǎn)光源，照射集中，而且小巧方便，便于使用，而汞燈屬于面光源，無法實(shí)現(xiàn)集中照射，且體積較大，在一些場合無法使用。

UV LED，特別是UVC LED，由于其特殊性質(zhì)，對有機(jī)材料比白光的影響更大，且部分用途特殊，因而市場上有多種關(guān)于不同的UV LED封裝形式，但UVC目前的主流封裝方式為在帶杯的支架上采用抗UV的膠水黏結(jié)石英玻璃[1-2]。業(yè)界已經(jīng)有對UVC LED芯片亮度提升，封裝分類、黏結(jié)材料對比可靠性，器件散熱分析等的相關(guān)研究[3]，然而，對于本身石英玻璃封裝中黏結(jié)膠量不同所導(dǎo)致的可靠性區(qū)別，如良率、推力、紅墨水氣密性等方面進(jìn)行的試驗(yàn)分析和不良分析對比相對缺乏，目前關(guān)于這些方面的文獻(xiàn)、報道相對比較少。

基于此，文章圍繞UVC LED石英玻璃封裝的形式，對不同膠量的黏結(jié)的UVC封裝器件進(jìn)行可靠性對比分析，比如對良率、推力、紅墨水氣密性等方面進(jìn)行試驗(yàn)分析和不良分析對比，為封裝優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1 UVC LED封裝概述

UV LED，特別是UVC LED對有機(jī)封裝材料具有較大的破壞作用，因而UVC LED封裝相對于常規(guī)LED封裝會比較特殊。市場上UV LED封裝主要有3種封裝形式，分別是有機(jī)封裝、半無機(jī)封裝以及全無機(jī)封裝。有機(jī)封裝與常規(guī)白光LED封裝類似，采用抗UV的硅膠，特別是氟樹脂來對芯片進(jìn)行直接封裝，這種封裝形式主要取決于芯片的光功率和封裝樹脂的耐UV性能，性能上參差不齊[4]。半無機(jī)封裝是目前UVC LED的主流封裝形式，其采用石英玻璃作為封裝材料，石英玻璃是無機(jī)物，UV對其沒有影響，因此關(guān)鍵在于石英玻璃的透光率，其主要采用抗UV的黏結(jié)材料將石英玻璃和支架黏結(jié)在一起，其可靠性和穩(wěn)定性均比大部分的有機(jī)封裝材料要好很多[5-6]。全無機(jī)封裝即將封裝的有機(jī)材料全部剔除，可靠性高，但工藝難度也較高。

文章選取市場主流的半無機(jī)封裝形式，為了更好地對比不同膠量黏結(jié)的UVC封裝器件的性能，用相同支架的產(chǎn)品進(jìn)行對比。支架尺寸為3.6 mm×3.6 mm，材質(zhì)為陶瓷基板帶杯鍍金，采用不同膠量進(jìn)行封裝，固化條件一致。封裝形式如圖1所示。

圖1 封裝形式示意圖

圍繞0.000 25 mL、0.000 35 mL、0.000 45 mL、0.000 55 mL、0.000 65 mL這幾種膠量展開試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量為每種膠量各點(diǎn)一塊基板，每塊板總數(shù)為324 PCS，對不同參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，來研究不同膠量對該款半無機(jī)封裝產(chǎn)品的可靠性的影響。

2 不同膠量對封裝良率的影響

對不同膠量封裝的產(chǎn)品進(jìn)行外觀檢查，統(tǒng)計各種不良的數(shù)量以及總的不良率，其數(shù)據(jù)結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 和圖2表明，隨著點(diǎn)膠量的增加，氣體通道和外觀不良呈現(xiàn)下降趨勢，而溢膠不良則呈現(xiàn)上升趨勢，總不良數(shù)為先下降后上升。其主要原因?yàn)?，?dāng)膠量偏少時，膠不足夠?qū)崿F(xiàn)玻璃和陶瓷的全面結(jié)合，導(dǎo)致了更多的外觀不良以及氣體通道不良；而當(dāng)膠量開始增加到一定程度，已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)玻璃和陶瓷的全面結(jié)合時，外觀和氣體通道的不良將趨于沒有；膠量繼續(xù)增加的情況下，膠量就會太多，導(dǎo)致多余的膠流到腔體內(nèi)部，造成了溢膠不良。綜上所述，在膠量少的時候主要是外觀和氣體通道不良，膠量偏多時為溢膠不良，并在點(diǎn)膠量為0.000 45 mL時趨于最優(yōu)值。3種不良如圖3所示。

圖2 不同膠量的不良對比

圖3 3種不良圖示

表1 不同膠量的不良對比

3 不同膠量對封裝玻璃推力的影響

對不同膠量黏結(jié)的玻璃進(jìn)行推力測試，同時對氣體通道、溢膠、外觀不良3種不良進(jìn)行推力測試對比，記錄分析所有的推力數(shù)據(jù)，選取不同膠量的器件各5個，分別編號為1號～5號，結(jié)果如表2、表3所示。

表3 不同不良的推力對比

從表2可以看出，不同點(diǎn)膠量良品的推力差異較小，基本在4.5 kg以上；而氣體通道、溢膠、外觀不良中，溢膠的推力和良品基本一致，氣體通道和外觀不良的推力會比正常品低15%以上。溢膠不良與其他兩個不良的不同點(diǎn)在于，其膠水覆蓋玻璃和基板的面積和良品一致，而其他兩種不良覆蓋的面積偏少。這說明不管膠量多少，只要膠水能完全覆蓋玻璃和基板的結(jié)合面，其推力會達(dá)到一個最大值，且趨于穩(wěn)定；而當(dāng)膠水不能完全覆蓋時，推力將下降。

表2 不同膠量良品的推力對比

4 不同膠量對紅墨水可靠性的影響

對不同膠量黏結(jié)的器件良品以及對氣體通道、溢膠、外觀不良3種不良進(jìn)行常溫24 h紅墨水失效對比，數(shù)量為各20 PCS，記錄分析不同膠量對紅墨水可靠性的影響，結(jié)果如表4、表5所示。

表4 不同膠量的紅墨水失效對比

表5 不同不良的紅墨水失效對比

表4 、表5數(shù)據(jù)表明，不同膠量對UVC器件的紅墨水可靠性沒有影響，失效率均為0%；而對比3種不良的紅墨水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣體通道不良的失效率為100%，溢膠和外觀不良的失效率為0%。因?yàn)椴还苁橇计罚€是溢膠和外觀不良品，均對整個器件進(jìn)行了密封，所以紅墨水無法進(jìn)入器件內(nèi)部導(dǎo)致失效；而氣體通道不良品由于沒有密封，導(dǎo)致紅墨水經(jīng)由氣體通道進(jìn)入UVC器件內(nèi)部，從而導(dǎo)致器件失效。紅墨水試驗(yàn)后的良品和不良品失效如圖4所示。

圖4 紅墨水試驗(yàn)后的良品和不良品圖示

5 結(jié)論

UV LED特別是UVC LED相比常規(guī)LED而言，封裝形式相對特殊。文章采用目前市面上主流的半無機(jī)玻璃封裝形式進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：（1）隨著點(diǎn)膠量的增加，氣體通道和外觀不良呈現(xiàn)下降趨勢，而溢膠不良則呈上升趨勢，總的不良數(shù)為先下降后上升的情況；（2）不同點(diǎn)膠量良品的推力差異不大，基本均在4.5 kg以上，而氣體通道、溢膠、外觀不良中，溢膠的推力和良品基本一致，氣體通道和外觀不良的推力會比正常品低15%以上；（3）不同膠量對UVC器件的紅墨水可靠性沒有影響，失效率均為0%，而對比3種不良的紅墨水試驗(yàn)，氣體通道不良的不良率為100%，溢膠和外觀不良的失效率也0%。

從幾種膠量對比情況來看，總體是0.000 45 mL的膠量效果最好，更適合器件封裝，而對于其他不同尺寸、不同結(jié)構(gòu)的封裝，膠量需要另外摸索。對于幾種不良，在部分應(yīng)用領(lǐng)域，該不良其實(shí)對應(yīng)用端是否有影響也需要進(jìn)一步明確。綜上所述，在實(shí)際使用時需要明確不同UVC產(chǎn)品所適配的膠量并結(jié)合UVC器件的實(shí)際用途，以便定義UVC LED不良。