環(huán)氧樹脂及高折硅膠保護涂層對COB封裝LED光源抗硫化性能的研究

溫作杰，李炳乾，張榮榮，楊明德，劉建平，夏正浩，馮振聰

(1.五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020；2.中山市光圣半導(dǎo)體科技有限責(zé)任公司，廣東 中山 528421；3.中山市木林森電子有限公司,廣東 中山 528400)

引言

白光LED具有體積小、耗能低、無污染、壽命長、亮度高等優(yōu)良性能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。而在不同的照明領(lǐng)域中，白光LED具有多種封裝方式，其中COB封裝是一種將LED芯片直接固定到金屬基或者陶瓷基等具有高導(dǎo)熱性能的電路板上，使芯片發(fā)出的熱量直接通過基板導(dǎo)出，實現(xiàn)高密度集成封裝的封裝結(jié)構(gòu)[4-6]。這種封裝結(jié)構(gòu)可以將大量芯片封裝在小面積發(fā)光面上，減小了LED體積的同時實現(xiàn)高光通量輸出，適用于商業(yè)照明等對照明品質(zhì)有嚴格要求的場合[7,8]。

隨著半導(dǎo)體照明發(fā)展進入成熟期，LED照明企業(yè)在對產(chǎn)品照明品質(zhì)不斷追求的同時，同樣注重產(chǎn)品質(zhì)量。由于COB封裝光源具有較高的封裝密度，其單位熱量和熱功率都很高，常規(guī)環(huán)氧樹脂或高折硅膠封裝膠不滿足COB封裝LED的熱應(yīng)力需求，因此大部分COB封裝LED使用的封裝膠水都為熱應(yīng)力較好的低折膠，在光源點亮過程中提供足夠的應(yīng)力緩沖，以增加光源的可靠性。但是常規(guī)低折膠水都具有親水性，而LED光源在封裝或者裝燈使用的過程中，不可避免的會與含硫、含鹵的物質(zhì)接觸，導(dǎo)致硫、鹵族元素易滲入光源內(nèi)部，同時COB正裝封裝LED光源以鏡面鋁基板為主，在芯片固晶區(qū)鍍有純銀，此時滲入的硫、鹵元素會與基板銀層發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致銀層黑化，造成光源光通量下降、色溫漂移等問題。更嚴重的，會產(chǎn)生由于硫化銀導(dǎo)電率隨溫度升高而增加的特性使芯片產(chǎn)生漏電，或芯片焊點金球脫落等光源失效問題[9-11]。為了提高LED光源的抗硫化性能，人們在封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料上開展了大量研究。乜輝等[12]設(shè)計了一種底部涂覆結(jié)構(gòu)LED封裝光源，在基板鍍銀層底部表面涂覆保護層，使LED出光效率提高了8%，同時大幅度提升了LED產(chǎn)品的抗硫化能力。杜元寶等[13]采用陽極氧化和電鍍以及濺射工藝在純鋁基材表面制備Nb2O5和Al2O3鍍層作為鋁材表面的防氧化層，有效增加了光源的抗硫化性能。

為解決由硫、鹵元素影響而導(dǎo)致光源失效的問題，本文采用環(huán)氧樹脂及高折硅膠分別涂覆在LED光源表面形成保護涂層的封裝結(jié)構(gòu)，提高光源的抗硫化能力。實驗測量了兩種膠水保護層涂覆下COB LED光源光通量及色溫隨涂覆厚度的關(guān)系，實驗證明，隨著兩種膠水涂覆保護層厚度的增加，光源光通量無明顯變化，而色溫呈增加趨勢，并對色溫升高的原因進行了分析。在此基礎(chǔ)上，采用對兩種膠水不同涂覆厚度保護層的光源進行高溫硫化實驗，實驗結(jié)果表明，在光源上涂覆環(huán)氧樹脂或高折硅膠保護層均可有效增加光源的抗硫化性能，其中涂覆環(huán)氧樹脂的光源在高溫硫化實驗期間未發(fā)生明顯硫化現(xiàn)象，光源保持較高的光通量維持率，而涂覆高折硅膠的光源隨著實驗的進行產(chǎn)生了不同程度的硫化現(xiàn)象，且涂覆厚度越薄發(fā)生硫化的現(xiàn)象越明顯，光通量維持率下降越多。

1 樣品制備與測量原理

1.1 樣品制備

樣品采用正裝COB封裝方式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。首先使用固晶膠將芯片直接粘結(jié)在鏡面鋁基板上，采用60顆聚燦光電生產(chǎn)的商品化GaN基藍光LED芯片，大小為17 mil×34 mil，基板外形尺寸為19.0 mm×19.0 mm×1.0 mm，發(fā)光面直徑為17 mm的圓形。通過高溫烘烤使固晶膠固化，芯片和基板之間形成牢固的粘結(jié)。之后采用直徑為0.9 mil的金線，通過焊線工藝使芯片之間及基板形成電氣互連。然后使用圍壩膠將基板發(fā)光面圍成一個圓，作為熒光膠涂覆區(qū)。最后按照一定熒光粉配比和熒光膠涂覆量，將熒光膠涂覆在熒光膠涂覆區(qū)內(nèi)，完全覆蓋住所有芯片和金線。最后對封裝完成的光源進行高溫固化得到樣品。

圖1 (a)COB封裝結(jié)構(gòu)示意圖(b)保護涂層頂層涂覆結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 (a) COB packaging structure diagram (b) diagram of top coating structure of protective coating

光源樣品制作完成后，采用雙組份環(huán)氧樹脂和高折硅膠對光源樣品進行頂部涂覆，使其完全包裹光源表面，并控制涂覆量使其得到三種不同厚度的涂覆保護層，其涂覆示意圖如圖1(b)所示。需要注意的兩點，一是在涂覆保護涂層過程中，需要對光源進行一定的預(yù)加熱，使涂覆上去的膠水粘度降低，增加流動性，使膠水很好地在光源表面流淌均勻；二是選擇的膠水需要與熒光膠有相近的熱膨脹系數(shù)，避免冷卻后產(chǎn)生明顯分層現(xiàn)象。以上兩種涂覆膠水的具體參數(shù)見表1。

表1 兩種涂覆膠水參數(shù)Table 1 Two coating glue parameters

1.2 測量原理

采用中譜ZPC5000型LED光色電參數(shù)綜合測試儀對光源樣品進行光電參數(shù)的測量。該測試機由LED驅(qū)動電源、積分球、光譜儀和計算機組成，其中LED驅(qū)動電源由計算機控制，可輸出與光源匹配的電流電壓，并采用脈沖測量，使芯片來不及發(fā)熱減少了熱量的堆積，避免了由芯片溫度升高帶來的測量誤差[14]。積分球內(nèi)部涂滿具有高達98%反射率的漫反射層，光源發(fā)出的光在積分球內(nèi)部經(jīng)過多次漫反射達到平衡，此時積分球內(nèi)腔輻射通量及光強分布較為均勻，降低了由入射角度、空間分布等原因?qū)敵龉鈴姸燃熬鶆蚨鹊挠绊?。此時光在積分球內(nèi)部經(jīng)過充分漫反射后被擋光板后的探頭所接收，再通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀中。光譜儀中的衍射光柵將接收到的光進行分解，通過光電轉(zhuǎn)換器將分解后的光轉(zhuǎn)化為能量隨波長分布的電信號，最后傳輸?shù)接嬎銠C中，根據(jù)光度學(xué)和色度學(xué)原理，計算得到相應(yīng)的光通量、光效、顯指、色溫、光功率等重要LED光源的光電參數(shù)[15]。

2 實驗與分析

對制作完成的樣品進行高溫硫化實驗，實驗在一個密封容器中進行，容器內(nèi)硫粉濃度為1g/500 ml，將容器放入85 ℃的高溫烤箱內(nèi)進行實驗。采用中譜光色電參數(shù)綜合測試儀分別在實驗前、高溫硫化實驗4 h、8 h直至48 h后分別測試樣品的光電參數(shù)。

2.1 初始光電參數(shù)

在進行高溫硫化實驗前，對采用三種涂覆保護層厚度，即涂覆膠水厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源樣品進行光電參數(shù)測量，其測量結(jié)果見表2。

表2 LED光源光電參數(shù)Table 2 LED photoelectric parameters

從表2中可以看出，采用了環(huán)氧樹脂或高折硅膠保護層涂覆的光源光通量變化區(qū)間在-1.1%～+2.5%之間，而涂覆保護層后的光源色溫增加，且涂覆厚度越厚，色溫增加越多。其中涂覆保護層后光源光通量有輕微波動，且波動規(guī)律與膠水種類和涂覆厚度無明顯關(guān)系，其原因是受到涂覆材料的影響，光線在射出的過程中損耗變大導(dǎo)致光通量降低，但由于涂覆保護層后光源膠面由微凹變?yōu)槲⑼梗欣诠馓崛?，增加了一定光通量，同時由于色溫變高導(dǎo)致光通量有一定增加，在這三點原因的共同作用下，光通量發(fā)生了輕微的波動。

從圖2可以看出，涂覆保護層后的光源，其光譜中藍光波段光譜曲線高于未涂覆保護層的光源光譜曲線，而在黃光和紅光波段，其光譜曲線低于未涂覆保護層的光源光譜。筆者認為造成這種現(xiàn)象的原因一是涂覆保護層之后，由于熒光膠和涂覆膠水折射率相差較小，在其交接界面不易發(fā)生全反射，同時光源表面的熒光膠由微凹面或平面變?yōu)橥蛊鸬陌肭蛎?，此時光源射到保護層上的入射角變小，導(dǎo)致更多的藍光射出，造成光譜中藍光成分的增加；二是由于反射回去的藍光減少了，導(dǎo)致該部分反射回去的藍光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的黃綠光和紅光減少，造成光譜中黃綠光和紅光成分的減少。在這兩種原因的共同作用下，涂覆保護層后的光源光譜中藍光成分增加，黃綠光和紅光成分減少，導(dǎo)致了光源色溫的增加；同時由于高折硅膠折射率略高于環(huán)氧樹脂，造成了光譜中藍光成分高于涂覆環(huán)氧樹脂的光源，使相同條件下其色溫增加程度大于涂覆環(huán)氧樹脂的光源。

圖2 未涂覆保護層及兩種膠水涂覆保護層光源光譜圖Fig.2 Spectra of light source of uncoated protective layer and two kinds of glue coated protective layer

2.2 硫化實驗

將未涂覆保護層和涂覆三種厚度保護層的樣品光源各5顆放入含硫粉濃度為1g/500 ml的密封容器中，其中樣品放置在容器內(nèi)的鏤空支架上，不與硫粉直接接觸。再將容器放入85 ℃的烤箱內(nèi)進行烘烤，并每隔4 h測量樣品的色溫、光通量變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)是光源光通量維持率隨硫化時間的變化關(guān)系，其中矩形曲線為未涂覆保護層的光源硫化光通量變化曲線。從曲線變化情況看出，隨著高溫硫化的進行，未涂覆保護層的光源光通量在硫化0～16 h內(nèi)快速下降，硫化4 h后光通量維持率從100%降低到了90.98%,硫化16 h后降低到了60.65%。這是由于光源硫化后硫元素滲入光源內(nèi)部，與銀層發(fā)生反應(yīng)生成黑色的硫化銀，導(dǎo)致光源鏡面反光區(qū)黑化，使光通量快速下降。硫化16 h后，此時光源銀層大部分已被硫化，繼續(xù)進行實驗使得光源銀層在接下里的12 h內(nèi)被完全硫化，因此在硫化16～28 h之間，光源光通量下降速度較慢，28 h后光源被完全硫化，再繼續(xù)進行硫化對光源光通量的影響較小，因此曲線在硫化28 h后近似不變，光通量維持率在55%左右浮動，最后硫化48 h后，光通量維持率最終降為55.74%。

圖3 (a)光通量維持率隨硫化時間的關(guān)系 (b)色溫變化隨硫化時間的關(guān)系Fig.3 (a)The relationship between Luminous flux maintenance rate and vulcanization time (b) the relationship between color temperature and vulcanization time

圖3(a)中圓形、上三角和下三角曲線分別為涂覆環(huán)氧樹脂保護層厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源光通量維持率隨硫化時間變化曲線，可以看出在高溫硫化的48 h之內(nèi)，涂覆環(huán)氧樹脂的光源光通量變化不明顯，變化在-1.12%～3.5%之間浮動，可看作涂覆環(huán)氧樹脂保護層后，光源的抗硫化能力得到了極大的提升，光源在高溫硫化48 h后光通量維持率依然保持在100%附近。而圖3(a)中五邊形、左三角和右三角曲線分別為涂覆高折硅膠保護層厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源光通量維持率隨硫化時間變化曲線，可以看出涂覆高折硅膠保護層的光源隨著硫化的進行其光通量維持率都有著一定的下降。其中涂覆厚度最薄的光源在硫化2 h后觀察到其銀層出現(xiàn)明顯的黑化，且光通量維持率下降到了89.30%，在硫化48 h后，該涂覆厚度的光源光通量維持率降為65.37%。涂覆厚度為1.0 mm的光源在硫化48 h后，光通量維持率降低為85.71%。涂覆厚度為1.5 mm的光源光通量維持率在開始硫化的16 h內(nèi)都保持光通量維持率在100%附近，可以看作光源未產(chǎn)生硫化現(xiàn)象，隨后繼續(xù)進行硫化其光通量維持率緩慢下降，在硫化48 h后光通量維持率依然保持在95.83%，此時光源產(chǎn)生輕微硫化，且硫化速度極為緩慢。因此涂覆高折硅膠保護層對光源抗硫化能力有一定的提升，且涂覆厚度越厚，抗硫化能力提升越高。

圖3(b)是光源色溫變化隨硫化時間的關(guān)系，從圖中可以看出，未涂覆保護層的光源在硫化的前16 h由于受到硫化的影響，其色溫快速增加，而在硫化24 h后，色溫則變化較慢,其在硫化48 h過程中色溫最大增加了4 081 K。而涂覆環(huán)氧樹脂的光源色溫在硫化4 h后突然降低，且保護層涂覆厚度越厚色溫降低越多，再隨著硫化時間的推移，色溫幾乎不發(fā)生變化。而涂覆高折硅膠的光源隨著硫化的進行，其色溫持續(xù)增加，且保護層涂覆厚度越薄色溫增加越多。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，在硫化4 h后，涂覆環(huán)氧樹脂保護層厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源色溫分別下降了454 K、760 K和1 082 K，再隨著硫化的進行，色溫未繼續(xù)發(fā)生巨大變化，在硫化48 h后色溫相比于初始色溫分別下降了488 K、785 K和1 300 K。這是因為環(huán)氧樹脂有著較好的抗硫化能力，保護光源不發(fā)生明顯硫化，但是由于環(huán)氧樹脂具有高溫易變黃的特性，光源在高溫硫化環(huán)境下會輕微變黃，導(dǎo)致了色溫的降低。因此涂覆環(huán)氧樹脂保護層的光源經(jīng)過高溫硫化后色溫改變的主要原因是由于環(huán)氧樹脂保護層受高溫影響變黃造成的，且涂覆厚度越厚，經(jīng)過高溫硫化后色溫改變的越多。而對于涂覆高折硅膠保護層的光源而言，高折硅膠抗高溫性能較好，但抗硫化性能弱于環(huán)氧樹脂，因此在高溫硫化過程中光源色溫變化的主要原因是由于光源硫化造成的，這導(dǎo)致了涂覆厚度越厚，在硫化過程中色溫的改變程度越低，涂覆高折硅膠厚度為0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源在硫化48 h后色溫分別提高了3 242 K、872 K和127 K。而硫化導(dǎo)致色溫變化的原因主要是由于硫氣體侵入到LED封裝膠內(nèi)，使得封裝膠發(fā)生硫化反應(yīng)，導(dǎo)致膠體變暗變透明，且基板鏡面反光層硫化變黑，這兩種原因?qū)е铝斯庠瓷珳氐脑黾印?/p>

3 結(jié)論

本文提出了一種環(huán)氧樹脂及高折硅膠保護涂層結(jié)構(gòu)，用于提高COB封裝LED光源的抗硫化能力。測試結(jié)果表明，在對光源涂覆保護層后，光源光通量未發(fā)生明顯改變，但是光源色溫發(fā)生了明顯的變化，涂覆厚度越厚，色溫增大越多。再對樣品光源進行高溫硫化實驗，實驗結(jié)果表明，未涂覆保護層的光源的外觀和光電參數(shù)都隨高溫硫化的進行產(chǎn)生了巨大變化；而涂覆環(huán)氧樹脂保護層的光源光通量維持率在整個高溫硫化的過程中都在100%附近，色溫則先下降再維持不變，且涂覆厚度越厚，色溫下降越多；涂覆高折硅膠保護層的光源，隨著高溫硫化的進行，光通量維持率不斷下降，色溫在不斷增加，且涂覆厚度越厚，光通量維持率越高，色溫改變越少。

需要注意的是，涂覆保護層后可有效提高光源的抗硫化性能，但對實際光源的光學(xué)性能會產(chǎn)生一定的負面影響。其中，環(huán)氧樹脂有較好的抗硫化性能，但是高溫易變黃，因此環(huán)氧樹脂保護層適用于小功率光源，且涂覆厚度盡量薄，減小對光源性能的影響；而高折硅膠有較好的抗高溫性能，但抗硫化性能弱于環(huán)氧樹脂，適用于大部分功率的光源，涂覆厚度可根據(jù)環(huán)境情況而定，環(huán)境越惡劣涂覆厚度越厚。因此在實際應(yīng)用中，需綜合考慮光源功率和工作環(huán)境選擇合適的涂覆材料以及涂覆厚度。同時根據(jù)涂覆厚度的不同，光源色溫會發(fā)生一定變化，因此在光源封裝的過程中，需提前考慮并設(shè)計光源的光電參數(shù)，使涂覆保護層后的光源光電參數(shù)滿足應(yīng)用需求。同時建議在光源封裝階段進行保護層涂覆設(shè)計，首先對封裝完成的光源焊盤進行焊接，引出導(dǎo)線，再用點膠機在光源上進行保護層的涂覆，涂覆完成后對光源進行加熱，降低膠水的粘度，使保護層膠水在光源表面流勻并完全覆蓋光源，再經(jīng)過一段時間加熱使保護層膠水固化，完成保護層涂覆。