環(huán)氧樹(shù)脂及高折硅膠保護(hù)涂層對(duì)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(mén) 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(wú)污染、壽命長(zhǎng)、亮度高等優(yōu)良性能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明在各個(gè)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(guò)基板導(dǎo)出，實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)高光通量輸出，適用于商業(yè)照明等對(duì)照明品質(zhì)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合[7,8]。

隨著半導(dǎo)體照明發(fā)展進(jìn)入成熟期，LED照明企業(yè)在對(duì)產(chǎn)品照明品質(zhì)不斷追求的同時(shí)，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(shù)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(diǎn)亮過(guò)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(guò)程中，不可避免的會(huì)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(shí)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(shí)滲入的硫、鹵元素會(huì)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(wèn)題。更嚴(yán)重的，會(huì)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(diǎn)金球脫落等光源失效問(wèn)題[9-11]。為了提高LED光源的抗硫化性能，人們?cè)诜庋b結(jié)構(gòu)和封裝材料上開(kāi)展了大量研究。乜輝等[12]設(shè)計(jì)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(hù)層，使LED出光效率提高了8%，同時(shí)大幅度提升了LED產(chǎn)品的抗硫化能力。杜元寶等[13]采用陽(yáng)極氧化和電鍍以及濺射工藝在純鋁基材表面制備N(xiāo)b2O5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(wèn)題，本文采用環(huán)氧樹(shù)脂及高折硅膠分別涂覆在LED光源表面形成保護(hù)涂層的封裝結(jié)構(gòu)，提高光源的抗硫化能力。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了兩種膠水保護(hù)層涂覆下COB LED光源光通量及色溫隨涂覆厚度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證明，隨著兩種膠水涂覆保護(hù)層厚度的增加，光源光通量無(wú)明顯變化，而色溫呈增加趨勢(shì)，并對(duì)色溫升高的原因進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，采用對(duì)兩種膠水不同涂覆厚度保護(hù)層的光源進(jìn)行高溫硫化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光源上涂覆環(huán)氧樹(shù)脂或高折硅膠保護(hù)層均可有效增加光源的抗硫化性能，其中涂覆環(huán)氧樹(shù)脂的光源在高溫硫化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)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(cè)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(lán)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(guò)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(guò)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(gè)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(duì)封裝完成的光源進(jìn)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(hù)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(shù)脂和高折硅膠對(duì)光源樣品進(jìn)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(hù)層，其涂覆示意圖如圖1(b)所示。需要注意的兩點(diǎn)，一是在涂覆保護(hù)涂層過(guò)程中，需要對(duì)光源進(jìn)行一定的預(yù)加熱，使涂覆上去的膠水粘度降低，增加流動(dòng)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(jiàn)表1。

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

1.2 測(cè)量原理

采用中譜ZPC5000型LED光色電參數(shù)綜合測(cè)試儀對(duì)光源樣品進(jìn)行光電參數(shù)的測(cè)量。該測(cè)試機(jī)由LED驅(qū)動(dòng)電源、積分球、光譜儀和計(jì)算機(jī)組成，其中LED驅(qū)動(dòng)電源由計(jì)算機(jī)控制，可輸出與光源匹配的電流電壓，并采用脈沖測(cè)量，使芯片來(lái)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(lái)的測(cè)量誤差[14]。積分球內(nèi)部涂滿具有高達(dá)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(guò)多次漫反射達(dá)到平衡，此時(shí)積分球內(nèi)腔輻射通量及光強(qiáng)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?qiáng)度及均勻度的影響。此時(shí)光在積分球內(nèi)部經(jīng)過(guò)充分漫反射后被擋光板后的探頭所接收，再通過(guò)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(jìn)行分解，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將分解后的光轉(zhuǎn)化為能量隨波長(zhǎng)分布的電信號(hào)，最后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，根據(jù)光度學(xué)和色度學(xué)原理，計(jì)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(shí)驗(yàn)與分析

對(duì)制作完成的樣品進(jìn)行高溫硫化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在一個(gè)密封容器中進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用中譜光色電參數(shù)綜合測(cè)試儀分別在實(shí)驗(yàn)前、高溫硫化實(shí)驗(yàn)4 h、8 h直至48 h后分別測(cè)試樣品的光電參數(shù)。

2.1 初始光電參數(shù)

在進(jìn)行高溫硫化實(shí)驗(yàn)前，對(duì)采用三種涂覆保護(hù)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(jìn)行光電參數(shù)測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)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(shù)脂或高折硅膠保護(hù)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(hù)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(hù)層后光源光通量有輕微波動(dòng)，且波動(dòng)規(guī)律與膠水種類(lèi)和涂覆厚度無(wú)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(guò)程中損耗變大導(dǎo)致光通量降低，但由于涂覆保護(hù)層后光源膠面由微凹變?yōu)槲⑼?，有利于光提取，增加了一定光通量，同時(shí)由于色溫變高導(dǎo)致光通量有一定增加，在這三點(diǎn)原因的共同作用下，光通量發(fā)生了輕微的波動(dòng)。

從圖2可以看出，涂覆保護(hù)層后的光源，其光譜中藍(lán)光波段光譜曲線高于未涂覆保護(hù)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(hù)層的光源光譜。筆者認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因一是涂覆保護(hù)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(shí)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(shí)光源射到保護(hù)層上的入射角變小，導(dǎo)致更多的藍(lán)光射出，造成光譜中藍(lán)光成分的增加；二是由于反射回去的藍(lán)光減少了，導(dǎo)致該部分反射回去的藍(lán)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(hù)層后的光源光譜中藍(lán)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(shí)由于高折硅膠折射率略高于環(huán)氧樹(shù)脂，造成了光譜中藍(lán)光成分高于涂覆環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂的光源。

圖2 未涂覆保護(hù)層及兩種膠水涂覆保護(hù)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(shí)驗(yàn)

將未涂覆保護(hù)層和涂覆三種厚度保護(hù)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(jìn)行烘烤，并每隔4 h測(cè)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(shí)間的變化關(guān)系，其中矩形曲線為未涂覆保護(hù)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(jìn)行，未涂覆保護(hù)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(shí)光源銀層大部分已被硫化，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jìn)行硫化對(duì)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(dòng)，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(shí)間的關(guān)系 (b)色溫變化隨硫化時(shí)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(shù)脂保護(hù)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(shí)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(shù)脂的光源光通量變化不明顯，變化在-1.12%～3.5%之間浮動(dòng)，可看作涂覆環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)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(hù)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(shí)間變化曲線，可以看出涂覆高折硅膠保護(hù)層的光源隨著硫化的進(jìn)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(kāi)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(jìn)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(shí)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(hù)層對(duì)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(shí)間的關(guān)系，從圖中可以看出，未涂覆保護(hù)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(guò)程中色溫最大增加了4 081 K。而涂覆環(huán)氧樹(shù)脂的光源色溫在硫化4 h后突然降低，且保護(hù)層涂覆厚度越厚色溫降低越多，再隨著硫化時(shí)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(jìn)行，其色溫持續(xù)增加，且保護(hù)層涂覆厚度越薄色溫增加越多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在硫化4 h后，涂覆環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)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(jìn)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?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂有著較好的抗硫化能力，保護(hù)光源不發(fā)生明顯硫化，但是由于環(huán)氧樹(shù)脂具有高溫易變黃的特性，光源在高溫硫化環(huán)境下會(huì)輕微變黃，導(dǎo)致了色溫的降低。因此涂覆環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)層的光源經(jīng)過(guò)高溫硫化后色溫改變的主要原因是由于環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)層受高溫影響變黃造成的，且涂覆厚度越厚，經(jīng)過(guò)高溫硫化后色溫改變的越多。而對(duì)于涂覆高折硅膠保護(hù)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(shù)脂，因此在高溫硫化過(guò)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(guò)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(shù)脂及高折硅膠保護(hù)涂層結(jié)構(gòu)，用于提高COB封裝LED光源的抗硫化能力。測(cè)試結(jié)果表明，在對(duì)光源涂覆保護(hù)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(duì)樣品光源進(jìn)行高溫硫化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未涂覆保護(hù)層的光源的外觀和光電參數(shù)都隨高溫硫化的進(jìn)行產(chǎn)生了巨大變化；而涂覆環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)層的光源光通量維持率在整個(gè)高溫硫化的過(guò)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(hù)層的光源，隨著高溫硫化的進(jìn)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?cè)缴佟?/p>

需要注意的是，涂覆保護(hù)層后可有效提高光源的抗硫化性能，但對(duì)實(shí)際光源的光學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。其中，環(huán)氧樹(shù)脂有較好的抗硫化性能，但是高溫易變黃，因此環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)層適用于小功率光源，且涂覆厚度盡量薄，減小對(duì)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(shù)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(shí)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(shí)根據(jù)涂覆厚度的不同，光源色溫會(huì)發(fā)生一定變化，因此在光源封裝的過(guò)程中，需提前考慮并設(shè)計(jì)光源的光電參數(shù)，使涂覆保護(hù)層后的光源光電參數(shù)滿足應(yīng)用需求。同時(shí)建議在光源封裝階段進(jìn)行保護(hù)層涂覆設(shè)計(jì)，首先對(duì)封裝完成的光源焊盤(pán)進(jìn)行焊接，引出導(dǎo)線，再用點(diǎn)膠機(jī)在光源上進(jìn)行保護(hù)層的涂覆，涂覆完成后對(duì)光源進(jìn)行加熱，降低膠水的粘度，使保護(hù)層膠水在光源表面流勻并完全覆蓋光源，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間加熱使保護(hù)層膠水固化，完成保護(hù)層涂覆。