【科普】关于UV-LED封装失效原因，你知道哪些？

导读

众所周知，随着工业化进程的脚步不断加快，社会环境问题恶化亟待解决。构建资源节约型、环境友好型、全面协调可持续发展社会的基础是需要更多优良产品替代那些对生态环境造成恶化的“过去时“的产物。UV-LED兼顾节能、环保、高效，其大规模普及正是人们已然意识到其作为汞灯的替代品有着太多太多的好处。

UV-LED作为”过去时“传统汞灯的替代品，其现在的地位”非复吴下阿蒙“。目前UV-LED技术日益走向成熟，其面世以来宣扬的节能、长寿命的优点一直是大众关注的重点。但在UV-LED生产和应用当中，我们还是碰到不少“死灯”现象（所谓死灯指的是UV-LED光源不亮）。不管是生产还是应用当中产生的死灯，都是生产厂商十分头疼的难题，既要面对产品不良带来的损失，也影响了消费者对产品的信心。今天我们就来探讨下UV-LED封装失效的原因。

UV-LED的制造工艺

UV-LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而UV-LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于UV-LED。

UV-LED器件的失效模式主要包括电失效（如短路或断路）、光失效（如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等）和机械失效（如引线断裂，脱焊等），而这些因素都与封装结构和工艺有关。

UV-LED封装在UV-LED灯珠制造工艺的最后，一般都认为封装技术成熟，实现起来不难，所以出现很多低端的UV-LED封装产品，可靠性低，寿命短，容易死灯等各种问题。就此来分析UV-LED封装的各种失效原因。

LED的封装的任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。

UV-LED封装工序

1.芯片检验

镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill）芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整

2.扩片

由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。我们采用扩片机对粘结芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。

3.点胶

在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。（对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。）工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。

由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。

4.备胶

和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在ＬＥＤ背面电极上，然后把背部带银胶的ＬＥD安装在支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。

5.手工刺片

将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品。

6.自动装架

自动装架其实是结合了粘胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先后在LED支架点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。

自动装架在工艺上主要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是蓝、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。

UV-LED封装技术

UV-LED封装技术的要素有三点：封装结构设计、选用合适封装材料和工艺水平。

封装材料主要有以下四方面：

1、封装材料

环氧树脂、环氧塑封料、硅胶、有机硅塑料等，技术上对折射 率、内应力、结合力、气密性、耐高温、抗紫外线等有要求。

2、固晶材料

①固晶胶：树脂类和硅胶类，内部填充金属及陶瓷材料。

②共晶类：AuSn、SnAg/SnAgCu。

3、基板材料：铜、铝等金属合金材料

①陶瓷材料：Al2O3、AlN、SiC等。

②铝系陶瓷材料：称为第三代封装材料AlSiC、AlSi等。

③SCB基板材料：多层压模基板，散热好（导热率380w/m.k）、成本低。

④TES多晶质半导体陶瓷基板，传热速度快。

4、散热材料：铜、铝等金属合金材料

石墨烯复合材料，导热率200~1500w/m.k。

PCT高温特种工程塑料（聚对苯二甲酸1，4-环已烷二甲脂），加陶瓷纤，耐高温、低吸水性。

导热工程塑料：非绝缘型导热工程塑料，导热率14w/m.k。

绝缘型导热工程塑料，导热率8w/m.k。

UV-LED的封装材料

封装材料对LED芯片的功能发挥具有重要的影响，散热不畅或出光率低均会导致芯片的功能失效，故封装材料必须具备热导率高、透光率高、耐热性好及耐UV(紫外光)屏蔽佳、抗UV等特性。

1、热塑性树脂：TPP支架（热塑性Thermoplastic plastics）塑封材料主要使用的是PPA、PA6T等热塑性树脂，这类支架的气密性问题一直无法得到改善，吸水性较强且PPA本身会变色，这些问题都会影响LED器件的可靠性。

2、环氧树脂(EP)：指分子中含有2个或2个以上活性环氧基的高分子化合物，能与胺、酸酐和PF(酚醛树脂)等发生交联反应，形成不溶且具有三维网状交联结构的聚合物 。

具有易变黄、内应力大及热稳定性差等缺点，故其不能满足UVLED的封装要求，取而代之的是性能优异的有机硅材料。

3、环氧模塑料：(Epoxy molding compound)简称EMC封装，EMC是一种热固性塑料(Thermosetting plastic)。环氧树脂高温耐热性能一般，耐紫外光性能较差。

4、有机硅封装材料：因其结构同时兼有有机基团和无机基团，故其具有优异的热稳定性、耐水性及透光性；然而，有机硅仍存在着某些缺点(如耐UV老化性欠佳、热导率低等)。

5、有机硅纳米复合封装材料：纳米ZnO对UV有很强的吸收和散射作用，是优异的UV屏蔽剂，并且具有无毒、高光热稳定性等优点，可提高有机硅的耐UV老化性能及热导率，延长LED的使用寿命。

6、导电银浆： 导电银浆是将银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料, 粘贴的硬化温度一般低于200 ℃, 具有良好的导热特性、粘结性能可靠等优点, 但银浆对光的吸收比较大, 导致光效下降。同样条件下, 银浆与导热胶相比, 初始光通量会相差较多。小功率LED 芯片发热量少, 所以通过导电银浆作为粘结层完全可以满足散热性好、寿命长及可靠性高的要求。

7、合金焊料：Au-Sn的共晶温度只有280 ℃, 完全适合做大功率LED 芯片的粘结材料。为克服传统工艺键合层产生的大量空洞, 将Si 芯片Au-Sn共晶键合实验工艺在LED上实现。首先将W 、Ti 、Cr 以及Au-Sn等相关金属层镀在Al 基板上, 在430 ℃下通过回流焊使基板上的金属成为均匀的Au80Sn20合金组织, 然后再在320 ℃条件下通过共晶焊将芯片键合到Al 基板的Au-Sn合金层上。对键合器件进行破坏实验得知, 芯片先于键合层断裂, 从而在大功率LED的键合上可以在满足散热(Au2Sn 热导率57 W/mK) 的基础上满足键合强度的要求。

大功率LED 芯片由于发热较多, 所以对粘结剂的要求更为严格。一般粘结剂如导热胶、导电银浆都无法满足要求, 只能考虑硬钎料, 最为常用的钎料有三种: Au-Sn、Au-Ge和Au-Si 。LED 对高温比较敏感, 共晶键合温度分别为361 ℃、363℃的Au-Ge 、Au-Si不合适, 而Au-Sn的共晶温度只有280 ℃, 完全适合做大功率LED 芯片的粘结材料。为克服传统工艺键合层产生的大量空洞, 将Si 芯片Au-Sn共晶键合实验工艺在LED上实现。

首先将W 、Ti 、Cr 以及Au-Sn等相关金属层镀在Al 基板上, 在430 ℃下通过回流焊使基板上的金属成为均匀的Au80Sn20合金组织, 然后再在320 ℃条件下通过共晶焊将芯片键合到Al 基板的Au-Sn合金层上。对键合器件进行破坏实验得知, 芯片先于键合层断裂, 从而在大功率LED的键合上可以在满足散热(Au2Sn 热导率57 W/mK) 的基础上满足键合强度的要求。

UV-LED固晶材料

从最早的银胶固晶、绝缘胶固晶到共晶，把LED芯片粘接到混合电路基片,管座,组合件等器件上去,当前主要采用二种方法:

一种叫共晶粘片(EUTECTIC);

一种叫环氧树脂粘片(EPOXY,下面简称银浆粘片).

共晶粘片是把金属用低温溶化,使其原子接触熔融.我们知道,每一金属组织起码有一个合成物的熔点比其内部其它合成物的熔点来得低.这一合成物又称谓共晶合成物(来自希腊语EUTEKTOS,意思是容易熔化的).它的熔化温度又称共晶温度。共晶粘片一般都采用焊料(PREFORM),除非管芯背面镀有足够数量的纯金. 焊料是一层薄薄的合金,可以是金锡 (Ausn), 金硅 (AuSi), 金锗 (AuGe)等等. 共晶需用热,温度高低取决于管芯材料的焊料的种类。银浆粘片比较简单，把导电银胶按照1比1配好以后 搅拌15分钟，然后点到指定位置，把芯片放上后轻轻压下，放入烘箱150 摄氏度 60分钟就OK 了。

UV-LED基板材料

基板材料：铜、铝等金属合金材料

1,陶瓷材料：Al2O3、AlN、SiC等。

2,铝系陶瓷材料：称为第三代封装材料AlSiC、AlSi等。

3,SCB基板材料：多层压模基板，散热好（导热率380w/m.k）、成本低。

4,TES多晶质半导体陶瓷基板，传热速度快。

双面镀上陶磁材料,导热系数在220W/mK以双面可以高温烧银线路

1、AIB基板和灯珠之间焊枓,熔点在210度,导热系数在75W/mK

2、ALB基板和紫铜之间焊料,熔点在160度,导热系数在86W/mK

铜散热器:导热系数在386W/mK

UV-LED封装失效原因分析

1、有机材料失效

紫外线的短波高能量，有机材料在长期使用过程中被紫外光激励，加速了有机材料的氧化，出现了性能恶化LED金线受损和断线失效

2、有机粘结剂失效

封装结构中采用有机粘结剂对玻璃与铝支架进行封装，铝支架导热系数相对较高，因此粘结剂可能会长期在较高的温度下工作，加上高强度的紫外线长时间作用，有机的粘结剂可能在使用过程中失效，导致玻璃与铝支架脱离，造成封装失效

3、铝基板加氧化铝封装失效

铝支架中间嵌有Al2O3作为绝缘层。金属铝的膨胀系数约为23×10-6/℃，而Al2O3的膨胀系数为7.85×10-6/℃左右，两者的膨胀系数相差近3倍，因此在往复冷热冲击过程中会形成应力，最终导致微裂纹产生，甚至是断裂失效。

4、大气封装失效

深紫外波段，紫外线能够与氧气发生作用进而产生臭氧，而臭氧能够吸收深紫外辐射，进而消耗了紫外线，导致封装失败

5、固晶材料有机材料,助焊剂失效

固晶材枓多为环氧树脂和硅胶,被反射回来的紫外线照射容易劣化造成光衰

助焊剂在封装中无法清洗干净,在紫外线照射下,产生气体,在密闭环境下,会使金属锈蚀,污染玻璃视窗

6、低温共烧陶磁腔体失效

低温共烧陶磁做腔体,大量掺杂有机材枓的粘合剂让玻璃和陶磁,烧结温度在900度内,因烧结温度不够,产生空洞,及尺寸变异大,还有机物残留量大,造成不够气密

7、金属和玻璃气密失效

焊接材料选择错误及接合设备选择不当.会造成气密不足,空气进及水气进入固晶区造成失效

8、模组铝基板铜基板失效

铜基板和铝基板中间用绝缘层是用有机材料做的,长时间在在紫外线的反射光照射下,绝缘层劣化造成剥离,而失效

UV-LED失效案例

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