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真空共晶炉工艺大幅提升UVLED可靠性

类别:行业资讯 发布时间:2020-08-07 浏览人次:

几年来,作为LED行业的细分领域,UV LED行业发展得如火如荼。UV LEDUltra-Violet Light Emitting Diode是一种能发出200nm-400nm不同波长的紫外线光源相比传统光源,有寿命长、环保、能耗低、无热辐射、体积小、固化时间快等优点。目前UV-A LED(波长320-400nm)主要用于固化和干燥等应用,占据整个UV LED应用产业至少半壁江山;而UV-C LED(波长200-280nm)主要用于杀菌消毒和净化等应用预计未来将成为UV LED市场的新动能

不同于传统LEDUV LED需要专门的电学、光学热学设计,并需要专门的特殊方案验证。目前行业发展还存在很大的技术瓶颈,产品存在良率不高可靠性不佳等问题为了提升UV LED的可靠性,封装企业需要升级使用真空焊接工艺,同时要保证原料的高质量,以及做好二次散热设计。

 

真空共晶炉:减少空洞率,提升可靠性

按照封装方式与集成度的不同,UV LED分为分立式器件与集成模组。其中,集成模组分为COB(Chip On Board)和DOB(Device On Board)。COB是将多颗LED芯片直接焊接在一块基板上,而DOB是先将LED芯片封装在器件内再将多个器件焊接在一块基板上。相较于COBDOB更利于实现标准化大规模生产。一旦出现制造不良DOB只损失某个器件。而使用过程中一旦发生光源失效,DOB只需要更换失效的器件。


 

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图为采用垂直结构UV LED芯片的DOB模组

研究表明,DOB的互联层(包括固晶层和锡膏层)的焊接质量对UV LED的出光率、总热阻和可靠性有很大影响。目前固晶层的焊接技术已经比较成熟,但器件与基板间的焊接层,由于工艺问题,不可避免地会产生气泡而形成空洞。

 

 

据研究,空洞对热阻的影响关系多个随机分布的小的空洞(总百分比V%),对器件总热阻(Rjc)的影响关系为Rjc=0.007V%+1.4987,而多个比较大的空洞对器件总热阻的影响关系为Rjc=1.427e0.015V% 

空洞率越,散热越好,空洞率越大,则散热越差。空洞率大,散热能力差,导致UV LED产品良率低,可靠性不佳,也减少UV LED芯片的使用寿命。一些UV LED封装和应用企业因而蒙受了很大损失目前行业大多采用传统的共晶炉工艺,焊接空洞率普遍高达30%以上,如下图。

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针对以上问题,UV LED行业的一些头部企业已改用真空焊接工艺,大幅降低UV LED芯片焊接的空洞率,有效提升可靠性。据了解,北京中科同志科技研发出UV LED专用真空共晶炉,即专门应用于UV LED芯片和模组焊接的真空共晶炉可以无缝替代进口真空共晶炉。使用中科同志科技的UV LED真空共晶炉,UV LED芯片焊接的空洞率可以控制在3%以下。(如下图

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真空共晶炉炉工艺大幅提升UVLED可靠性

另外,值得一提的是,中科同志科技的UV LED专用真空共晶炉,专门针对UV LED产品做了特殊优化。UV LED芯片在使用过程中,其能量全部是通过亮度发射出去的。其他焊接工艺会损伤表面,影响发光。而中科同志科技真空共晶炉,不会损伤UV LED照明亮度,保证了能量的完整释放。

 

保证原料高质量和二次散热设计的合理性

为了提升可靠性,除了改用真空共晶炉进行封装焊接,降低UV LED的空洞率,还应重点关注以下两点:

1、选择质量高的基板、芯片和锡膏。尤其是UV LED产品批量生产过程中一定要确保基板的质量。用于UV LED集成模组的基板主要有两种,即铜基板和氮化铝(AlN)陶瓷基板。相比氮化铝陶瓷基板铜基板有以下优点:价格更低;质地结实,不易出现裂纹甚至破裂的情况;更容易实现形状尺寸上的变化。封装物料的选择不同,器件的性能和可靠性等都会有一定的差异。

2、保证UV LED模组使用过程中二次散热设计合理可以参考如下规律

a. 以 "UV LED模组总电功率×50%÷1.3小于等于散热功率”作为散热充分的理论判断依据。如果是水冷冷却,散热功率以(出水口温度-进水口温度)x流速×水或者其他散热介质的比热容的公式来计算。如果是风冷冷却,也按照同样的方式来计算。

b. 实验样品完成后,靠近UV LED的散热基板的温度不高于55摄氏度为实验成功判断依据。(最好能测试中间焊盘上的温度同时要将进入实际设备或实际工作环境中的情况都考虑到还要考虑周边温度极端条件)。

 

 

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