环氧树脂及高折硅胶保护涂层对COB封装LED光源抗硫化性能的研究

温作杰，李炳乾，张荣荣，杨明德，刘建平，夏正浩，冯振聪

(1.五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020；2.中山市光圣半导体科技有限责任公司，广东 中山 528421；3.中山市木林森电子有限公司,广东 中山 528400)

引言

白光LED具有体积小、耗能低、无污染、寿命长、亮度高等优良性能，代替传统照明在各个领域得到了广泛的应用[1-3]。而在不同的照明领域中，白光LED具有多种封装方式，其中COB封装是一种将LED芯片直接固定到金属基或者陶瓷基等具有高导热性能的电路板上，使芯片发出的热量直接通过基板导出，实现高密度集成封装的封装结构[4-6]。这种封装结构可以将大量芯片封装在小面积发光面上，减小了LED体积的同时实现高光通量输出，适用于商业照明等对照明品质有严格要求的场合[7,8]。

随着半导体照明发展进入成熟期，LED照明企业在对产品照明品质不断追求的同时，同样注重产品质量。由于COB封装光源具有较高的封装密度，其单位热量和热功率都很高，常规环氧树脂或高折硅胶封装胶不满足COB封装LED的热应力需求，因此大部分COB封装LED使用的封装胶水都为热应力较好的低折胶，在光源点亮过程中提供足够的应力缓冲，以增加光源的可靠性。但是常规低折胶水都具有亲水性，而LED光源在封装或者装灯使用的过程中，不可避免的会与含硫、含卤的物质接触，导致硫、卤族元素易渗入光源内部，同时COB正装封装LED光源以镜面铝基板为主，在芯片固晶区镀有纯银，此时渗入的硫、卤元素会与基板银层发生反应，从而导致银层黑化，造成光源光通量下降、色温漂移等问题。更严重的，会产生由于硫化银导电率随温度升高而增加的特性使芯片产生漏电，或芯片焊点金球脱落等光源失效问题[9-11]。为了提高LED光源的抗硫化性能，人们在封装结构和封装材料上开展了大量研究。乜辉等[12]设计了一种底部涂覆结构LED封装光源，在基板镀银层底部表面涂覆保护层，使LED出光效率提高了8%，同时大幅度提升了LED产品的抗硫化能力。杜元宝等[13]采用阳极氧化和电镀以及溅射工艺在纯铝基材表面制备Nb2O5和Al2O3镀层作为铝材表面的防氧化层，有效增加了光源的抗硫化性能。

为解决由硫、卤元素影响而导致光源失效的问题，本文采用环氧树脂及高折硅胶分别涂覆在LED光源表面形成保护涂层的封装结构，提高光源的抗硫化能力。实验测量了两种胶水保护层涂覆下COB LED光源光通量及色温随涂覆厚度的关系，实验证明，随着两种胶水涂覆保护层厚度的增加，光源光通量无明显变化，而色温呈增加趋势，并对色温升高的原因进行了分析。在此基础上，采用对两种胶水不同涂覆厚度保护层的光源进行高温硫化实验，实验结果表明，在光源上涂覆环氧树脂或高折硅胶保护层均可有效增加光源的抗硫化性能，其中涂覆环氧树脂的光源在高温硫化实验期间未发生明显硫化现象，光源保持较高的光通量维持率，而涂覆高折硅胶的光源随着实验的进行产生了不同程度的硫化现象，且涂覆厚度越薄发生硫化的现象越明显，光通量维持率下降越多。

1 样品制备与测量原理

1.1 样品制备

样品采用正装COB封装方式，其结构示意图如图1(a)所示。首先使用固晶胶将芯片直接粘结在镜面铝基板上，采用60颗聚灿光电生产的商品化GaN基蓝光LED芯片，大小为17 mil×34 mil，基板外形尺寸为19.0 mm×19.0 mm×1.0 mm，发光面直径为17 mm的圆形。通过高温烘烤使固晶胶固化，芯片和基板之间形成牢固的粘结。之后采用直径为0.9 mil的金线，通过焊线工艺使芯片之间及基板形成电气互连。然后使用围坝胶将基板发光面围成一个圆，作为荧光胶涂覆区。最后按照一定荧光粉配比和荧光胶涂覆量，将荧光胶涂覆在荧光胶涂覆区内，完全覆盖住所有芯片和金线。最后对封装完成的光源进行高温固化得到样品。

图1 (a)COB封装结构示意图(b)保护涂层顶层涂覆结构示意图Fig.1 (a) COB packaging structure diagram (b) diagram of top coating structure of protective coating

光源样品制作完成后，采用双组份环氧树脂和高折硅胶对光源样品进行顶部涂覆，使其完全包裹光源表面，并控制涂覆量使其得到三种不同厚度的涂覆保护层，其涂覆示意图如图1(b)所示。需要注意的两点，一是在涂覆保护涂层过程中，需要对光源进行一定的预加热，使涂覆上去的胶水粘度降低，增加流动性，使胶水很好地在光源表面流淌均匀；二是选择的胶水需要与荧光胶有相近的热膨胀系数，避免冷却后产生明显分层现象。以上两种涂覆胶水的具体参数见表1。

表1 两种涂覆胶水参数Table 1 Two coating glue parameters

1.2 测量原理

采用中谱ZPC5000型LED光色电参数综合测试仪对光源样品进行光电参数的测量。该测试机由LED驱动电源、积分球、光谱仪和计算机组成，其中LED驱动电源由计算机控制，可输出与光源匹配的电流电压，并采用脉冲测量，使芯片来不及发热减少了热量的堆积，避免了由芯片温度升高带来的测量误差[14]。积分球内部涂满具有高达98%反射率的漫反射层，光源发出的光在积分球内部经过多次漫反射达到平衡，此时积分球内腔辐射通量及光强分布较为均匀，降低了由入射角度、空间分布等原因对输出光强度及均匀度的影响。此时光在积分球内部经过充分漫反射后被挡光板后的探头所接收，再通过光纤传输到光谱仪中。光谱仪中的衍射光栅将接收到的光进行分解，通过光电转换器将分解后的光转化为能量随波长分布的电信号，最后传输到计算机中，根据光度学和色度学原理，计算得到相应的光通量、光效、显指、色温、光功率等重要LED光源的光电参数[15]。

2 实验与分析

对制作完成的样品进行高温硫化实验，实验在一个密封容器中进行，容器内硫粉浓度为1g/500 ml，将容器放入85 ℃的高温烤箱内进行实验。采用中谱光色电参数综合测试仪分别在实验前、高温硫化实验4 h、8 h直至48 h后分别测试样品的光电参数。

2.1 初始光电参数

在进行高温硫化实验前，对采用三种涂覆保护层厚度，即涂覆胶水厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源样品进行光电参数测量，其测量结果见表2。

表2 LED光源光电参数Table 2 LED photoelectric parameters

从表2中可以看出，采用了环氧树脂或高折硅胶保护层涂覆的光源光通量变化区间在-1.1%～+2.5%之间，而涂覆保护层后的光源色温增加，且涂覆厚度越厚，色温增加越多。其中涂覆保护层后光源光通量有轻微波动，且波动规律与胶水种类和涂覆厚度无明显关系，其原因是受到涂覆材料的影响，光线在射出的过程中损耗变大导致光通量降低，但由于涂覆保护层后光源胶面由微凹变为微凸，有利于光提取，增加了一定光通量，同时由于色温变高导致光通量有一定增加，在这三点原因的共同作用下，光通量发生了轻微的波动。

从图2可以看出，涂覆保护层后的光源，其光谱中蓝光波段光谱曲线高于未涂覆保护层的光源光谱曲线，而在黄光和红光波段，其光谱曲线低于未涂覆保护层的光源光谱。笔者认为造成这种现象的原因一是涂覆保护层之后，由于荧光胶和涂覆胶水折射率相差较小，在其交接界面不易发生全反射，同时光源表面的荧光胶由微凹面或平面变为凸起的半球面，此时光源射到保护层上的入射角变小，导致更多的蓝光射出，造成光谱中蓝光成分的增加；二是由于反射回去的蓝光减少了，导致该部分反射回去的蓝光激发荧光粉产生的黄绿光和红光减少，造成光谱中黄绿光和红光成分的减少。在这两种原因的共同作用下，涂覆保护层后的光源光谱中蓝光成分增加，黄绿光和红光成分减少，导致了光源色温的增加；同时由于高折硅胶折射率略高于环氧树脂，造成了光谱中蓝光成分高于涂覆环氧树脂的光源，使相同条件下其色温增加程度大于涂覆环氧树脂的光源。

图2 未涂覆保护层及两种胶水涂覆保护层光源光谱图Fig.2 Spectra of light source of uncoated protective layer and two kinds of glue coated protective layer

2.2 硫化实验

将未涂覆保护层和涂覆三种厚度保护层的样品光源各5颗放入含硫粉浓度为1g/500 ml的密封容器中，其中样品放置在容器内的镂空支架上，不与硫粉直接接触。再将容器放入85 ℃的烤箱内进行烘烤，并每隔4 h测量样品的色温、光通量变化情况，结果如图3所示。

图3(a)是光源光通量维持率随硫化时间的变化关系，其中矩形曲线为未涂覆保护层的光源硫化光通量变化曲线。从曲线变化情况看出，随着高温硫化的进行，未涂覆保护层的光源光通量在硫化0～16 h内快速下降，硫化4 h后光通量维持率从100%降低到了90.98%,硫化16 h后降低到了60.65%。这是由于光源硫化后硫元素渗入光源内部，与银层发生反应生成黑色的硫化银，导致光源镜面反光区黑化，使光通量快速下降。硫化16 h后，此时光源银层大部分已被硫化，继续进行实验使得光源银层在接下里的12 h内被完全硫化，因此在硫化16～28 h之间，光源光通量下降速度较慢，28 h后光源被完全硫化，再继续进行硫化对光源光通量的影响较小，因此曲线在硫化28 h后近似不变，光通量维持率在55%左右浮动，最后硫化48 h后，光通量维持率最终降为55.74%。

图3 (a)光通量维持率随硫化时间的关系 (b)色温变化随硫化时间的关系Fig.3 (a)The relationship between Luminous flux maintenance rate and vulcanization time (b) the relationship between color temperature and vulcanization time

图3(a)中圆形、上三角和下三角曲线分别为涂覆环氧树脂保护层厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源光通量维持率随硫化时间变化曲线，可以看出在高温硫化的48 h之内，涂覆环氧树脂的光源光通量变化不明显，变化在-1.12%～3.5%之间浮动，可看作涂覆环氧树脂保护层后，光源的抗硫化能力得到了极大的提升，光源在高温硫化48 h后光通量维持率依然保持在100%附近。而图3(a)中五边形、左三角和右三角曲线分别为涂覆高折硅胶保护层厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源光通量维持率随硫化时间变化曲线，可以看出涂覆高折硅胶保护层的光源随着硫化的进行其光通量维持率都有着一定的下降。其中涂覆厚度最薄的光源在硫化2 h后观察到其银层出现明显的黑化，且光通量维持率下降到了89.30%，在硫化48 h后，该涂覆厚度的光源光通量维持率降为65.37%。涂覆厚度为1.0 mm的光源在硫化48 h后，光通量维持率降低为85.71%。涂覆厚度为1.5 mm的光源光通量维持率在开始硫化的16 h内都保持光通量维持率在100%附近，可以看作光源未产生硫化现象，随后继续进行硫化其光通量维持率缓慢下降，在硫化48 h后光通量维持率依然保持在95.83%，此时光源产生轻微硫化，且硫化速度极为缓慢。因此涂覆高折硅胶保护层对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。

图3(b)是光源色温变化随硫化时间的关系，从图中可以看出，未涂覆保护层的光源在硫化的前16 h由于受到硫化的影响，其色温快速增加，而在硫化24 h后，色温则变化较慢,其在硫化48 h过程中色温最大增加了4 081 K。而涂覆环氧树脂的光源色温在硫化4 h后突然降低，且保护层涂覆厚度越厚色温降低越多，再随着硫化时间的推移，色温几乎不发生变化。而涂覆高折硅胶的光源随着硫化的进行，其色温持续增加，且保护层涂覆厚度越薄色温增加越多。根据实验数据可知，在硫化4 h后，涂覆环氧树脂保护层厚度0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源色温分别下降了454 K、760 K和1 082 K，再随着硫化的进行，色温未继续发生巨大变化，在硫化48 h后色温相比于初始色温分别下降了488 K、785 K和1 300 K。这是因为环氧树脂有着较好的抗硫化能力，保护光源不发生明显硫化，但是由于环氧树脂具有高温易变黄的特性，光源在高温硫化环境下会轻微变黄，导致了色温的降低。因此涂覆环氧树脂保护层的光源经过高温硫化后色温改变的主要原因是由于环氧树脂保护层受高温影响变黄造成的，且涂覆厚度越厚，经过高温硫化后色温改变的越多。而对于涂覆高折硅胶保护层的光源而言，高折硅胶抗高温性能较好，但抗硫化性能弱于环氧树脂，因此在高温硫化过程中光源色温变化的主要原因是由于光源硫化造成的，这导致了涂覆厚度越厚，在硫化过程中色温的改变程度越低，涂覆高折硅胶厚度为0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的光源在硫化48 h后色温分别提高了3 242 K、872 K和127 K。而硫化导致色温变化的原因主要是由于硫气体侵入到LED封装胶内，使得封装胶发生硫化反应，导致胶体变暗变透明，且基板镜面反光层硫化变黑，这两种原因导致了光源色温的增加。

3 结论

本文提出了一种环氧树脂及高折硅胶保护涂层结构，用于提高COB封装LED光源的抗硫化能力。测试结果表明，在对光源涂覆保护层后，光源光通量未发生明显改变，但是光源色温发生了明显的变化，涂覆厚度越厚，色温增大越多。再对样品光源进行高温硫化实验，实验结果表明，未涂覆保护层的光源的外观和光电参数都随高温硫化的进行产生了巨大变化；而涂覆环氧树脂保护层的光源光通量维持率在整个高温硫化的过程中都在100%附近，色温则先下降再维持不变，且涂覆厚度越厚，色温下降越多；涂覆高折硅胶保护层的光源，随着高温硫化的进行，光通量维持率不断下降，色温在不断增加，且涂覆厚度越厚，光通量维持率越高，色温改变越少。

需要注意的是，涂覆保护层后可有效提高光源的抗硫化性能，但对实际光源的光学性能会产生一定的负面影响。其中，环氧树脂有较好的抗硫化性能，但是高温易变黄，因此环氧树脂保护层适用于小功率光源，且涂覆厚度尽量薄，减小对光源性能的影响；而高折硅胶有较好的抗高温性能，但抗硫化性能弱于环氧树脂，适用于大部分功率的光源，涂覆厚度可根据环境情况而定，环境越恶劣涂覆厚度越厚。因此在实际应用中，需综合考虑光源功率和工作环境选择合适的涂覆材料以及涂覆厚度。同时根据涂覆厚度的不同，光源色温会发生一定变化，因此在光源封装的过程中，需提前考虑并设计光源的光电参数，使涂覆保护层后的光源光电参数满足应用需求。同时建议在光源封装阶段进行保护层涂覆设计，首先对封装完成的光源焊盘进行焊接，引出导线，再用点胶机在光源上进行保护层的涂覆，涂覆完成后对光源进行加热，降低胶水的粘度，使保护层胶水在光源表面流匀并完全覆盖光源，再经过一段时间加热使保护层胶水固化，完成保护层涂覆。