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UVled燈珠與以往的UV光源相比，具有對(duì)環(huán)境好、低消耗功率、頻帶選擇等優(yōu)點(diǎn)。UVled燈珠如果適用于印刷行業(yè)，可靠性問題往往會(huì)面臨特別顯著的多方面課題。有機(jī)材料具有耐UV性能較差透濕透氧率的高特性，其性能的劣化大大降低UVled燈珠的可靠性。

1960年代，最初的UV硬化墨水登場(chǎng)了。UV隨著硬化技術(shù)的快速發(fā)展，在印刷行業(yè)中，一般采用數(shù)字印刷、鋼網(wǎng)印刷、平板印刷、柔性板印刷、凹印等硬化墨，與此一致UV硬化光源多采用紫外汞燈等以往的光源。但是，以前的紫外光源為了保護(hù)環(huán)境在越來(lái)越多的國(guó)家被限制使用，由此紫外發(fā)光二極管Ultra-Violet Light Emitting Diode、UV led的市場(chǎng)規(guī)模急速增加。

與以往紫外光源相比，UVled燈珠具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、消耗功率低、波長(zhǎng)可選等許多優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)發(fā)光波長(zhǎng)的大小，UV led被分為長(zhǎng)波紫外線UVA（315~400nm）、中波紫外線UVB（280~3315nm）、短波紫外線UVC（200~208nm）。一般來(lái)說，發(fā)光波長(zhǎng)大于300nm的屬于淺紫外線，不足300nm的屬于深紫外線。根據(jù)封裝方案和集成度，UVled燈珠可以如表1所示被劃分為立體設(shè)備和集成模塊。這里，集成模塊可以分為COB（Chip On Board）和DOB（Device On Board）。COB是將多個(gè)LED芯片直接焊接在一個(gè)基板上，DOB是首先將LED芯片封裝在設(shè)備內(nèi)，然后將多個(gè)設(shè)備焊接在一個(gè)基板上。

作為新興光源，UVled燈珠是UV對(duì)能量的有機(jī)材質(zhì)暴露而產(chǎn)生的光解1、UV由于硬化墨水的過暴露而導(dǎo)致的墨表面硬度和曝光量不足所導(dǎo)致的粘著力不足1、有害物質(zhì)的侵入U(xiǎn)V由于侵入硬化光源內(nèi)部而導(dǎo)致的光源失效、UV硬化光源和UV硬化墨的帶匹配、UV硬化光源的出光均勻性和出光效率，以及UV硬化光源的壽命、穩(wěn)定性和可靠性等。

現(xiàn)在，各LED封裝公司的包裝技術(shù)的水平不同，市售的UV LED光源種類多，質(zhì)量有偏差，由此，光源產(chǎn)生了各種可靠性的問題，所以應(yīng)用端常常受到損失。因此，從UV led分立元件和UVled燈珠集成模塊兩方面對(duì)印刷行業(yè)應(yīng)用中UVled燈珠的可靠性進(jìn)行了研究和討論。

基于CMH封裝技術(shù)的全無(wú)機(jī)UVled燈珠100%采用無(wú)機(jī)材料包裝，具有密封性好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、熱阻低等優(yōu)點(diǎn)。COB和DOB模塊根據(jù)包裝種類和制造過程的不同，性能和可靠性有很大差異?；褰^緣層的熱阻對(duì)COB全熱阻的比例非常大，焊接相互連接層對(duì)DOB的熱阻有很大的影響。

UVled燈珠離散設(shè)備

根據(jù)封裝材料，UVled燈珠分立裝置可以分為有機(jī)材料封裝UVled燈珠和無(wú)機(jī)材料封裝UVled燈珠。有機(jī)材料封裝UV led采用UV led在芯片上涂覆環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅膠等有機(jī)封裝材料2、UVled燈珠作為設(shè)備的碗杯而采用有機(jī)材料、或采用例如市售的EMC系列產(chǎn)品的可見光LED設(shè)備的封裝方式。

另一方面，無(wú)機(jī)材料包裝UVled燈珠一般將陶瓷改良為將碗杯、玻璃或金屬玻璃作為蓋板的包裝方式。在材料特性方面，有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料有很大的不同，當(dāng)兩種材料應(yīng)用于UV led封裝時(shí)，對(duì)器件整體的性能、壽命、可靠性等的影響也有很大的不同。為了便于論述，有機(jī)材料以有機(jī)硅膠為代表，無(wú)機(jī)材料以玻璃為代表，兩者在以下幾點(diǎn)進(jìn)行比較。

（1）UVled燈珠熱特性

在有機(jī)材料包裝UVled燈珠中，有機(jī)材料不僅受到來(lái)自芯片的紫外線照射，還受到芯片的熱的影響。特別是直接涂在芯片表面的有機(jī)材料，芯片表面的高熱通過熱導(dǎo)方式直接傳遞給有機(jī)材料，使得有機(jī)材料在長(zhǎng)時(shí)間高溫下工作。高溫會(huì)加速有機(jī)材料的熱老化，所采用的有機(jī)材料的耐熱性能不好的話容易發(fā)生黃化現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況下還會(huì)發(fā)生碳化（變黑）和裂紋等異常。

在設(shè)備長(zhǎng)期處于開關(guān)或高低溫循環(huán)狀態(tài)的情況下，芯片與有機(jī)材料的熱膨脹系數(shù)CTE、Coefficient ofThermal Expansion）不一致，因此芯片與有機(jī)材料的粘接部容易發(fā)生剝離異常。黃化和剝離等異常降低了元件的光輸出和可靠性。

為了考察有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的耐熱性能，將甲基硅膠、苯基硅膠和玻璃同時(shí)放入260°C的烤箱中進(jìn)行燒制。在外觀檢查中，苯基硅膠第3天發(fā)現(xiàn)明顯的黃化，第7天沒有發(fā)現(xiàn)明顯的黃化，但發(fā)現(xiàn)裂紋異常，玻璃上沒有明顯的異常。苯基硅膠的黃化是因?yàn)樵诟邷睾脱鯕猸h(huán)境下，分支鏈的苯基被氧化，而甲基硅膠的開裂是由于高溫導(dǎo)致的斷結(jié)合。因?yàn)椴ＡУ闹饕煞质嵌趸?，所以其化學(xué)穩(wěn)定性非常優(yōu)秀。發(fā)現(xiàn)玻璃的耐熱性比有機(jī)硅膠具有非常大的優(yōu)點(diǎn)。

圖1的典型的有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的UV照射前后的透過率

（2）UV led燈珠透過率

芯片出射路徑上的封裝材料在UV頻帶的透過率中直接影響UVled燈珠的光輸出。材料UV帶寬的透過率越高UVled燈珠的光輸出越高。由于材料特性不同，不同的材料在相同UV頻帶的透過率中有很大的差異。如如圖所示，在紫外波段的整個(gè)波長(zhǎng)中，有機(jī)硅膠（甲基硅膠和苯基硅膠）的初始透過率相對(duì)于玻璃不占優(yōu)勢(shì)。

另外，隨著波長(zhǎng)的減小，有機(jī)硅膠和玻璃的初始透過率下降到不同程度，有機(jī)材料的初始透過率比玻璃的降低速度快得多。在300nm處，甲基硅膠的初始透過率小于85%，對(duì)芯片的光輸出有很大影響，所以不適用于低帶寬紫外波段。另外，將有機(jī)硅膠以及玻璃在365 nmUV光中暴露24小時(shí)后，有機(jī)硅膠在UV頻帶的透過率中大幅降低，但玻璃的透過率幾乎沒有變化。紫外波段、玻璃的初始透過率、以及UV的老化后的透過率比有機(jī)硅膠優(yōu)秀。

（3）UVled燈珠可靠性測(cè)試

根據(jù)研究，有機(jī)材料長(zhǎng)時(shí)間UV照射會(huì)產(chǎn)生光解（有氧環(huán)境下的光氧化）1，發(fā)生老化和黃化現(xiàn)象3，嚴(yán)重的情況下會(huì)發(fā)生開裂4，元件的光效率和可靠性大幅下降，最終導(dǎo)致失效，這種現(xiàn)象在深度紫外波段尤其嚴(yán)重。為了評(píng)價(jià)UVled燈珠的可靠性等級(jí)或封裝材料的耐UV性能，通常進(jìn)行一系列的可靠性測(cè)試。

以常溫老化測(cè)試為例，在常溫條件下同時(shí)點(diǎn)亮玻璃封裝和甲基硅膠封裝UV led（芯片帶395nm），對(duì)每個(gè)48H進(jìn)行輻射束檢測(cè)和外觀觀察。

如如圖2所示，玻璃封裝的UVled燈珠的放射線束隨著老化時(shí)間的增加而逐漸減少，528H點(diǎn)亮?xí)r的放射線束約為老化前的93.1%，外觀沒有明顯變化。另一方面，甲基硅膠封裝UV led的輻射束在老化初期開始大幅下降，但在外觀上看不到明顯的異常，主要原因是甲基硅膠透過率的降低以及芯片老化特性（老化初期輻射束值的降低很快）。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，輻射通量的降低速度開始變小，在外觀檢測(cè)中，在硅膠內(nèi)部出現(xiàn)裂縫（主要分布在芯片附近），在硅膠和芯片的粘結(jié)界面出現(xiàn)剝離如圖3（左側(cè)）表示。

甲基硅膠裂紋的出現(xiàn)表明發(fā)生了斷開鍵，剝離異常是由于硅膠和芯片熱膨脹系數(shù)的不匹配。從老化336H左右開始，甲基硅膠封裝UV led的放射線束的降低速度也顯著增大，528H下的放射線束約為老化前的63.4%。此時(shí)，在外觀檢測(cè)中，芯片正上方的硅膠有明顯的裂縫（（如圖三（右）所示），這是輻射通量加速降低的主要原因。如果UVled燈珠的壽命被定義為放射線束降低到初始值的70%的時(shí)間，則硅膠封裝的UVled燈珠的壽命比玻璃封裝的UV led短得多。

圖2的典型有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料封裝的UV led常溫降解輻射通量曲線

圖3的典型有機(jī)材料封裝UV led常溫老化后的外觀（左336H，右528H）

（4）電氣性能

有機(jī)材料，例如有機(jī)硅膠通常是恒定量Na+、K+和Cl？包括等離子體，有機(jī)材料在使用時(shí)或多或少地具有小分子物質(zhì)的釋放。有機(jī)材料涂在芯片表面，如果有機(jī)材料內(nèi)部的離子或釋放的小分子物質(zhì)過多，會(huì)對(duì)芯片的電特性造成一定程度的損害，例如芯片的反向泄漏電流的產(chǎn)生和增加。玻璃上沒有出現(xiàn)這樣的異常。

（5）UVled燈珠氣密性

UVled燈珠裝置的氣密性的高低由封裝材料的透濕透氧率和封裝過程等級(jí)等控制。當(dāng)封裝材料透濕透氧率高時(shí)，設(shè)備的密封性變差，外部環(huán)境中的有害物質(zhì)通過封裝材料容易侵入設(shè)備內(nèi)部，設(shè)備失效。設(shè)備的密封性不好的話，會(huì)發(fā)生芯片腐蝕和鍍銀層硫化發(fā)黑等各種可靠性問題。

有機(jī)封裝材料透氧透濕率高于玻璃，例如，甲基硅膠的氧透過率通常為20000~30LED封裝公司cm3/m2×24H×atm，苯基硅膠一般來(lái)說300~3000cm3/（m2×24H×atm，一般的氣體和水可以滲透到有機(jī)硅膠內(nèi)部。玻璃是致密的無(wú)機(jī)物，分子間的間隙比水小，所以一般的氣體和水都不能透過玻璃。因此，玻璃可以比有機(jī)硅膠更容易地實(shí)現(xiàn)氣密性封裝。

綜上所述，無(wú)機(jī)材料的各性能都優(yōu)于有機(jī)材料。有機(jī)材料在性能和可靠性要求低的情況下，與接近紫外波段UV led芯片很好地一致，但是在高溫高濕等惡劣環(huán)境下或其他要求高的情況下，應(yīng)該使用無(wú)機(jī)材料包裝UVled燈珠。

UVled燈珠集成模塊

如上所述，當(dāng)前市售的UVled燈珠集成模塊主要是COB和DOB這兩種。兩個(gè)模塊的不同主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、包類；二、生產(chǎn)技術(shù)；三、光性能；四、電氣性能；五、熱性能。

（1）包裝項(xiàng)目

在選擇封裝材料時(shí)，COB和DOB的主要區(qū)別是芯片和基板?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上一般使用橫結(jié)構(gòu)芯片COB和垂直結(jié)構(gòu)芯片COB，但是DOB基本上使用垂直結(jié)構(gòu)芯片。UV led用于集成模塊的基板主要有銅基板和氮化鋁AlN陶瓷基板兩種。兩個(gè)基板的差異出現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一、價(jià)格。氮化鋁陶瓷基板比銅基板還貴。

二、結(jié)構(gòu)。銅基板的結(jié)構(gòu)是從上到下的電路層（銅層）、絕緣層BT樹脂和銅層，氮化鋁陶瓷基板一般是電路層和陶瓷層。三、力學(xué)特性。氮化鋁陶瓷脆性，在制造和安裝過程中容易發(fā)生裂紋或破裂，銅基板一般不會(huì)發(fā)生這樣的異常。四、熱性能。銅的導(dǎo)熱系數(shù)比氮化鋁高，但是銅基板內(nèi)包含絕緣層，在某種程度上阻礙芯片的散熱。五、設(shè)計(jì)的多樣性。銅基板的形狀尺寸比陶瓷基板容易變化。根據(jù)包裝種類的選擇，設(shè)備的性能和可靠性等有一定的差別。

（2）UVled燈珠熱特性

一般來(lái)說，UV led器件的散熱路徑主要有三個(gè)：一個(gè)芯片-金線-線路層-杯-環(huán)境；②芯片-外殼橡膠（氣體或空氣）-透鏡（蓋板）-環(huán)境；③芯片腐蝕63？固晶層腐蝕？基板腐蝕？環(huán)境。與此相對(duì)，路徑①和②的散熱能力有限，路徑③是主要的散熱路徑。這在COB和DOB的典型結(jié)構(gòu)和主散熱路徑如圖5中示出。如上所述，橫向結(jié)構(gòu)芯片本身的散熱性能不好。因此，若比較使用垂直結(jié)構(gòu)UV led芯片的COB和DOB的散熱路徑，則DOB在元件上增加薄的鍍層和1層氮化鋁陶瓷2層，在基板和元件之間增加了1層焊料層，但在基板上絕緣層減少了1層導(dǎo)熱系數(shù)表3所示。

在不考慮擴(kuò)散熱阻等因素的理想狀態(tài)下，對(duì)COB和DOB進(jìn)行了熱阻計(jì)算。從表3可以看出，銅基板內(nèi)的絕緣層熱阻太大，所以COB的總熱阻比DOB大得多。另一方面，在DOB中，該焊接相互連接層（包括固晶層或錫膏層等）占總熱阻的比例較大，在相互連接層的焊接質(zhì)量不足的情況下，例如焊接材料不足、空洞多的情況下，對(duì)總熱阻的影響更大。

二、COB的制造過程的難易度比DOB大，如果發(fā)生制造不良，例如崩潰線，則整體COB被丟棄，DOB只有某個(gè)設(shè)備被損失。另外，如果在使用中光源失效，則只能更換COB整個(gè)光源，僅更換DOB已失效的設(shè)備。

（4）UVled燈珠光性能

由于橫結(jié)構(gòu)芯片通常使用藍(lán)寶石作為基板，所以散熱性能比垂直結(jié)構(gòu)芯片差。因此，垂直結(jié)構(gòu)芯片可以通過最大正向電流和光功率密度等，而不是橫向結(jié)構(gòu)芯片。由于使用了橫結(jié)構(gòu)UVled燈珠芯片的COB限制了芯片特性，所以在要求低功率（幾十瓦以下）的情況下經(jīng)常使用橫結(jié)構(gòu)UVled燈珠芯片。

（5）UVled燈珠電性能

現(xiàn)在，UVled燈珠的防靜電保護(hù)基本上以加齊納方式實(shí)現(xiàn)。因此，COB無(wú)法防止每個(gè)芯片的帶電保護(hù)DOB。因此，COB的抗靜電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DOB。另外，DOB模塊通過基板的線路設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)設(shè)備的點(diǎn)亮測(cè)試和漏電流測(cè)試，能夠容易地進(jìn)行失效分析。

（6）UVled燈珠制造工序

主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。一、COB一般屬于定制產(chǎn)品，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化或大規(guī)模生產(chǎn)，DOB是為了將標(biāo)準(zhǔn)化的大規(guī)模化UV led設(shè)備粘貼到基板上。

UVled燈珠從分立元件和集成模塊兩方面進(jìn)行分析討論的結(jié)果表明，無(wú)機(jī)封裝材料在透過率UV頻帶、氣密性、電性、熱性等許多方面比有機(jī)封裝材料優(yōu)越。因此，僅當(dāng)對(duì)諸如功率和壽命之類的請(qǐng)求較低時(shí)，用有機(jī)材料封裝的設(shè)備和模塊才適合，并且基于CMH封裝技術(shù)的全無(wú)機(jī)UVled燈珠設(shè)備和模塊可以適應(yīng)打印行業(yè)的各種情況。