LED封裝膠耐熱性實(shí)驗(yàn)研究

林遠(yuǎn)彬，秦 快，文 波

(佛山市國(guó)星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000)

引言

LED顯示器件為了滿(mǎn)足高可靠性，防磕碰，一般會(huì)使用環(huán)氧樹(shù)脂作為封裝膠，而環(huán)氧樹(shù)脂在使用過(guò)程中，容易受到光照、氧、熱等因素的影響而發(fā)生老化降解[1]，其分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化而生成某些生色或者發(fā)色基團(tuán)，導(dǎo)致樣品表面發(fā)生顏色的變化。通過(guò)觀(guān)察樣品的色差能夠直觀(guān)地反映出樣品的老化程度，樣品老化同時(shí)會(huì)伴隨著LED器件光電參數(shù)的下降，從而影響LED器件的使用性能及使用壽命[2-4]。

溫度對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂的影響主要表現(xiàn)在溫度的升高導(dǎo)致分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，低溫以及高低溫交變等導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而使環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生降解或交聯(lián)，影響環(huán)氧樹(shù)脂的粘結(jié)性能，壽命縮短[5-8]。

目前顯示屏廠(chǎng)維修LED器件時(shí)一般使用熱風(fēng)槍的方法，其需要一定的高溫和時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間的高溫容易使LED器件出現(xiàn)黃變老化現(xiàn)象。在LED器件后續(xù)使用過(guò)程中，顯示屏存在外觀(guān)和性能等差異。

因此，基于以上理論以及實(shí)際應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)受熱后的LED器件從外觀(guān)顏色、光電參數(shù)、封裝膠推力以及色差四方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，從而評(píng)估LED器件采用不同封裝膠的耐熱性差異，以期提供LED器件的維修參考。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)LED器件(封裝膠：固態(tài)環(huán)氧、液態(tài)環(huán)氧、液態(tài)硅膠)的外觀(guān)顏色、光電參數(shù)及樹(shù)脂推力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，然后將正品LED器件分別放置于180 ℃、350 ℃、400 ℃溫度環(huán)境中，加熱30s(見(jiàn)表1)，最后將加熱后的LED器件進(jìn)行外觀(guān)顏色、光電參數(shù)及樹(shù)脂推力測(cè)試，對(duì)比其形貌及數(shù)值變化，從而評(píng)估出三種封裝膠的耐熱差異性。

表1 不同封裝膠LED器件耐熱性實(shí)驗(yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 色差分析

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)前后的樣品進(jìn)行加熱烘烤，可觀(guān)察到隨著烘烤溫度的升高，LED燈珠表面的封裝膠顏色逐漸黃化，這是因?yàn)榉庋b膠遇高溫加熱會(huì)發(fā)生老化降解，其分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化而生成某些生色或者發(fā)色基團(tuán)，導(dǎo)致樣品表面發(fā)生顏色的變化[9-11]。具體結(jié)果如表2所示。

表2 不同封裝膠LED器件加熱后色差

進(jìn)一步地，為了量化黃化程度，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分光測(cè)色儀對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的LED燈珠進(jìn)行色差測(cè)試，采用的是CIE1976L*a*b*均勻的色空間，其中b*則是代表黃藍(lán)軸，在計(jì)算差值Δb時(shí)，當(dāng)b*的差值為正值時(shí)，則待測(cè)物相比于標(biāo)準(zhǔn)物偏黃色；如果差值為負(fù)值，則待測(cè)物相比于標(biāo)準(zhǔn)物偏藍(lán)色。具體測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同封裝膠LED器件加熱后Δb值

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知：固態(tài)環(huán)氧、液態(tài)環(huán)氧以及液態(tài)硅膠塑封LED器件經(jīng)過(guò)加熱烘烤后，燈珠表面均存在黃化現(xiàn)象，印證了上述圖片信息，也進(jìn)一步證明了LED器件加熱后黃化是正?，F(xiàn)象。同時(shí)分析表3數(shù)據(jù)可以判斷出固態(tài)環(huán)氧與液態(tài)環(huán)氧塑封LED燈珠表面黃化程度相當(dāng)，且均大于液態(tài)硅膠塑封LED器件表面的黃化現(xiàn)象，這是由于LED封裝用有機(jī)硅材料的主要結(jié)構(gòu)是Si—O—Si鍵，其鍵能較大，高達(dá)460 kJ/mol[12-14]，而環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料主要由C—O—C、C—C結(jié)構(gòu)組成，其鍵能較低，僅為326 kJ/mol和332 kJ/mol，在高溫(250 ℃)下非常容易降解，同時(shí)大部分LED環(huán)氧樹(shù)脂還含有更容易氧化變色的苯氧基—C6H4—O，在高溫下被氧化成苯醌或其他有顏色的不飽和小分子，因此硅樹(shù)脂的耐黃變性能優(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂。

2.2 光電參數(shù)分析

利用光電測(cè)試機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行光強(qiáng)、波長(zhǎng)的光電參數(shù)測(cè)試。結(jié)果顯示，隨著加熱烘烤條件的改變，LED器件的光電參數(shù)均存在不同程度的變化，如表4所示。

表4 不同封裝膠LED器件隨加熱條件改變的光參值

進(jìn)一步地，為了直觀(guān)評(píng)估加熱烘烤LED器件對(duì)光電參數(shù)的影響，根據(jù)表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制如圖1所示的光電參數(shù)圖。

由圖1可知，固態(tài)環(huán)氧、液態(tài)環(huán)氧和液態(tài)硅膠塑封LED器件的光電參數(shù)均隨著溫度的升高出現(xiàn)先增大而后逐步降低的現(xiàn)象，這是因?yàn)橛捎诤婵具^(guò)程具有退火效應(yīng)，使芯片內(nèi)的Mg—H絡(luò)合物分解，相當(dāng)于Mg2+濃度增大。即P型雜質(zhì)濃度增大，器件工作時(shí)注入量子阱中的載流子數(shù)增加，輻射復(fù)合機(jī)率增大，增加了光輸出。隨著溫度的升高，芯片中發(fā)生晶格失配等缺陷反應(yīng)，這些缺陷造成非輻射復(fù)合和隧穿通道，從而導(dǎo)致LED器件光衰[15,16]，同時(shí)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致LED器件封裝膠表面黃化，降低了外量子效應(yīng)(external quantum efficiency，EQE)，從而使其光提取效率(光提取效率是指單位時(shí)間內(nèi)有源區(qū)發(fā)出的光子數(shù)與逸出到自由空間光子數(shù)的比例)下降，導(dǎo)致LED器件光電參數(shù)值降低。

2.3 樹(shù)脂推力分析

當(dāng)高分子膠黏劑長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下能夠使膠黏劑中小分子物質(zhì)從膠層中逸出，使膠黏劑呈現(xiàn)出硬化或多孔狀態(tài)，在有氧氣存在的條件下，氧氣滲入膠黏劑內(nèi)部，使膠黏劑發(fā)生嚴(yán)重的熱氧老化而出現(xiàn)降解或交聯(lián)，導(dǎo)致其粘結(jié)性能下降。

因此，為了進(jìn)一步驗(yàn)證溫度對(duì)封裝膠與PCB板粘接力的影響，利用推力測(cè)試機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行樹(shù)脂推力測(cè)試，具體結(jié)果如表5所示。

圖1 不同封裝膠LED器件隨加熱條件改變的光參圖

表5 不同封裝膠LED隨加熱條件改變的樹(shù)脂推力值

整理表5數(shù)據(jù)，繪制如圖2所示的樹(shù)脂推力值變化趨勢(shì)圖?？芍?/p>

圖2 不同封裝膠LED隨加熱條件改變的樹(shù)脂推力圖

1)固態(tài)環(huán)氧與液態(tài)環(huán)氧封裝膠，其推力值隨著LED器件受熱溫度的升高而減小，當(dāng)加熱溫度低于180 ℃時(shí)，溫度的變化對(duì)樹(shù)脂推力值的影響不大，當(dāng)加熱溫度高于180 ℃時(shí)，樹(shù)脂推力值隨著溫度的升高而急劇減小，表明固態(tài)環(huán)氧和液態(tài)環(huán)氧封裝膠的耐熱溫度近似為180 ℃。

2)液態(tài)硅膠封裝膠的推力值隨加熱溫度的變化趨于一條直線(xiàn)，表明液態(tài)硅膠熱穩(wěn)定性更好。

3)液態(tài)硅膠相較于固態(tài)環(huán)氧和液態(tài)環(huán)氧，推力值過(guò)低，防碰撞能力差。因此在終端應(yīng)用上，性能略低于環(huán)氧塑封LED器件。

2.4 維修溫度建議

由上述測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可知，當(dāng)加熱溫度高于350 ℃，LED器件的光電參數(shù)和樹(shù)脂推力開(kāi)始急劇下降，且LED器件表面色差變化較大；當(dāng)溫度處于180 ℃與350 ℃之間時(shí)，參數(shù)值下降較為平緩，且溫度變化對(duì)LED器件表面色差影響不大，考慮到客戶(hù)端貼片時(shí)使用錫膏，而無(wú)鉛錫膏溶錫溫度在240 ℃以上。因此，在使用熱風(fēng)槍維修LED器件時(shí)，需要使LED器件表面色差盡可能保持不變的條件下選定加熱烘烤溫度，讓LED器件順利取下。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三個(gè)加熱溫度及加熱時(shí)間方案，如表6所示。

表6 LED器件加熱溫度實(shí)驗(yàn)方案

觀(guān)察加熱后的LED器件顏色的變化程度，選擇色差變化最小的對(duì)應(yīng)溫度為本次實(shí)驗(yàn)評(píng)估的加熱溫度。圖3為具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同加熱條件LED器件外觀(guān)圖

通過(guò)分光測(cè)試儀測(cè)試圖3燈珠的Δb值，結(jié)果如表7所示。

表7 不同加熱條件LED器件的Δb值

分析圖3及對(duì)應(yīng)的Δb值可知：

1)加熱后的LED器件，對(duì)比加熱前的LED器件表面顏色，存在熔融現(xiàn)象，因此加熱溫度及加熱時(shí)間共同決定了燈珠的耐熱效果。

2)當(dāng)加熱溫度恒定時(shí)，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，Δb值有明顯的變化且隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，黃化程度加大。

3)當(dāng)加熱時(shí)間恒定時(shí)，隨著加熱溫度的升高，Δb值有明顯的變化且隨溫度的升高而增大，黃化現(xiàn)象愈明顯，但當(dāng)溫度超過(guò)300 ℃時(shí)，Δb值變化趨于平緩。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議熱風(fēng)槍溫度保持在300 ℃以下，每次維修的持續(xù)時(shí)間不得超過(guò)10 s，且維修過(guò)程中需對(duì)周?chē)鸁糁檫M(jìn)行保護(hù)，防止燈珠損壞。

3 結(jié)論

綜上所述，利用分光測(cè)色儀、光電測(cè)試機(jī)和推力測(cè)試機(jī)等測(cè)試手段，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同加熱烘烤條件下LED的表面色差、光電參數(shù)及樹(shù)脂推力，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)不同加熱烘烤條件下的LED器件表面形貌，結(jié)合分光測(cè)色儀的測(cè)試結(jié)果可知：固態(tài)環(huán)氧與液態(tài)環(huán)氧的耐熱性相當(dāng)，液態(tài)硅膠的熱穩(wěn)定性較好，但液態(tài)硅膠的樹(shù)脂推力遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹(shù)脂的推力，在實(shí)際終端應(yīng)用上較弱于環(huán)氧樹(shù)脂。

2)通過(guò)分析光電測(cè)試機(jī)的測(cè)試結(jié)果確定了LED器件的光電參數(shù)隨加熱溫度改變而變化的規(guī)律，且在目前行業(yè)的使用溫度范圍內(nèi)，加熱溫度對(duì)LED器件的光電參數(shù)影響不大。

3)通過(guò)控制變量法對(duì)LED器件的加熱溫度和加熱時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了加熱溫度和加熱時(shí)間共同決定了LED器件黃化現(xiàn)象。

4)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議在維修LED器件時(shí)勿使用高溫且維修時(shí)間盡量短，能保證LED器件表面色差盡可能保持不變。