引言

白光LED經(jīng)歷了多年的發(fā)展歷程，在效能上，通過(guò)應(yīng)用倒裝芯片(FC)、垂直薄膜芯片(VTFC以及薄膜倒裝芯片(TFFC)，圖形化襯底(PS)以及表面粗化(SR)等技術(shù)得到了明顯的提升；另外，用單異質(zhì)結(jié)取代同質(zhì)結(jié)從而改變半導(dǎo)體的能帶，增加電子和空穴復(fù)合的幾率從而提升器件性能。目前比較主流的封裝方式包括貼片式(SMD)、引腳式、板上芯片式(COB)以及芯片級(jí)封裝(CSP)。

(1)貼片式封裝。貼片式器件的優(yōu)點(diǎn)是出光角度大、可信賴性高、均勻性好，封裝的結(jié)構(gòu)包含金屬支架式LED和PCB片式LED，結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常是將LED芯片通過(guò)點(diǎn)膠、固晶等過(guò)程固定在金屬支架上，并且通過(guò)焊線將芯片電極與焊盤(pán)相連。隨后，將發(fā)光材料混合環(huán)氧樹(shù)脂滴入支架，流勻、烘烤固化。

圖1貼片式封裝示意圖

(2)引腳式封裝。引腳式器件因其有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性和密閉性可以對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到更好的保護(hù)作用。通過(guò)回流焊、焊線將芯片固定在支架上，正負(fù)極分別和兩引腳相連，之后在芯片外的反光杯中填充發(fā)光材料及環(huán)氧樹(shù)脂，并進(jìn)行烘烤固化，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2引腳式封裝示意圖

(3)板上芯片式。多適用于大功率器件封裝，將多顆芯片通過(guò)點(diǎn)膠的方式固定在基板上后，通過(guò)焊線實(shí)現(xiàn)芯片的串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)混合的連接，結(jié)構(gòu)如圖3所示。隨后進(jìn)行圍壩以及灌膠，烘烤固化。這種封裝方式適用于高功率、高電壓、高光密度的器件。

圖3板上芯片式示意圖

(4)芯片級(jí)封裝。芯片級(jí)封裝的尺寸更小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活性好，并且可以實(shí)現(xiàn)更高的出光效率。在芯片四周涂覆二氧化鈦保護(hù)材料，隨后將熒光膜粘附在芯片上。這種方式只有頂面出光，可以保證較好的指向性和一致性。

制備及表征

2.1實(shí)驗(yàn)物料

本文研究的量子點(diǎn)光致發(fā)光器件是使用藍(lán)光激發(fā)量子點(diǎn)，制備過(guò)程中需要經(jīng)歷熱固化的過(guò)程，高溫會(huì)對(duì)量子點(diǎn)會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的影響，使亮度在固化過(guò)程中急劇下降。如果采用量子點(diǎn)與熒光粉的顏色轉(zhuǎn)換方案，在實(shí)際操作中，熒光粉散發(fā)的熱也會(huì)對(duì)量子點(diǎn)產(chǎn)生明顯的影響。

所以，為了提升量子點(diǎn)應(yīng)用于光致發(fā)光器件中的壽命，我們應(yīng)當(dāng)采用合適的封裝方式，并對(duì)相關(guān)原理進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)中采用的實(shí)驗(yàn)材料主要包括LED支架、藍(lán)光芯片、硅膠、量子點(diǎn)粉以及有機(jī)溶劑。

2.2表征方法

因此，除了光譜、亮度等光電參數(shù)外，量子點(diǎn)光致發(fā)光器件還需要對(duì)光通量維持率、色坐標(biāo)漂移量進(jìn)行測(cè)試，以此來(lái)評(píng)價(jià)器件的可信賴性。

(1)光通量維持率光通量的表達(dá)式為：

式中φ表示光通量，以流明(lm)為單位，K為視見(jiàn)功率。QD-LED器件在使用過(guò)程中，光通量會(huì)逐漸減小，當(dāng)光通量衰減為初始值的85%及以下時(shí)，就可以判定器件失效，這一指標(biāo)用光通量維持效率來(lái)度量，表達(dá)式為：

式中η表示光通量維持率，φ0表示初始光通量，φ1表示老化后的光通量。實(shí)驗(yàn)室中為了衡量器件的可信賴性通常會(huì)采用雙85老化測(cè)試，即在溫度85℃濕度為85%的老化箱中對(duì)器件進(jìn)行加速老化。然后根據(jù)阿倫尼斯衰退模型進(jìn)行光通量維持率的測(cè)量和計(jì)算。每隔72h對(duì)器件進(jìn)行一次測(cè)試，用數(shù)據(jù)測(cè)繪器件的老化曲線并得到加速因子。壽命的推算公式為：

式中t為運(yùn)行時(shí)間，φ(t)為時(shí)間t時(shí)的歸一化光通量，B為初始化常數(shù)，α為衰減常數(shù)。L為器件壽命，η為光通量維持率。

(2)色偏移量

圖4CIE及色坐標(biāo)示意圖

色坐標(biāo)是根據(jù)光源的光譜測(cè)試結(jié)果按照色坐標(biāo)的規(guī)定計(jì)算得到的，國(guó)標(biāo)照明委員會(huì)(CIE)圖如圖4所示。器件運(yùn)作一段時(shí)間后器件的色坐標(biāo)會(huì)在CIE圖上發(fā)生偏移，色偏移量是衡量器件老化性能的重要參數(shù)之一，表達(dá)式為：

式中x0、y0為初始的色坐標(biāo)，xt、yt為t小時(shí)候后色坐標(biāo)，dΔx、dΔy為色坐標(biāo)的漂移率。在進(jìn)行老化測(cè)試的過(guò)程中，通過(guò)記錄每次測(cè)試的色坐標(biāo)，可以得到色坐標(biāo)與時(shí)間的相關(guān)曲線。

CSP結(jié)構(gòu)對(duì)器件穩(wěn)定性的影響

3.1實(shí)驗(yàn)

由于量子點(diǎn)的熱穩(wěn)定性以及耐水氧性均不如熒光粉，所以采取點(diǎn)膠形式的封裝均未得到很好的老化結(jié)果。量子點(diǎn)膜用作顯示器中的顏色轉(zhuǎn)換器，比普通的LCD展現(xiàn)出更廣的色域，雙層玻璃的結(jié)構(gòu)可以保護(hù)聚合物基體中量子點(diǎn)，減少環(huán)境中水、氧的影響。通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)膜進(jìn)行不同封裝，研究封裝結(jié)構(gòu)對(duì)雙層玻璃量子點(diǎn)器件可信賴性的影響。

圖5實(shí)驗(yàn)示意圖

將紅綠量子點(diǎn)封裝于1.9×1.9cm的雙層玻璃中，通過(guò)切割機(jī)對(duì)膜片進(jìn)行分割，最終形成2×2mm的方形量子點(diǎn)膜片?；诹孔狱c(diǎn)膜片的大小，實(shí)驗(yàn)主要采用SMD和CSP兩種封裝方式來(lái)比較器件的性能。芯片級(jí)封裝的生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，由于使用倒

裝芯片，因此無(wú)需使用金線、固晶膠等材料。實(shí)驗(yàn)步驟如圖5所示，主要步驟為：用清洗倒裝芯片，清除上面殘余有機(jī)雜質(zhì)，隨后用環(huán)氧樹(shù)脂將方形的量子點(diǎn)膜片粘在芯片上并進(jìn)行固化。因?yàn)樾酒?jí)封裝為五面出光，為保證出光的均勻性，用環(huán)氧樹(shù)脂混以二氧化鈦制備白膠涂在芯片四周，固化形成白墻。將支架焊接在老化板上后，表面整體涂覆含氟聚合物，常溫放置兩個(gè)小時(shí)即可形成致密的保護(hù)膜。

3.2結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)雙85的加速老化后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖可知經(jīng)過(guò)200h的加速老化后，器件的光通量衰減基本趨于平穩(wěn)，且在老化250h后，器件的光衰減率達(dá)到15%，即光通量維持率小于85%，此時(shí)的色坐標(biāo)偏移也已超過(guò)了0.03。光致發(fā)光量子點(diǎn)壽命的主要影響的因素是水、氧和溫度。當(dāng)光致發(fā)光的量子點(diǎn)暴露在空氣中時(shí)，量子點(diǎn)的核表面材料就會(huì)被氧化，使得硒鎘量子點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槲k氧化物，材料的缺陷態(tài)被鈍化，這個(gè)過(guò)程被稱為光氧化。長(zhǎng)期暴露于空氣中會(huì)使得量子點(diǎn)核的體積減小并且出現(xiàn)永久性的光猝滅。重復(fù)高溫加熱及冷卻的過(guò)程會(huì)使得量子點(diǎn)因?yàn)闅ず瞬牧喜煌姆肿討?yīng)力產(chǎn)生永久性的缺陷，也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致量子點(diǎn)的老化。其老化機(jī)制如圖7所示。通過(guò)在芯片外圍涂抹白膠并且涂覆含氟涂料，可以減少空氣中水氧對(duì)量子點(diǎn)的影響。

圖6光功率及色坐標(biāo)

隨時(shí)間變化曲線芯片級(jí)封裝的體積小、厚度薄，量子點(diǎn)膜與芯片之間的距離也更近。使用功率較大的倒裝芯片會(huì)產(chǎn)生大量的熱，通過(guò)對(duì)熱能經(jīng)過(guò)CSP器件的每一層結(jié)構(gòu)的熱能傳導(dǎo)能力進(jìn)行測(cè)試，得到的熱阻簡(jiǎn)化模型如圖7所示。由圖可知，量子點(diǎn)膜與芯片之間的熱阻會(huì)遠(yuǎn)大于芯片到散熱器之間的熱阻總合。對(duì)于大功率芯片來(lái)說(shuō)，各個(gè)材料界面的熱阻累積構(gòu)成器件的總熱阻。器件產(chǎn)生的熱量一部分由焊盤(pán)、基板傳遞到空氣中，一部分傳遞量子點(diǎn)膜上。但是量子點(diǎn)膜的熱阻大，散熱性差，芯片產(chǎn)生的熱會(huì)聚集膜片上。因?yàn)榱孔狱c(diǎn)材料對(duì)熱敏感，長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞進(jìn)而影響發(fā)光性能。

圖7導(dǎo)致光致發(fā)光量子點(diǎn)衰減的老化機(jī)制

雖然在一定溫度范圍內(nèi)，高溫失去活性的量子點(diǎn)等到冷卻后幾乎能夠回到原始狀態(tài)，但是重復(fù)的升降溫會(huì)產(chǎn)生永久性的缺陷。因此當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)不僅會(huì)影響器件的正向電壓等光電參數(shù)，而且會(huì)使得量子點(diǎn)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的缺陷，因此采用芯片級(jí)封裝時(shí)還需要進(jìn)一步改善器件的封裝結(jié)構(gòu)，以減少芯片發(fā)熱對(duì)器件的影響。

圖8熱阻簡(jiǎn)化模型

4、SMD結(jié)構(gòu)對(duì)器件穩(wěn)定性的影響

4.1實(shí)驗(yàn)SMD

封裝的支架采用PLCC材料，置于紅墨與水5：1的水浴130℃持續(xù)加熱4小時(shí)，驗(yàn)證其具有良好的密封性。并且白色碗杯可以反射出射光，對(duì)出光性能有改善作用，可提升LED出光的均勻性。為了避免量子點(diǎn)對(duì)封裝膠的硫化，采用環(huán)氧樹(shù)脂填充規(guī)格為2×1mm的支架，抽出膠內(nèi)空氣，隨后將量子點(diǎn)膜粘在支架上方，放入烤箱進(jìn)行低溫延時(shí)固化。用環(huán)氧樹(shù)脂混以二氧化鈦制備白膠涂抹在量子點(diǎn)膜層邊緣及與支架的縫隙中，再次進(jìn)行固化。用低溫錫膏焊接在老化板上后，同樣進(jìn)行了10mA電流雙85條件下的加速老化，實(shí)驗(yàn)流程如圖9所示。

圖9實(shí)驗(yàn)流程示意圖

4.2結(jié)果與討論

通過(guò)紅墨水實(shí)驗(yàn)證明SMD支架良好的氣密性可以防止水氧從縫隙進(jìn)入，由于SMD使用的LED芯片功率較小，并且支架碗杯具有一定高度，增加了芯片與量子點(diǎn)之間的距離，采用這種封裝結(jié)構(gòu)可以減少芯片產(chǎn)生直接作用于量子點(diǎn)上的熱量。SMD封裝的老化結(jié)果如圖10所示，在開(kāi)始的168小時(shí)內(nèi)，器件的光通量維持率持續(xù)下降到了88.16%，但隨后量子點(diǎn)的光通量維持率又逐漸上升。在老化1000小時(shí)，器件的光通量維持率基本穩(wěn)定在了89.71%，色偏移量Δx=0.024，Δy=0.012。由圖10可以看到，紅綠發(fā)光峰在老化后光通量發(fā)生了變化，維持率大約為74%、79%，相較于量子點(diǎn)直接配膠封裝有了明顯的提升。這是因?yàn)椴捎秒p層玻璃封裝量子點(diǎn)，并用環(huán)氧樹(shù)脂密封膜片縫隙，可以有效阻止外界濕氣，從而提高器件可依賴性。

圖10(a)光通量以及(b)色坐標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線

圖11(a)老化前和(b)老化后器件光譜對(duì)比

5、結(jié)論

本章主要研究了量子點(diǎn)光致發(fā)光器件的老化性能。首先介紹了白光LED常用的封裝方式，研究比較了貼片式、引腳式、板上芯片式以及芯片級(jí)封裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。隨后介紹了研究QD-LED壽命時(shí)主要關(guān)注的光電參數(shù)，封裝器件進(jìn)行85℃、85%濕度環(huán)境下的加速老化1000小時(shí)，測(cè)試光通量并與老化前的數(shù)據(jù)作比較，計(jì)算得到器件光通維持率；通過(guò)對(duì)光譜的測(cè)試得到器件的色偏移量，目前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為光通維持率高于85%、色偏移量小于0.03的QD-LED是符合器件的壽命要求的。針對(duì)QD-LED的發(fā)展現(xiàn)狀，使用雙層玻璃量子點(diǎn)進(jìn)行封裝，采用貼片式以及芯片級(jí)封裝兩種形式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試比較了兩種封裝結(jié)構(gòu)下的器件壽命。芯片級(jí)封裝使用的是倒裝芯片，功率較高發(fā)熱較多，并且由于這種結(jié)構(gòu)直接將量子點(diǎn)膜粘在芯片上，芯片發(fā)出的熱會(huì)使量子點(diǎn)材料產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的缺陷；貼片式封裝的芯片功率低，而且因?yàn)橛型氡Y(jié)構(gòu)，可以有效增加芯片與量子點(diǎn)膜之間的距離。在10mA

低電流的工作條件下，芯片級(jí)封裝結(jié)構(gòu)的器件在雙85條件經(jīng)過(guò)200h的加速老化后，器件的光通量衰減基本趨于平穩(wěn)，且在老化250h后，器件的光衰減率超過(guò)15%，即光通量維持率小于85%；貼片式結(jié)構(gòu)的器件在雙85條件下老化1000小時(shí)的光通量維持率仍然保持在88.16%以上，色偏移量Δx=0.024，Δy=0.012，紅綠發(fā)光峰的維持率大約為74%、79%，較傳統(tǒng)的封裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到大幅度的提升。

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審核編輯 黃宇