一、引言

白光LED經(jīng)歷了多年的發(fā)展歷程，在效能上，通過應用倒裝芯片(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)從而改變半導體的能帶，增加電子和空穴復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)以及芯片級封裝(CSP)。

(1)貼片式封裝。貼片式器件的優(yōu)點是出光角度大、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芯片通過點膠、固晶等過程固定在金屬支架上，并且通過焊線將芯片電極與焊盤相連。隨后，將發(fā)光材料混合環(huán)氧樹脂滴入支架，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的機械強度、絕緣性和密閉性可以對內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到更好的保護作用。通過回流焊、焊線將芯片固定在支架上，正負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)氧樹脂，并進行烘烤固化，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，將多顆芯片通過點膠的方式固定在基板上后，通過焊線實現(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)芯片級封裝。芯片級封裝的尺寸更小、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性好，并且可以實現(xiàn)更高的出光效率。在芯片四周涂覆二氧化鈦保護材料，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。

二、制備及表征

2.1實驗物料

本文研究的量子點光致發(fā)光器件是使用藍光激發(fā)量子點，制備過程中需要經(jīng)歷熱固化的過程，高溫會對量子點會造成不可逆轉(zhuǎn)的影響，使亮度在固化過程中急劇下降。如果采用量子點與熒光粉的顏色轉(zhuǎn)換方案，在實際操作中，熒光粉散發(fā)的熱也會對量子點產(chǎn)生明顯的影響。

所以，為了提升量子點應用于光致發(fā)光器件中的壽命，我們應當采用合適的封裝方式，并對相關(guān)原理進行分析。在實驗中采用的實驗材料主要包括LED支架、藍光芯片、硅膠、量子點粉以及有機溶劑。

2.2表征方法

因此，除了光譜、亮度等光電參數(shù)外，量子點光致發(fā)光器件還需要對光通量維持率、色坐標漂移量進行測試，以此來評價器件的可信賴性。

(1)光通量維持率光通量的表達式為：

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

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。實驗室中為了衡量器件的可信賴性通常會采用雙85老化測試，即在溫度85℃濕度為85%的老化箱中對器件進行加速老化。然后根據(jù)阿倫尼斯衰退模型進行光通量維持率的測量和計算。每隔72h對器件進行一次測試，用數(shù)據(jù)測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 為運行時間，φ(t )為時間 t 時的歸一化光通量，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及色坐標示意圖

色坐標是根據(jù)光源的光譜測試結(jié)果按照色坐標的規(guī)定計算得到的，國標照明委員會(CIE)圖如圖4所示。器件運作一段時間后器件的色坐標會在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，表達式為：

式中 x0、y0為初始的色坐標，x_t、y_t為t小時候后色坐標，dΔx、dΔy為色坐標的漂移率。在進行老化測試的過程中，通過記錄每次測試的色坐標，可以得到色坐標與時間的相關(guān)曲線。

三、CSP結(jié)構(gòu)對器件穩(wěn)定性的影響

3.1實驗

由于量子點的熱穩(wěn)定性以及耐水氧性均不如熒光粉，所以采取點膠形式的封裝均未得到很好的老化結(jié)果。量子點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)可以保護聚合物基體中量子點，減少環(huán)境中水、氧的影響。通過對量子點膜進行不同封裝，研究封裝結(jié)構(gòu)對雙層玻璃量子點器件可信賴性的影響。

圖5實驗示意圖

將紅綠量子點封裝于1.9×1.9cm的雙層玻璃中，通過切割機對膜片進行分割，最終形成2×2mm的方形量子點膜片?；诹孔狱c膜片的大小，實驗主要采用SMD和CSP兩種封裝方式來比較器件的性能。芯片級封裝的生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，由于使用倒

裝芯片，因此無需使用金線、固晶膠等材料。實驗步驟如圖5所示，主要步驟為：用清洗倒裝芯片，清除上面殘余有機雜質(zhì)，隨后用環(huán)氧樹脂將方形的量子點膜片粘在芯片上并進行固化。因為芯片級封裝為五面出光，為保證出光的均勻性，用環(huán)氧樹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，常溫放置兩個小時即可形成致密的保護膜。

3.2結(jié)果與討論

經(jīng)過雙85的加速老化后，實驗結(jié)果如圖6所示。由圖可知經(jīng)過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，器件的光衰減率達到15%，即光通量維持率小于85%，此時的色坐標偏移也已超過了0.03。光致發(fā)光量子點壽命的主要影響的因素是水、氧和溫度。當光致發(fā)光的量子點暴露在空氣中時，量子點的核表面材料就會被氧化，使得硒鎘量子點轉(zhuǎn)變?yōu)槲k氧化物，材料的缺陷態(tài)被鈍化，這個過程被稱為光氧化。長期暴露于空氣中會使得量子點核的體積減小并且出現(xiàn)永久性的光猝滅。重復高溫加熱及冷卻的過程會使得量子點因為殼核材料不同的分子應力產(chǎn)生永久性的缺陷，也會進一步導致量子點的老化。其老化機制如圖7所示。通過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量子點的影響。

圖6光功率及色坐標

隨時間變化曲線芯片級封裝的體積小、厚度薄，量子點膜與芯片之間的距離也更近。使用功率較大的倒裝芯片會產(chǎn)生大量的熱，通過對熱能經(jīng)過CSP器件的每一層結(jié)構(gòu)的熱能傳導能力進行測試，得到的熱阻簡化模型如圖7所示。由圖可知，量子點膜與芯片之間的熱阻會遠大于芯片到散熱器之間的熱阻總合。對于大功率芯片來說，各個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、基板傳遞到空氣中，一部分傳遞量子點膜上。但是量子點膜的熱阻大，散熱性差，芯片產(chǎn)生的熱會聚集膜片上。因為量子點材料對熱敏感，長期處于高溫狀態(tài)下量子點的結(jié)構(gòu)會被破壞進而影響發(fā)光性能。

圖7導致光致發(fā)光量子點衰減的老化機制

雖然在一定溫度范圍內(nèi)，高溫失去活性的量子點等到冷卻后幾乎能夠回到原始狀態(tài)，但是重復的升降溫會產(chǎn)生永久性的缺陷。因此當芯片溫度過高時不僅會影響器件的正向電壓等光電參數(shù)，而且會使得量子點產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的缺陷，因此采用芯片級封裝時還需要進一步改善器件的封裝結(jié)構(gòu)，以減少芯片發(fā)熱對器件的影響。

圖8熱阻簡化模型

四、SMD結(jié)構(gòu)對器件穩(wěn)定性的影響

4.1實驗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，驗證其具有良好的密封性。并且白色碗杯可以反射出射光，對出光性能有改善作用，可提升LED出光的均勻性。為了避免量子點對封裝膠的硫化，采用環(huán)氧樹脂填充規(guī)格為2×1mm的支架，抽出膠內(nèi)空氣，隨后將量子點膜粘在支架上方，放入烤箱進行低溫延時固化。用環(huán)氧樹脂混以二氧化鈦制備白膠涂抹在量子點膜層邊緣及與支架的縫隙中，再次進行固化。用低溫錫膏焊接在老化板上后，同樣進行了10mA電流雙85條件下的加速老化，實驗流程如圖9所示。

圖9實驗流程示意圖

4.2結(jié)果與討論

通過紅墨水實驗證明SMD支架良好的氣密性可以防止水氧從縫隙進入，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上的熱量。SMD封裝的老化結(jié)果如圖10所示，在開始的168小時內(nèi)，器件的光通量維持率持續(xù)下降到了88.16%，但隨后量子點的光通量維持率又逐漸上升。在老化1000小時，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%，相較于量子點直接配膠封裝有了明顯的提升。這是因為采用雙層玻璃封裝量子點，并用環(huán)氧樹脂密封膜片縫隙，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)色坐標隨時間的變化曲線

圖11(a)老化前和(b)老化后器件光譜對比

五、結(jié)論

本章主要研究了量子點光致發(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封裝的結(jié)構(gòu)特點。隨后介紹了研究QD-LED壽命時主要關(guān)注的光電參數(shù)，封裝器件進行85℃、85%濕度環(huán)境下的加速老化1000小時，測試光通量并與老化前的數(shù)據(jù)作比較，計算得到器件光通維持率；通過對光譜的測試得到器件的色偏移量，目前行業(yè)內(nèi)普遍認為光通維持率高于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QD-LED的發(fā)展現(xiàn)狀，使用雙層玻璃量子點進行封裝，采用貼片式以及芯片級封裝兩種形式，通過實驗測試比較了兩種封裝結(jié)構(gòu)下的器件壽命。芯片級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)直接將量子點膜粘在芯片上，芯片發(fā)出的熱會使量子點材料產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的缺陷；貼片式封裝的芯片功率低，而且因為有碗杯結(jié)構(gòu)，可以有效增加芯片與量子點膜之間的距離。在10mA

低電流的工作條件下，芯片級封裝結(jié)構(gòu)的器件在雙85條件經(jīng)過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。

推薦：

光致發(fā)光量子效率測量系統(tǒng)iSpecPQE

專門針對器件的光致發(fā)光特性進行有效測量，可在手套箱內(nèi)完成搭建，無需將樣品取出即可完成光致發(fā)光量子效率的測試?？梢灾С址勰?、薄膜和液體樣品的測量，適用于有機金屬復合物、熒光探針、染料敏化型PV材料，OLED材料、LED熒光粉等領(lǐng)域。