深紫外LED封裝技術現狀與展望
發布時間：2021-12-16 10:33
來源：螢光創新
華中科技大學彭洋博士、陳明祥教授和羅小兵教授在《發光學報》（EI、核心期刊）發表了題為“深紫外LED封裝技術現狀與展望”的綜述文章。該綜述重點對深紫外LED封裝關鍵技術進行了系統分析，包括封裝材料選擇、封裝結構設計、封裝工藝優化、反射光損耗抑制以及有效熱管理，對后續技術發展進行了展望。
深紫外LED在殺菌消毒、生化檢測、醫療健康、隱秘通訊等領域具有重要應用價值。特別是在殺菌消毒領域，深紫外LED主要利用高能量紫外線照射微生物并破壞核酸結構，從而達到微生物滅活的目的。相對于傳統殺菌消毒技術，深紫外LED具有殺菌效率高、適用性強、無化學污染物、操作簡單等優點，可廣泛應用于空氣、水體和物體表面消殺。隨著新型冠狀病毒（COVID-19）在全球范圍內的傳播，深紫外LED消毒被認為是一種有效消滅新型冠狀病毒的方法，已用于公共場所、交通工具、個人防護等領域，為遏制新冠病毒傳播提供了科技支撐。
圖1 深紫外LED消毒應用：(a)公共電梯；(b)飛機機艙；(c)個人防護。
深紫外LED封裝關鍵技術(1) 封裝材料選擇
出光材料：LED出光結構一般采用透明材料實現光輸出和調節，同時對芯片和線路層起到保護作用。傳統有機材料耐熱性差、熱導率低、存在紫外降解等問題，難以滿足深紫外LED封裝需求。石英玻璃的物化性能穩定，在深紫外波段具有高透過率（＞90%），且機械強度高、耐熱性好、抗紫外線和氣密性高，成為深紫外LED封裝用透鏡材料的有效選擇。
散熱基板材料：陶瓷類基板具有機械強度高、絕緣性好、導熱性高、耐熱性好、熱膨脹系數小等諸多優勢，是深紫外LED封裝用散熱基板的很好選擇。
焊接鍵合材料：深紫外LED焊接材料包括芯片固晶材料和基板焊接材料，分別用于實現芯片、玻璃蓋板（透鏡）與陶瓷基板間焊接。倒裝芯片常采用金錫共晶方式實現芯片固晶，強度高、界面質量好，且鍵合層熱導率高，降低了LED熱阻。玻璃蓋板與陶瓷基板間常采用焊料來實現可靠鍵合，但需要同時在玻璃蓋板和陶瓷基板表面制備金屬層，以滿足金屬焊接需求。
(2) 封裝結構設計
環境中的水蒸氣等有害氣體易對深紫外LED芯片和電路層造成破壞，影響其使用壽命及可靠性。為此，常采用含腔體的封裝結構用于深紫外LED封裝，主要包括TO封裝和采用三維玻璃蓋板或三維陶瓷基板的表面貼裝封裝結構。
(3) 封裝工藝優化
深紫外LED封裝工藝主要包括固晶、打線（或倒裝共晶）和玻璃蓋板焊接（鍵合）。其中，玻璃蓋板鍵合是整個封裝工藝的關鍵環節，由于芯片已貼裝在基板腔體內，有必要采用低溫焊接工藝實現玻璃蓋板與三維陶瓷基板間可靠鍵合。目前主要有低熔點焊料鍵合和低溫鍵合兩種方式。
(4) 反射光損耗抑制
在玻璃上、下表面存在菲涅爾反射損耗，同時在芯片上表面和側面存在菲涅爾反射損耗和全反射損耗。為了提高深紫外LED光效，有必要采用一些方法來抑制反射損耗，包括用于抑制菲涅爾反射的薄膜涂層、納米結構等，用于抑制全反射的半球形透鏡、表面粗化、納米顆粒摻雜封裝層等。
(5) 結溫和熱管理
深紫外LED光效相對較低，為了滿足應用需求，常采用多芯片集成封裝形式來獲得高光功率深紫外LED模組。但在追求高光功率密度的同時，單位面積熱流密度更大，熱量聚集造成深紫外LED結溫升高。為此，可通過封裝結構優化和有效熱管理等方法來降低深紫外LED總熱阻，包括共晶鍵合、氮化鋁陶瓷基板、高導熱固晶材料、被動散熱（散熱翅片等）和主動散熱（風冷、水冷等），從而提高深紫外LED的散熱性能和可靠性。
展 望
目前，深紫外LED技術取得了長足的發展，但是與近紫外和藍光LED相比，深紫外LED仍面臨光效低、可靠性差和成本高等問題，尚難以滿足大規模應用需求。為了進一步提高深紫外LED光效和可靠性，深紫外LED封裝技術仍有許多值得研究的方向，包括但不限于：
(1) 新型封裝材料和封裝結構探索。研發耐紫外光、高紫外透過率和低溫固化的封裝材料，研發高導熱、高強度、低溫鍵合高溫服役的焊接材料，通過封裝結構設計與優化手段開發高光提取和高散熱的深紫外LED封裝結構，從而提高深紫外LED器件光熱性能。
(2) 高集成深紫外LED封裝工藝開發。未來深紫外LED必然向著大規模、多芯片、集成化、低成本等方向發展，有必要開發高集成深紫外LED封裝工藝來滿足深紫外LED發展需求，包括芯片到晶圓（C2W）、晶圓到晶圓（W2W）等板級封裝工藝。
(3) 深紫外LED封裝協同設計強化。目前，深紫外LED技術的各個環節間相互獨立，導致芯片設計、封裝技術和器件應用間相互脫節，使得最終深紫外LED難以滿足應用過程中的光學性能和可靠性需求。
?原文轉載于【中國光學】
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