? 2014年10月9日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)名單出爐，授予赤崎勇、天野浩與中村修二。其中天野浩、中村修二目前從事的紫外發(fā)光二極管(以下簡(jiǎn)稱“UV LED” )研究正在被業(yè)界逐漸重視，更被認(rèn)為是LED繼白光之后又一新大陸，前景可謂十分樂觀。同時(shí)據(jù)yole 的行業(yè)發(fā)展報(bào)告在未來幾年內(nèi)，UV LED行業(yè)將以年復(fù)合增長(zhǎng)率46%的速度發(fā)展，毫無(wú)疑問UV LED將是LED行業(yè)的下一次革命。
從2003年日本企業(yè)推出第一款UV LED開始，UV LED外延以及芯片技術(shù)逐漸得到提升，光電轉(zhuǎn)換效率接近40%～50%(385nm、395nm)，而且波段逐漸往短波方向發(fā)展。如280nm、250nm、210nm的UVLED芯片紛紛出現(xiàn)，并且光輸出功率已經(jīng)達(dá)到了初步實(shí)用階段。甚至國(guó)產(chǎn)深紫外LED在光電參數(shù)上也不落后發(fā)達(dá)國(guó)家。
但是在封裝方面國(guó)內(nèi)企業(yè)因?yàn)榻佑|的比較晚，仍然在以傳統(tǒng)可見光的封裝方式封裝UV LED，這是一個(gè)極大的誤區(qū)。所以本文將就UV LED的封裝技術(shù)做一個(gè)深入的討論。
一、UV LED封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀
1.國(guó)內(nèi) UV LED封裝技術(shù)
在UV LED芯片技術(shù)長(zhǎng)足進(jìn)步的同時(shí)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上存在的封裝方式主要沿用白光LED的封裝方式，表1給出了主要的封裝方式。
雖然沿用白光LED封裝方式能夠滿足可靠性要求低的(比如說驗(yàn)鈔、美甲等)需求。但是白光LED封裝目前幾乎所有的封裝方式都不同程度的采用了樹脂一類的有機(jī)材料進(jìn)行封裝，因此會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)問題：
(1) 紫外光輻射導(dǎo)致膠體黃化，降低發(fā)光二極管使用壽命
特別針對(duì)于365nm以下的波段，可見光LED封裝方式無(wú)法滿足要求，因?yàn)殡S著波段變短，輻射能量變強(qiáng)，采用有機(jī)類的樹脂材料耐紫外性能急劇下降，影響UV LED的壽命和穩(wěn)定性。
(2)熱應(yīng)力導(dǎo)致失效
事實(shí)上，主要采用傳統(tǒng)的可見光封裝方式必然存在著有機(jī)和無(wú)機(jī)的兩個(gè)界面物質(zhì)。在熱學(xué)效應(yīng)上，無(wú)機(jī)物質(zhì)比有機(jī)物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)要小很多。因此必然導(dǎo)致熱應(yīng)力拉扯的問題。從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效。
(3)濕應(yīng)力及雜質(zhì)侵入導(dǎo)致失效
硅膠也好、硅樹脂也好，不同程度上有一個(gè)透氧透濕性。因此將產(chǎn)生開關(guān)瞬間，因?yàn)樗舭l(fā)而產(chǎn)生作用力，導(dǎo)致失效。另外由于透氧透濕性的存在不可避免其他雜質(zhì)的侵入產(chǎn)生失效。
2.國(guó)際上UV LED封裝技術(shù)
為應(yīng)對(duì)UV LED封裝要求，國(guó)外UV LED制造商紛紛推出采用玻璃封裝的UV LED，表2給出了采用玻璃封裝的主要方式。可以看出為了應(yīng)對(duì)UV LED高能的輻射，封裝方式開始考慮減少使用有機(jī)類的材料，甚至是完全不采用有機(jī)類材料對(duì)UV LED進(jìn)行封裝，進(jìn)而減少或避免因?yàn)橛袡C(jī)材料導(dǎo)致的衰減問題，濕熱應(yīng)力導(dǎo)致失效的問題。
雖然在封裝上做了如上的一些變化，除了日亞化外(6868系列)始終還是采用有機(jī)材料對(duì)UV LED進(jìn)行封裝的一類產(chǎn)品，其存在的主要問題是由于紫外線的短波高能量，有機(jī)材料在長(zhǎng)期服役過程中被紫外光激勵(lì)，加速了有機(jī)材料的氧化，出現(xiàn)了性能惡化，導(dǎo)致器件輻射強(qiáng)度下降。
由圖1可以看出，雖然封裝方式不盡相同，其中B、C采用了玻璃透鏡進(jìn)行封裝，但是始終在封裝結(jié)構(gòu)中無(wú)法避免采用有機(jī)填充材料或者有機(jī)粘結(jié)材料。正是這些有機(jī)材料使得封裝的壽命、穩(wěn)定性受到影響。并且也無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣密性的封
裝，導(dǎo)致LED信賴性中冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)中存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。
雖然通過對(duì)有機(jī)材料進(jìn)行改性，在一定程度上可以避免LED金線受損和斷線失效，但有機(jī)材料必須在長(zhǎng)期高強(qiáng)度紫外輻射條件下工作無(wú)法避免，有機(jī)材料長(zhǎng)期在紫外光、熱、濕、氧條件下服役，信賴性就很難保證。采用類似激光器的TO方式進(jìn)行封裝，能夠避免使用有機(jī)材料進(jìn)行封裝，其工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)也相當(dāng)突出，并且能夠?qū)VC LED進(jìn)行封裝。但在能夠適應(yīng)SMT(Surface Mount Technology) 工藝的SMD(Surface Mounted Devices)方式的高可靠性的封裝方式有待進(jìn)一步開發(fā)。
二、全無(wú)機(jī)紫外發(fā)光二極管封裝技術(shù)
為了擺脫UV LED封裝技術(shù)上的困境，并避免技術(shù)侵權(quán)，筆者所在公司推出全無(wú)機(jī)封裝的全系列UV LED，如圖2所示。該款產(chǎn)品以CMH技術(shù)為平臺(tái)( C=ceramic、M=metal、H=hard glass/quartz)，其封裝波段可以覆蓋從200nm～400nm，適合大小功率的UV LED封裝。避免采用有機(jī)材料，因此由紫外線導(dǎo)致的性能劣化小，與使用樹脂材料封裝時(shí)相比，延長(zhǎng)了組件壽命。借助CMH技術(shù)平臺(tái)，還可以對(duì)UV LED元器件進(jìn)行保護(hù)氣或者真空封裝。
1.CMH產(chǎn)品光學(xué)性能
通過光學(xué)模擬在不對(duì)玻璃透鏡進(jìn)行減反、增透處理?xiàng)l件下，如表3所示得出其出光效率可達(dá)90%以上。在實(shí)際測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)CMH技術(shù)封裝在350nm以上波段的出光效率達(dá)到了95%左右，如表4所示。
2. CMH產(chǎn)品可靠性
通過對(duì)產(chǎn)品熱阻測(cè)試，CMH封裝熱阻控制在5.7℃/W以下。實(shí)際封裝產(chǎn)品395nm波段，正向電流為700mA、Ts=75℃、RH<50%條件下老化測(cè)試1008小時(shí)，結(jié)果顯示，1008小時(shí)輻射衰減<1.6%。可以說CMH技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的可靠性。
三、結(jié)論
盡管封裝方式形形色色，琳瑯滿目，但是能實(shí)現(xiàn)對(duì)UV LED進(jìn)行無(wú)機(jī)封裝的方式很少，封裝技術(shù)稍顯落后，因此尋求一種穩(wěn)定可靠的封裝方式變得非常迫切。尤其是針對(duì)深紫外部分封裝，目前較為可靠的方式是TO系列封裝，而在SMD(Surface Mounted Devices)的封裝方式暫時(shí)還未見有成熟的方案。借助CMH平臺(tái)助力UV LED SMD方式可靠封裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)深紫外UV LED進(jìn)行穩(wěn)定可靠的封裝，進(jìn)而提高其使用壽命。同時(shí)借助CMH平臺(tái)，拓展在下嚴(yán)酷環(huán)境下(如高溫，高濕，水下等)UV LED的應(yīng)用。
——本文節(jié)選自第2期《半導(dǎo)體照明》雜志)
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