深紫外 LED 的光效主要由外量子效率決定，而外量子效率受內(nèi)量子效率和光提取效率影響。隨著深紫外 LED 內(nèi)量子效率不斷提高( ＞80%)，深紫外 LED 光提取效率成為限制深紫外 LED 光效提高的關(guān)鍵因素，而深紫外 LED 光提取效率受封裝技術(shù)影響較大。深紫外 LED 封裝技術(shù)與目前白光 LED 封裝技術(shù)有所不同。白光 LED 主要采用有機(jī)材料(環(huán)氧樹脂、硅膠等) 進(jìn)行封裝，但由于深紫外光波長(zhǎng)短且能量高，有機(jī)材料在長(zhǎng)時(shí)間深紫外光輻射下會(huì)發(fā)生紫外降解，嚴(yán)重影響深紫外LED 的光效和可靠性。因此，深紫外LED封裝環(huán)節(jié)對(duì)于材料的選擇尤其重要。
LED封裝材料主要包括出光材料、散熱基板材料和焊接鍵合材料。其中，出光材料用于芯片發(fā)光提取、光調(diào)節(jié)、機(jī)械保護(hù)等； 散熱基板用于芯片電互連、散熱與機(jī)械支撐等；焊接鍵合材料用于芯片固晶、透鏡鍵合等。
1.出光材料：LED 出光結(jié)構(gòu)一般采用透明材料實(shí)現(xiàn)光輸出和調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)芯片和線路層起到保護(hù)作用。由于有機(jī)材料耐熱性差和熱導(dǎo)率低，深紫外LED 芯片產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致有機(jī)封裝層溫度升高，長(zhǎng)時(shí)間高溫下有機(jī)材料出現(xiàn)熱降解和熱老化，甚至是不可逆的碳化現(xiàn)象；此外，在高能量紫外光輻射下，有機(jī)封裝層會(huì)出現(xiàn)透過(guò)率下降、微裂紋等不可逆的改變，且隨著深紫外光能量不斷增加，這些問(wèn)題更為嚴(yán)重，使得傳統(tǒng)有機(jī)材料難以滿足深紫外 LED 封裝需求。總體而言，雖然有報(bào)道部分有機(jī)材料能夠耐受紫外光，但是由于有機(jī)材料耐熱性差和非氣密性，使得有機(jī)材料在深紫外 LED 封裝中仍然受限。因此，研究者也在不斷嘗試采用石英玻璃、藍(lán)寶石等無(wú)機(jī)透明材料來(lái)封裝深紫外 LED。
圖 1 不同波段深紫外 LED 中出現(xiàn)的硅膠層裂紋
圖 2 新型石英透鏡及其深紫外 LED 封裝
2.散熱基板材料：目前，LED 散熱基板材料主要有樹脂類、金屬類和陶瓷類。其中樹脂類和金屬類基板均含有有機(jī)樹脂絕緣層，這會(huì)降低散熱基板的熱導(dǎo)率，影響基板散熱性能；而陶瓷類基板主要包括高溫/低溫共燒陶瓷基板( HTCC /LTCC) 、厚膜陶瓷基板( TPC) 、覆銅陶瓷基板( DBC) 以及電鍍陶瓷基板( DPC)。陶瓷基板具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、導(dǎo)熱性高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于功率器件封裝，特別是大功率LED 封裝。由于深紫外 LED 光效較低，輸入的絕大部分電能轉(zhuǎn)換為熱量，為了避免過(guò)多熱量對(duì)芯片造成高溫?fù)p傷，需要將芯片產(chǎn)生的熱量及時(shí)耗散到周圍環(huán)境中，而深紫外 LED 主要依靠散熱基板作為熱傳導(dǎo)路徑，因此高導(dǎo)熱陶瓷基板是深紫外 LED 封裝用散熱基板的很好選擇。
3.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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)芯片固晶，水平和垂直芯片可利用導(dǎo)電銀膠、無(wú)鉛焊膏等完成芯片固晶。相對(duì)于銀膠和無(wú)鉛焊膏，金錫共晶鍵合強(qiáng)度高、界面質(zhì)量好，且鍵合層熱導(dǎo)率高，降低了 LED 熱阻。玻璃蓋板焊接是在完成芯片固晶后進(jìn)行，因此焊接溫度受到芯片固晶層耐受溫度限制，主要包括直接鍵合和焊料鍵合。直接鍵合不需要中間鍵合材料，利用高溫高壓方法直接完成玻璃蓋板與陶瓷基板間焊接，鍵合界面平整、強(qiáng)度高，但對(duì)設(shè)備和工藝控制要求高; 焊料鍵合是采用低溫錫基焊料作為中間層，在加熱加壓條件下，利用焊料層與金屬層間原子相互擴(kuò)散來(lái)完成鍵合，工藝溫度低、操作簡(jiǎn)單。目前常采用焊料鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃蓋板與陶瓷基板間可靠鍵合，但需要同時(shí)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，且鍵合工藝過(guò)程中需要考慮焊料選擇、焊料涂覆、焊料溢出和焊接溫度等問(wèn)題。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)深紫外 LED 封裝材料進(jìn)行了深入研究，從封裝材料技術(shù)角度提高了深紫外 LED 光效和可靠性，有效推動(dòng)了深紫外 LED 技術(shù)發(fā)展。
資料來(lái)源：《深紫外LED封裝技術(shù)現(xiàn)狀與展望》彭洋；陳明祥；羅小兵；發(fā)光學(xué)報(bào)1000-7032( 2021) 04-0542-18
