深紫外LED封装技术现状与展望
发布时间：2021-12-16 10:33
来源：萤光创新
华中科技大学彭洋博士、陈明祥教授和罗小兵教授在《发光学报》（EI、核心期刊）发表了题为“深紫外LED封装技术现状与展望”的综述文章。该综述重点对深紫外LED封装关键技术进行了系统分析，包括封装材料选择、封装结构设计、封装工艺优化、反射光损耗抑制以及有效热管理，对后续技术发展进行了展望。
深紫外LED在杀菌消毒、生化检测、医疗健康、隐秘通讯等领域具有重要应用价值。特别是在杀菌消毒领域，深紫外LED主要利用高能量紫外线照射微生物并破坏核酸结构，从而达到微生物灭活的目的。相对于传统杀菌消毒技术，深紫外LED具有杀菌效率高、适用性强、无化学污染物、操作简单等优点，可广泛应用于空气、水体和物体表面消杀。随着新型冠状病毒（COVID-19）在全球范围内的传播，深紫外LED消毒被认为是一种有效消灭新型冠状病毒的方法，已用于公共场所、交通工具、个人防护等领域，为遏制新冠病毒传播提供了科技支撑。
图1 深紫外LED消毒应用：(a)公共电梯；(b)飞机机舱；(c)个人防护。
深紫外LED封装关键技术(1) 封装材料选择
出光材料：LED出光结构一般采用透明材料实现光输出和调节，同时对芯片和线路层起到保护作用。传统有机材料耐热性差、热导率低、存在紫外降解等问题，难以满足深紫外LED封装需求。石英玻璃的物化性能稳定，在深紫外波段具有高透过率（＞90%），且机械强度高、耐热性好、抗紫外线和气密性高，成为深紫外LED封装用透镜材料的有效选择。
散热基板材料：陶瓷类基板具有机械强度高、绝缘性好、导热性高、耐热性好、热膨胀系数小等诸多优势，是深紫外LED封装用散热基板的很好选择。
焊接键合材料：深紫外LED焊接材料包括芯片固晶材料和基板焊接材料，分别用于实现芯片、玻璃盖板（透镜）与陶瓷基板间焊接。倒装芯片常采用金锡共晶方式实现芯片固晶，强度高、界面质量好，且键合层热导率高，降低了LED热阻。玻璃盖板与陶瓷基板间常采用焊料来实现可靠键合，但需要同时在玻璃盖板和陶瓷基板表面制备金属层，以满足金属焊接需求。
(2) 封装结构设计
环境中的水蒸气等有害气体易对深紫外LED芯片和电路层造成破坏，影响其使用寿命及可靠性。为此，常采用含腔体的封装结构用于深紫外LED封装，主要包括TO封装和采用三维玻璃盖板或三维陶瓷基板的表面贴装封装结构。
(3) 封装工艺优化
深紫外LED封装工艺主要包括固晶、打线（或倒装共晶）和玻璃盖板焊接（键合）。其中，玻璃盖板键合是整个封装工艺的关键环节，由于芯片已贴装在基板腔体内，有必要采用低温焊接工艺实现玻璃盖板与三维陶瓷基板间可靠键合。目前主要有低熔点焊料键合和低温键合两种方式。
(4) 反射光损耗抑制
在玻璃上、下表面存在菲涅尔反射损耗，同时在芯片上表面和侧面存在菲涅尔反射损耗和全反射损耗。为了提高深紫外LED光效，有必要采用一些方法来抑制反射损耗，包括用于抑制菲涅尔反射的薄膜涂层、纳米结构等，用于抑制全反射的半球形透镜、表面粗化、纳米颗粒掺杂封装层等。
(5) 结温和热管理
深紫外LED光效相对较低，为了满足应用需求，常采用多芯片集成封装形式来获得高光功率深紫外LED模组。但在追求高光功率密度的同时，单位面积热流密度更大，热量聚集造成深紫外LED结温升高。为此，可通过封装结构优化和有效热管理等方法来降低深紫外LED总热阻，包括共晶键合、氮化铝陶瓷基板、高导热固晶材料、被动散热（散热翅片等）和主动散热（风冷、水冷等），从而提高深紫外LED的散热性能和可靠性。
展 望
目前，深紫外LED技术取得了长足的发展，但是与近紫外和蓝光LED相比，深紫外LED仍面临光效低、可靠性差和成本高等问题，尚难以满足大规模应用需求。为了进一步提高深紫外LED光效和可靠性，深紫外LED封装技术仍有许多值得研究的方向，包括但不限于：
(1) 新型封装材料和封装结构探索。研发耐紫外光、高紫外透过率和低温固化的封装材料，研发高导热、高强度、低温键合高温服役的焊接材料，通过封装结构设计与优化手段开发高光提取和高散热的深紫外LED封装结构，从而提高深紫外LED器件光热性能。
(2) 高集成深紫外LED封装工艺开发。未来深紫外LED必然向着大规模、多芯片、集成化、低成本等方向发展，有必要开发高集成深紫外LED封装工艺来满足深紫外LED发展需求，包括芯片到晶圆（C2W）、晶圆到晶圆（W2W）等板级封装工艺。
(3) 深紫外LED封装协同设计强化。目前，深紫外LED技术的各个环节间相互独立，导致芯片设计、封装技术和器件应用间相互脱节，使得最终深紫外LED难以满足应用过程中的光学性能和可靠性需求。
原文转载于【中国光学】
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