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深紫外LED封装技术现状与展望

发布日期:2021-06-21 08:55   来源:未知   阅读:

  深紫外发光二极管(deep-ultraviolet light-emitting diode, DUV-LED)具有环保无汞、寿命长、功耗低、响应快、结构轻巧等诸多优势。近年来,深紫外LED技术取得了快速发展,主要体现在光效和可靠性不断提高,这一方面得益于芯片制造过程中氮化物材料外延和掺杂技术的进步,另一方面归功于深紫外LED封装技术的发展。但是与波长较长的近紫外和蓝光LED相比,深紫外LED的光效和可靠性仍有很大提升空间。

  近日,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,同时从提高光效与器件可靠性角度阐述了深紫外LED封装的最新研究进展,并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。近期,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。

  对于深紫外LED而言,从生产设备、材料外延、芯片制造到封装都与近紫外和蓝光LED存在较大差异,且由于成本高、光效与可靠性偏低,远不能满足应用需求。其中用于杀菌消毒的深紫外LED(波长为265~280 nm)外量子效率不足5%,严重影响了深紫外LED的应用效能。随着深紫外LED发光波长逐渐缩短,高质量AlGaN材料外延和有效掺杂面临着技术挑战,同时也对器件封装技术提出了更高要求。

  深紫外LED封装技术与目前白光LED封装技术有所不同。具体而言,白光LED主要采用有机材料(环氧树脂、硅胶等)进行封装,但由于深紫外光波长短且能量高,有机材料在长时间深紫外光辐射下会发生紫外降解,严重影响深紫外LED的光效和可靠性。为此,研究者提出了多种深紫外LED封装技术,主要包括早期TO封装技术、半无机封装技术和全无机封装技术。近年来,国内外研究者对深紫外LED封装技术进行了深入研究,从封装技术角度提高了深紫外LED的光效和可靠性,推动了深紫外LED技术发展。

  图2 深紫外LED封装产品:(a)TO封装;(b)半无机封装;(c)~(d)全无机封装。

  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。近年来,业界尝试采用石英玻璃、蓝宝石等无机透明材料来封装深紫外LED。相较而言,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:LED散热基板材料主要有树脂类、金属类和陶瓷类,其中树脂类和金属类基板均含有有机树脂绝缘层,这会降低散热基板的热导率,影响基板散热性能;而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。

  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。其中,备受业界关注的是三维陶瓷基板封装结构:将芯片贴装在三维陶瓷基板腔体(围坝)内的金属焊盘上,同时利用石英玻璃作为封装盖板,再将玻璃盖板与三维陶瓷基板键合(焊接),其关键在于三维陶瓷基板制备、玻璃盖板与陶瓷基板间的高强度键合。

  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。为了提高封装效率,本课题组开发了深紫外LED板级封装技术,首先将多颗芯片分别贴装(固晶)在三维陶瓷基板各个围坝内,再利用板级焊接完成玻璃盖板与陶瓷基板间焊料键合,最后通过切割获得多颗深紫外LED。

  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。

  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。但是,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。

  评价深紫外LED性能好坏的主要指标有光效和可靠性,分别用于衡量深紫外LED光电转换效率和使用寿命。在提高光效方面,近年来研究者主要围绕半球形氟树脂透镜、表面粗化、纳米颗粒掺杂封装层等方面展开;在提高可靠性方面,研究者主要通过封装结构优化和有效热管理来强化深紫外LED散热性能,包括减少键合层空洞率和热阻、采用高导热氮化铝陶瓷基板、微流道水冷、热电制冷等方法。

  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。因此,有必要对深紫外LED芯片、封装和应用进行协同设计,在芯片设计、封装技术和器件应用这三个阶段间相互联系和反馈,并利用仿真模拟、可靠性测试等手段对封装性能进行优化分析,从而开发针对不同应用领域的深紫外LED器件。

  彭洋,博士,讲师,硕士研究生导师,2017年于华中科技大学获得博士学位,主要从事微纳制造与电子封装的研究。以第一或通讯作者身份发表SCI论文40余篇,含ESI高被引论文2篇、封面论文2篇以及综述2篇,谷歌学术引用700余次,H指数15;担任多个学术期刊和国际会议审稿人,并多次受邀参加国内外学术会议;申请国家发明专利10余项,其中授权6项;主持国家自然科学基金、博士后科学基金一等资助、中央高校自主创新基金项目等,参与国家重点研发计划、装备预研基金重点项目等。

  陈明祥,博士,教授,博士研究生导师,广东省珠江学者讲座教授,2006年于华中科技大学获得博士学位,主要从事电子封装材料、技术与应用的研究。主持科研项目包括:国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技部“863计划”与支撑计划、装备预研基金重点项目、广东省产学研合作重点项目、湖北省科技创新重点项目、武汉市科技成果转化重大项目等。先后培养博士/硕士研究生30余名,发表学术论文80余篇(其中SCI检索50篇),申请和授权发明专利20余项(其中多项通过专利许可或转让实现了产业化)。荣获国家技术发明二等奖、湖北省优秀硕士/学士学位论文(指导老师)、武汉东湖高新区“3551光谷人才计划”入选者等。

  罗小兵,香港最快开奖结果查询博士,教授,博士研究生导师,2002年于清华大学获得博士学位,国家杰出青年基金获得者,IEEE Fellow,国家万人计划科技创新领军人才。主要从事光电器件封装(LED及量子点)、极端热管理设计及器件、微泵等研究。先后获得国家教学成果奖二等奖、 IEEE封装协会杰出技术成就奖、国家技术发明二等奖、湖北省自然科学一等奖、教育部技术发明一等奖等。以第一作者或通讯作者发表SCI检索论文147篇,他引2 088次。以第一发明人授权中国发明专利45项,美国专利4项。出版英文专著和章节4部,出版中文专著1部,境外国际会议特邀报告12次。担任IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology,ASME Journal of Electronic Packaging杂志Associate Editor,2019年美国阿纳海姆ASME InterPACK会议Vice General Chair,2018年美国旧金山ASME InterPACK会议Vice General Chair。研制成功国际领先的微型水力悬浮泵和超薄微泵并实现销售。

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