深紫外LED封装关键技术

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        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。

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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。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。

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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。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。

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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。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。


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