? 2014年10月9日，諾貝爾物理學(xué)獎名單出爐，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(以下簡稱“UV LED” )研究正在被業(yè)界逐漸重視，更被認為是LED繼白光之后又一新大陸，前景可謂十分樂觀。同時據(jù)yole 的行業(yè)發(fā)展報告在未來幾年內(nèi)，UV LED行業(yè)將以年復(fù)合增長率46%的速度發(fā)展，毫無疑問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)達到了初步實用階段。甚至國產(chǎn)深紫外LED在光電參數(shù)上也不落后發(fā)達國家。
但是在封裝方面國內(nèi)企業(yè)因為接觸的比較晚，仍然在以傳統(tǒng)可見光的封裝方式封裝UV LED，這是一個極大的誤區(qū)。所以本文將就UV LED的封裝技術(shù)做一個深入的討論。
一、UV LED封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀
1.國內(nèi) UV LED封裝技術(shù)
在UV LED芯片技術(shù)長足進步的同時，國內(nèi)市場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材料進行封裝，因此會出現(xiàn)以下幾個問題：
(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
特別針對于365nm以下的波段，可見光LED封裝方式無法滿足要求，因為隨著波段變短，輻射能量變強，采用有機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
事實上，主要采用傳統(tǒng)的可見光封裝方式必然存在著有機和無機的兩個界面物質(zhì)。在熱學(xué)效應(yīng)上，無機物質(zhì)比有機物質(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，不同程度上有一個透氧透濕性。因此將產(chǎn)生開關(guān)瞬間，因為水汽蒸發(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.國際上UV LED封裝技術(shù)
為應(yīng)對UV LED封裝要求，國外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UV LED高能的輻射，封裝方式開始考慮減少使用有機類的材料，甚至是完全不采用有機類材料對UV LED進行封裝，進而減少或避免因為有機材料導(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)始終還是采用有機材料對UV LED進行封裝的一類產(chǎn)品，其存在的主要問題是由于紫外線的短波高能量，有機材料在長期服役過程中被紫外光激勵，加速了有機材料的氧化，出現(xiàn)了性能惡化，導(dǎo)致器件輻射強度下降。
由圖1可以看出，雖然封裝方式不盡相同，其中B、C采用了玻璃透鏡進行封裝，但是始終在封裝結(jié)構(gòu)中無法避免采用有機填充材料或者有機粘結(jié)材料。正是這些有機材料使得封裝的壽命、穩(wěn)定性受到影響。并且也無法實現(xiàn)氣密性的封
裝，導(dǎo)致LED信賴性中冷熱循環(huán)實驗中存在巨大風(fēng)險。
雖然通過對有機材料進行改性，在一定程度上可以避免LED金線受損和斷線失效，但有機材料必須在長期高強度紫外輻射條件下工作無法避免，有機材料長期在紫外光、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方式進行封裝，能夠避免使用有機材料進行封裝，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一步開發(fā)。
二、全無機紫外發(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機封裝的全系列UV LED，如圖2所示。該款產(chǎn)品以CMH技術(shù)為平臺( 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相比，延長了組件壽命。借助CMH技術(shù)平臺，還可以對UV LED元器件進行保護氣或者真空封裝。
1.CMH產(chǎn)品光學(xué)性能
通過光學(xué)模擬在不對玻璃透鏡進行減反、增透處理條件下，如表3所示得出其出光效率可達90%以上。在實際測試過程中，發(fā)現(xiàn)CMH技術(shù)封裝在350nm以上波段的出光效率達到了95%左右，如表4所示。
2. CMH產(chǎn)品可靠性
通過對產(chǎn)品熱阻測試，CMH封裝熱阻控制在5.7℃/W以下。實際封裝產(chǎn)品395nm波段，正向電流為700mA、Ts=75℃、RH<50%條件下老化測試1008小時，結(jié)果顯示，1008小時輻射衰減<1.6%?？梢哉fCMH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，但是能實現(xiàn)對UV LED進行無機封裝的方式很少，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)的封裝方式暫時還未見有成熟的方案。借助CMH平臺助力UV LED SMD方式可靠封裝，實現(xiàn)對深紫外UV LED進行穩(wěn)定可靠的封裝，進而提高其使用壽命。同時借助CMH平臺，拓展在下嚴酷環(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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