一文揭秘UVC LED封装材料/工艺/技术难点和趋势
2020/7/7 15:47:14 材料来源：LEDinside
随着传统LED产业步入成熟饱和期，厂商先后调整发展战略，转而拓展汽车照明、植物照明、UV LED、IR LED等细分市场以及小间距、Mini/Micro LED等新型显示领域。其中，在UV LED领域，虽然不少厂商早有布局，但过去UV LED产品市场接受度不高，因此，UV LED产业一直处于起步发展阶段，尤其是技术难度和价格相对更高的UVC LED。
然而，自新型冠状病毒肺炎疫情在全球传播以来，消费者杀菌消毒意识迅速提高，防疫商机带动了UVC LED系列产品的需求激增，推动全球多方力量投入研发UVC LED技术，也催生了各种各样的产品，然而，这些产品是否都符合相关要求？
事实上，在选用可靠的UVC LED产品上需要考量诸多因素，比如：针对不同病毒和细菌，需要不同的剂量和照射时间，才能实现消毒杀菌效果。而从产品生产环节来看，从外延芯片到封装再到成品等各个环节都有很多考量因素。本次，LEDinside针对UVC LED封装环节，揭秘此环节所需材料、工艺、技术难题和发展趋势，以更好地了解UVC LED封装产品。
UVC LED封装形式、工艺、材料选用特殊性
目前，UVC LED封装有三种形式：有机封装，半无机封装（也称“近无机封装”）以及全无机封装。
有机封装采用硅胶、硅树脂或者环氧树脂等有机材料，主要包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等产品，整体技术比较成熟，但抗紫外性能还需要进一步提高。
半无机封装（也称“近无机封装”）采用有机硅材料搭配玻璃等无机材料。全无机封装则全程避开使用有机材料，通过激光焊、波峰焊、电阻焊等方式来实现透镜和基板的结合，完全减少有机材料带来的光衰问题以及湿热应力导致的失效问题，能准确有效提高UVC LED器件的稳定性和可靠性。
据了解，国星光电、奥创深紫、鸿利秉一，及华引芯等国内厂商均开发了全无机封装UVC LED产品。
目前半无机封装产品仍是国内市场主流，主要由带杯陶瓷支架和石英玻璃构成，通过在带杯陶瓷基板边缘区域涂覆抗紫外胶水来实现透镜的放置。具体来讲，即在杯顶或台阶处进行点胶，再盖上石英玻璃进行固化粘结。
在材料的选用上，UVC LED封装与一般LED有所不同。首先，选用石英玻璃是由于石英属于无机物，不会受紫外线的影响，且石英玻璃对于UVC波段的透过率高。其次，在散热基板方面，由于UVC LED光电转换效率低，大部分转换成热量，所以一般采用导热率高的氮化铝散热基板。此外，UVC对胶水具有坏作用，因此，粘结玻璃和支架的胶水在耐紫外性能上的要求亦比一般LED封装高。
另值得注意的是，有部分厂商采用氧化铝散热基板。氮化铝和氧化铝基板都属于陶瓷基板，两者主要区别在于：氮化铝的导热率比氧化铝高很多。其中，氮化铝导热率一般约为140W/mK-170W/mK，而氧化铝导热率仅30W/mK左右。
氧化铝陶瓷一般呈现白色，导热率低，通常用于低功率产品。然而，氧化铝陶瓷脆性较大，相较于氮化铝更容易碎裂，因此在划片切割过程中容易出现崩角现象。氮化铝陶瓷一般呈现灰黑色，具有高导热率，通常用于大功率产品。另外，市面上也存在掺杂碳粉的氧化铝陶瓷，同样呈现灰黑色，但导热率更低。
热管理与气密性影响UVC LED封装产品的品质
UVC LED封装产品的品质受热管理和气密性的影响，这两方面也是封装环节的技术难点。其中，热管理直接影响UVC LED封装产品的寿命，而气密性则很大程度决定其可靠性。
UVC LED对热敏感，其外量子效率（EQE）较低，仅小部分电能转换成光，而大部分电能都转换成热量，直接影响芯片的使用寿命。鉴于此，现阶段，很多产品以倒装芯片搭配高导热氮化铝基板的方案为主。氮化铝具有优异的导热性，能耐紫外线光源本身的老化，可满足UVC LED高热管理的需求。
除了材料，封装工艺也是热管理的影响因素。封装工艺主要体现在固晶技术上，包括银浆焊接、锡膏焊接和金锡共晶焊三种方式。
银浆焊接虽然结合力不错，但容易造成银迁移，导致器件失效。至于锡膏焊接，由于锡膏熔点仅220度左右，因此在器件贴片后，再次过炉会出现再融现象，芯片容易脱落失效，影响UVC LED可靠性。
金锡共晶焊主要通过助焊剂进行共晶焊接，能有效提升芯片与基板的结合强度和导热率，相比之下可靠性更高，有利于UVC LED的品质管控。因此，市面上多采用金锡共晶焊方式。
在焊接工艺中，主要涉及焊接空洞率问题。焊接空洞指LED芯片与基板焊接过程中形成的缺陷，在外形上呈现为空洞的状态，是影响散热的重要指标，焊接空洞率越低，散热效果越好，产品寿命越长，品质越好。
据了解，华引芯的无机封装技术采用惰性气体及还原气体混合�；せ肪诚露孕酒腥妊构簿Ш附�，进一步增加电连接效率，同时降低空洞率，稳定LED结温。
国星光电在共晶焊工艺技术方面的优势和特色非常突出，该公司具备10年的共晶技术沉淀，回流共晶空洞率基本控制在10%以内，大大低于市面上同类产品。据介绍，在降低焊接空洞率方面，该公司已形成了一套较为领先和完善的工艺技术。目前，其UVC LED产品总体空洞面积在10%以下，单颗最大空洞面积在2%以下，与市面同类产品空洞率15％-30%相比，散热效果极佳、产品寿命较长、产品品控更优。
在可靠性方面，封装形式是影响因素之一，但关键在于气密性。在半无机封装形式中，玻璃透镜和带杯陶瓷基板通过胶水连接会形成一个封闭腔。由于无法对封闭腔抽真空，当胶水热固化，腔体里面的空气容易受热膨胀外溢，形成气泡，严重情况下形成气通道。此时，外部水汽以及杂质可以通过气泡和气通道进入产品内部，对芯片和基板等材料造成污染，严重影响产品的气密性，从而影响出光及可靠性。
可见，气密性对于UVC LED封装品质的影响很大，工艺处理技术十分关键。值得一提的是，通过优化基板表面处理和持续的封装固化工艺研究，国星光电也已形成了一套完善的封装工艺方案，能够有效降低封闭腔空气，实现了UVC LED器件零气泡和零气通道。
UVC封装格局形态：半无机封装为主，全无机封装为辅
除了热管理和气密性，抗紫外能力也是UVC LED封装的技术难点之一。为提高产品的抗紫外性能，不少厂商加紧开发全无机封装产品。
例如，国星光电针对特殊产品开发出了高性价比的全无机UVC器件，成本优势明显。同时，该公司也正在与材料厂家共同开发抗UVC的氟树脂封装材料产品，产品具有耐高温、耐更大电流和抗UV辐射等特点。
晶能光电的UVC LED产品主打大功率陶瓷封装，采用陶瓷材料封装，产品散热性能佳。
鸿利智汇亦持续开展关于无机封装技术的研究，旨在开发设计高光功率、高可靠性、长寿命、高性价比的UVC LED产品。
在UVC LED封装未来发展趋势方面，国星光电认为，未来一两年内国内市场仍将以半无机封装为主，全无机封装为辅的格局形态，但随着有机材料抗紫外性能的提高和革新，氟树脂等有机封装将有可能重新占据一部分市场份额。
今年以来，UVC LED不同技术领域都实现了一定的突破，传递着产业正在蓬勃发展的信号。虽然，由于高成本和低光效等问题，目前UVC LED产品无法完全替换医疗用杀菌紫外汞灯。但国星光电认为，随着技术的进步，相信UVC LED很快就会慢慢进入这个市场。而且，由于体积小，设计简单，UVC LED目前在移动消杀和小空间杀菌领域相比汞灯，具有一定的优势。据LEDinside了解，从目前市场应用来看，UVC LED已经开始应用于表面杀菌 (携带性杀菌产品、杀菌灯、母婴产品)、水杀菌和空气净化等场所。
| 上一篇：苹果引燃Mini LED风潮 | 下一篇：MiniLED背光、RGB自发光... |
粤公网安备 44030402004706号