深度解讀深紫外LED封裝技術(shù)現(xiàn)狀與展望

深紫外發(fā)光二極管（deep-ultraviolet light-emitting diode， DUV-LED）具有環(huán)保無(wú)汞、壽命長(zhǎng)、功耗低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)輕巧等諸多優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，深紫外LED技術(shù)取得了快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在光效和可靠性不斷提高，這一方面得益于芯片制造過(guò)程中氮化物材料外延和摻雜技術(shù)的進(jìn)步，另一方面歸功于深紫外LED封裝技術(shù)的發(fā)展。但是與波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紫外和藍(lán)光LED相比，深紫外LED的光效和可靠性仍有很大提升空間。

近日，華中科技大學(xué)彭洋博士、陳明祥教授和羅小兵教授在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、核心期刊）發(fā)表了題為“深紫外LED封裝技術(shù)現(xiàn)狀與展望”的綜述文章。該綜述重點(diǎn)對(duì)深紫外LED封裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，包括封裝材料選擇、封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝工藝優(yōu)化、反射光損耗抑制以及有效熱管理，同時(shí)從提高光效與器件可靠性角度闡述了深紫外LED封裝的最新研究進(jìn)展，并對(duì)后續(xù)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 引言

深紫外LED在殺菌消毒、生化檢測(cè)、醫(yī)療健康、隱秘通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。特別是在殺菌消毒領(lǐng)域，深紫外LED主要利用高能量紫外線照射微生物并破壞核酸結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到微生物滅活的目的。

相對(duì)于傳統(tǒng)殺菌消毒技術(shù)，深紫外LED具有殺菌效率高、適用性強(qiáng)、無(wú)化學(xué)污染物、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于空氣、水體和物體表面消殺。近期，隨著新型冠狀病毒（COVID-19）在全球范圍內(nèi)的傳播，深紫外LED消毒被認(rèn)為是一種有效消滅新型冠狀病毒的方法，已用于公共場(chǎng)所、交通工具、個(gè)人防護(hù)等領(lǐng)域，為遏制新冠病毒傳播提供了科技支撐。

圖1 深紫外LED消毒應(yīng)用：（a）公共電梯；（b）飛機(jī)機(jī)艙；（c）個(gè)人防護(hù)。

對(duì)于深紫外LED而言，從生產(chǎn)設(shè)備、材料外延、芯片制造到封裝都與近紫外和藍(lán)光LED存在較大差異，且由于成本高、光效與可靠性偏低，遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求。其中用于殺菌消毒的深紫外LED（波長(zhǎng)為265～280 nm）外量子效率不足5%，嚴(yán)重影響了深紫外LED的應(yīng)用效能。隨著深紫外LED發(fā)光波長(zhǎng)逐漸縮短，高質(zhì)量AlGaN材料外延和有效摻雜面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)器件封裝技術(shù)提出了更高要求。

深紫外LED封裝技術(shù)與目前白光LED封裝技術(shù)有所不同。具體而言，白光LED主要采用有機(jī)材料（環(huán)氧樹(shù)脂、硅膠等）進(jìn)行封裝，但由于深紫外光波長(zhǎng)短且能量高，有機(jī)材料在長(zhǎng)時(shí)間深紫外光輻射下會(huì)發(fā)生紫外降解，嚴(yán)重影響深紫外LED的光效和可靠性。

為此，研究者提出了多種深紫外LED封裝技術(shù)，主要包括早期TO封裝技術(shù)、半無(wú)機(jī)封裝技術(shù)和全無(wú)機(jī)封裝技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)深紫外LED封裝技術(shù)進(jìn)行了深入研究，從封裝技術(shù)角度提高了深紫外LED的光效和可靠性，推動(dòng)了深紫外LED技術(shù)發(fā)展。

圖2 深紫外LED封裝產(chǎn)品：（a）TO封裝；（b）半無(wú)機(jī)封裝；（c）～（d）全無(wú)機(jī)封裝。

2 深紫外LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

（1） 封裝材料選擇

出光材料：LED出光結(jié)構(gòu)一般采用透明材料實(shí)現(xiàn)光輸出和調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)芯片和線路層起到保護(hù)作用。傳統(tǒng)有機(jī)材料耐熱性差、熱導(dǎo)率低、存在紫外降解等問(wèn)題，難以滿足深紫外LED封裝需求。近年來(lái)，業(yè)界嘗試采用石英玻璃、藍(lán)寶石等無(wú)機(jī)透明材料來(lái)封裝深紫外LED。

相較而言，石英玻璃的物化性能穩(wěn)定，在深紫外波段具有高透過(guò)率（＞90%），且機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性好、抗紫外線和氣密性高，成為深紫外LED封裝用透鏡材料的有效選擇。

散熱基板材料：LED散熱基板材料主要有樹(shù)脂類、金屬類和陶瓷類，其中樹(shù)脂類和金屬類基板均含有有機(jī)樹(shù)脂絕緣層，這會(huì)降低散熱基板的熱導(dǎo)率，影響基板散熱性能；而陶瓷類基板具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、導(dǎo)熱性高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)勢(shì)，是深紫外LED封裝用散熱基板的很好選擇。

焊接鍵合材料：深紫外LED焊接材料包括芯片固晶材料和基板焊接材料，分別用于實(shí)現(xiàn)芯片、玻璃蓋板（透鏡）與陶瓷基板間焊接。倒裝芯片常采用金錫共晶方式實(shí)現(xiàn)芯片固晶，強(qiáng)度高、界面質(zhì)量好，且鍵合層熱導(dǎo)率高，降低了LED熱阻。玻璃蓋板與陶瓷基板間常采用焊料來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠鍵合，但需要同時(shí)在玻璃蓋板和陶瓷基板表面制備金屬層，以滿足金屬焊接需求。

（2） 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)境中的水蒸氣等有害氣體易對(duì)深紫外LED芯片和電路層造成破壞，影響其使用壽命及可靠性。為此，常采用含腔體的封裝結(jié)構(gòu)用于深紫外LED封裝，主要包括TO封裝和采用三維玻璃蓋板或三維陶瓷基板的表面貼裝封裝結(jié)構(gòu)。

其中，備受業(yè)界關(guān)注的是三維陶瓷基板封裝結(jié)構(gòu)：將芯片貼裝在三維陶瓷基板腔體（圍壩）內(nèi)的金屬焊盤(pán)上，同時(shí)利用石英玻璃作為封裝蓋板，再將玻璃蓋板與三維陶瓷基板鍵合（焊接），其關(guān)鍵在于三維陶瓷基板制備、玻璃蓋板與陶瓷基板間的高強(qiáng)度鍵合。

（3） 封裝工藝優(yōu)化

深紫外LED封裝工藝主要包括固晶、打線（或倒裝共晶）和玻璃蓋板焊接（鍵合）。其中，玻璃蓋板鍵合是整個(gè)封裝工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于芯片已貼裝在基板腔體內(nèi)，有必要采用低溫焊接工藝實(shí)現(xiàn)玻璃蓋板與三維陶瓷基板間可靠鍵合。

目前主要有低熔點(diǎn)焊料鍵合和低溫鍵合兩種方式。為了提高封裝效率，本課題組開(kāi)發(fā)了深紫外LED板級(jí)封裝技術(shù)，首先將多顆芯片分別貼裝（固晶）在三維陶瓷基板各個(gè)圍壩內(nèi)，再利用板級(jí)焊接完成玻璃蓋板與陶瓷基板間焊料鍵合，最后通過(guò)切割獲得多顆深紫外LED。

圖3 深紫外LED全無(wú)機(jī)板級(jí)封裝產(chǎn)品

（4） 反射光損耗抑制

在玻璃上、下表面存在菲涅爾反射損耗，同時(shí)在芯片上表面和側(cè)面存在菲涅爾反射損耗和全反射損耗。為了提高深紫外LED光效，有必要采用一些方法來(lái)抑制反射損耗，包括用于抑制菲涅爾反射的薄膜涂層、納米結(jié)構(gòu)等，用于抑制全反射的半球形透鏡、表面粗化、納米顆粒摻雜封裝層等。

（5） 結(jié)溫和熱管理

深紫外LED光效相對(duì)較低，為了滿足應(yīng)用需求，常采用多芯片集成封裝形式來(lái)獲得高光功率深紫外LED模組。但是，在追求高光功率密度的同時(shí)，單位面積熱流密度更大，熱量聚集造成深紫外LED結(jié)溫升高。

為此，可通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有效熱管理等方法來(lái)降低深紫外LED總熱阻，包括共晶鍵合、氮化鋁陶瓷基板、高導(dǎo)熱固晶材料、被動(dòng)散熱（散熱翅片等）和主動(dòng)散熱（風(fēng)冷、水冷等），從而提高深紫外LED的散熱性能和可靠性。

3 深紫外LED封裝研究進(jìn)展

評(píng)價(jià)深紫外LED性能好壞的主要指標(biāo)有光效和可靠性，分別用于衡量深紫外LED光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。在提高光效方面，近年來(lái)研究者主要圍繞半球形氟樹(shù)脂透鏡、表面粗化、納米顆粒摻雜封裝層等方面展開(kāi)；在提高可靠性方面，研究者主要通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有效熱管理來(lái)強(qiáng)化深紫外LED散熱性能，包括減少鍵合層空洞率和熱阻、采用高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板、微流道水冷、熱電制冷等方法。

4 展望

目前，深紫外LED技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是與近紫外和藍(lán)光LED相比，深紫外LED仍面臨光效低、可靠性差和成本高等問(wèn)題，尚難以滿足大規(guī)模應(yīng)用需求。為了進(jìn)一步提高深紫外LED光效和可靠性，深紫外LED封裝技術(shù)仍有許多值得研究的方向，包括但不限于：

（1） 新型封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)探索。研發(fā)耐紫外光、高紫外透過(guò)率和低溫固化的封裝材料，研發(fā)高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、低溫鍵合高溫服役的焊接材料，通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化手段開(kāi)發(fā)高光提取和高散熱的深紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，從而提高深紫外LED器件光熱性能。

（2） 高集成深紫外LED封裝工藝開(kāi)發(fā)。未來(lái)深紫外LED必然向著大規(guī)模、多芯片、集成化、低成本等方向發(fā)展，有必要開(kāi)發(fā)高集成深紫外LED封裝工藝來(lái)滿足深紫外LED發(fā)展需求，包括芯片到晶圓（C2W）、晶圓到晶圓（W2W）等板級(jí)封裝工藝。

（3） 深紫外LED封裝協(xié)同設(shè)計(jì)強(qiáng)化。目前，深紫外LED技術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)間相互獨(dú)立，導(dǎo)致芯片設(shè)計(jì)、封裝技術(shù)和器件應(yīng)用間相互脫節(jié)，使得最終深紫外LED難以滿足應(yīng)用過(guò)程中的光學(xué)性能和可靠性需求。

因此，有必要對(duì)深紫外LED芯片、封裝和應(yīng)用進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，在芯片設(shè)計(jì)、封裝技術(shù)和器件應(yīng)用這三個(gè)階段間相互聯(lián)系和反饋，并利用仿真模擬、可靠性測(cè)試等手段對(duì)封裝性能進(jìn)行優(yōu)化分析，從而開(kāi)發(fā)針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的深紫外LED器件。

作者：彭洋， 陳明祥， 羅小兵。

編輯：jq