深紫外LED封装材料选择对器件性能至关重要

　　深紫外 LED 的光效主要由外量子效率决定，而外量子效率受内量子效率和光提取效率影响。随着深紫外 LED 内量子效率不断提高( >80%)，深紫外 LED 光提取效率成为限制深紫外 LED 光效提高的关键因素，而深紫外 LED 光提取效率受封装技术影响较大。深紫外 LED 封装技术与目前白光 LED 封装技术有所不同。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。因此，深紫外LED封装环节对于材料的选择尤其重要。

　　LED封装材料主要包括出光材料、散热基板材料和焊接键合材料。其中，出光材料用于芯片发光提取、光调节、机械保护等; 散热基板用于芯片电互连、散热与机械支撑等;焊接键合材料用于芯片固晶、透镜键合等。

　　1.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。由于有机材料耐热性差和热导率低，深紫外LED 芯片产生的热量会导致有机封装层温度升高，长时间高温下有机材料出现热降解和热老化，甚至是不可逆的碳化现象;此外，在高能量紫外光辐射下，有机封装层会出现透过率下降、微裂纹等不可逆的改变，且随着深紫外光能量不断增加，这些问题更为严重，使得传统有机材料难以满足深紫外 LED 封装需求。总体而言，虽然有报道部分有机材料能够耐受紫外光，但是由于有机材料耐热性差和非气密性，使得有机材料在深紫外 LED 封装中仍然受限。因此，研究者也在不断尝试采用石英玻璃、蓝宝石等无机透明材料来封装深紫外 LED。

图 1 不同波段深紫外 LED 中出现的硅胶层裂纹

图 2 新型石英透镜及其深紫外 LED 封装

　　2.散热基板材料：目前，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;而陶瓷类基板主要包括高温/低温共烧陶瓷基板( HTCC /LTCC) 、厚膜陶瓷基板( TPC) 、覆铜陶瓷基板( DBC) 以及电镀陶瓷基板( DPC)。陶瓷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，广泛应用于功率器件封装，特别是大功率LED 封装。由于深紫外 LED 光效较低，输入的绝大部分电能转换为热量，为了避免过多热量对芯片造成高温损伤，需要将芯片产生的热量及时耗散到周围环境中，而深紫外 LED 主要依靠散热基板作为热传导路径，因此高导热陶瓷基板是深紫外 LED 封装用散热基板的很好选择。

　　3.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，水平和垂直芯片可利用导电银胶、无铅焊膏等完成芯片固晶。相对于银胶和无铅焊膏，金锡共晶键合强度高、界面质量好，且键合层热导率高，降低了 LED 热阻。玻璃盖板焊接是在完成芯片固晶后进行，因此焊接温度受到芯片固晶层耐受温度限制，主要包括直接键合和焊料键合。直接键合不需要中间键合材料，利用高温高压方法直接完成玻璃盖板与陶瓷基板间焊接，键合界面平整、强度高，但对设备和工艺控制要求高; 焊料键合是采用低温锡基焊料作为中间层，在加热加压条件下，利用焊料层与金属层间原子相互扩散来完成键合，工艺温度低、操作简单。目前常采用焊料键合来实现玻璃盖板与陶瓷基板间可靠键合，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，且键合工艺过程中需要考虑焊料选择、焊料涂覆、焊料溢出和焊接温度等问题。

　　近年来，国内外研究者对深紫外 LED 封装材料进行了深入研究，从封装材料技术角度提高了深紫外 LED 光效和可靠性，有效推动了深紫外 LED 技术发展。

　　资料来源：《深紫外LED封装技术现状与展望》彭洋;陈明祥;罗小兵;发光学报1000-7032( 2021) 04-0542-18

来源：材料深一度