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一文揭秘UVC LED封裝材料/工藝/技術難點和趨勢

時間:2020-12-08 16:48 點擊次數:
 

 隨著傳統LED產業步入成熟飽和期,廠商先后調整發展戰略,轉而拓展汽車照明、植物照明、UV LED、IR LED等細分市場以及小間距、Mini/Micro LED等新型顯示領域。其中,在UV LED領域,雖然不少廠商早有布局,但過去UV LED產品市場接受度不高,因此,UV LED產業一直處于起步發展階段,尤其是技術難度和價格相對更高的UVC LED。

然而,自新型冠狀病毒肺炎疫情在全球傳播以來,消費者殺菌消毒意識迅速提高,防疫商機帶動了UVC LED系列產品的需求激增,推動全球多方力量投入研發UVC LED技術,也催生了各種各樣的產品,然而,這些產品是否都符合相關要求?

事實上,在選用可靠的UVC LED產品上需要考量諸多因素,比如:針對不同病毒和細菌,需要不同的劑量和照射時間,才能實現消毒殺菌效果。而從產品生產環節來看,從外延芯片到封裝再到成品等各個環節都有很多考量因素。本次,LEDinside針對UVC LED封裝環節,揭秘此環節所需材料、工藝、技術難題和發展趨勢,以更好地了解UVC LED封裝產品。

UVC LED封裝形式、工藝、材料選用特殊性

目前,UVC LED封裝有三種形式:有機封裝,半無機封裝(也稱近無機封裝)以及全無機封裝。

有機封裝采用硅膠、硅樹脂或者環氧樹脂等有機材料,主要包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等產品,整體技術比較成熟,但抗紫外性能還需要進一步提高。

半無機封裝(也稱近無機封裝)采用有機硅材料搭配玻璃等無機材料。全無機封裝則全程避開使用有機材料,通過激光焊、波峰焊、電阻焊等方式來實現透鏡和基板的結合,完全減少有機材料帶來的光衰問題以及濕熱應力導致的失效問題,能準確有效提高UVC LED器件的穩定性和可靠性。

據了解,國星光電、奧創深紫、鴻利秉一,及華引芯等國內廠商均開發了全無機封裝UVC LED產品。

目前半無機封裝產品仍是國內市場主流,主要由帶杯陶瓷支架和石英玻璃構成,通過在帶杯陶瓷基板邊緣區域涂覆抗紫外膠水來實現透鏡的放置。具體來講,即在杯頂或臺階處進行點膠,再蓋上石英玻璃進行固化粘結。

在材料的選用上,UVC LED封裝與一般LED有所不同。首先,選用石英玻璃是由于石英屬于無機物,不會受紫外線的影響,且石英玻璃對于UVC波段的透過率高。其次,在散熱基板方面,由于UVC LED光電轉換效率低,大部分轉換成熱量,所以一般采用導熱率高的氮化鋁散熱基板。此外,UVC對膠水具有壞作用,因此,粘結玻璃和支架的膠水在耐紫外性能上的要求亦比一般LED封裝高。

另值得注意的是,有部分廠商采用氧化鋁散熱基板。氮化鋁和氧化鋁基板都屬于陶瓷基板,兩者主要區別在于:氮化鋁的導熱率比氧化鋁高很多。其中,氮化鋁導熱率一般約為140W/mK-170W/mK,而氧化鋁導熱率僅30W/mK左右。

氧化鋁陶瓷一般呈現白色,導熱率低,通常用于低功率產品。然而,氧化鋁陶瓷脆性較大,相較于氮化鋁更容易碎裂,因此在劃片切割過程中容易出現崩角現象。氮化鋁陶瓷一般呈現灰黑色,具有高導熱率,通常用于大功率產品。另外,市面上也存在摻雜碳粉的氧化鋁陶瓷,同樣呈現灰黑色,但導熱率更低。

熱管理與氣密性影響UVC LED封裝產品的品質

UVC LED封裝產品的品質受熱管理和氣密性的影響,這兩方面也是封裝環節的技術難點。其中,熱管理直接影響UVC LED封裝產品的壽命,而氣密性則很大程度決定其可靠性。

UVC LED對熱敏感,其外量子效率(EQE)較低,僅小部分電能轉換成光,而大部分電能都轉換成熱量,直接影響芯片的使用壽命。鑒于此,現階段,很多產品以倒裝芯片搭配高導熱氮化鋁基板的方案為主。氮化鋁具有優異的導熱性,能耐紫外線光源本身的老化,可滿足UVC LED高熱管理的需求。

除了材料,封裝工藝也是熱管理的影響因素。封裝工藝主要體現在固晶技術上,包括銀漿焊接、錫膏焊接和金錫共晶焊三種方式。

銀漿焊接雖然結合力不錯,但容易造成銀遷移,導致器件失效。至于錫膏焊接,由于錫膏熔點僅220度左右,因此在器件貼片后,再次過爐會出現再融現象,芯片容易脫落失效,影響UVC LED可靠性。

金錫共晶焊主要通過助焊劑進行共晶焊接,能有效提升芯片與基板的結合強度和導熱率,相比之下可靠性更高,有利于UVC LED的品質管控。因此,市面上多采用金錫共晶焊方式。

在焊接工藝中,主要涉及焊接空洞率問題。焊接空洞指LED芯片與基板焊接過程中形成的缺陷,在外形上呈現為空洞的狀態,是影響散熱的重要指標,焊接空洞率越低,散熱效果越好,產品壽命越長,品質越好。

據了解,華引芯的無機封裝技術采用惰性氣體及還原氣體混合保護環境下對芯片進行熱壓共晶焊接,進一步增加電連接效率,同時降低空洞率,穩定LED結溫。

國星光電在共晶焊工藝技術方面的優勢和特色非常突出,該公司具備10年的共晶技術沉淀,回流共晶空洞率基本控制在10%以內,大大低于市面上同類產品。據介紹,在降低焊接空洞率方面,該公司已形成了一套較為領先和完善的工藝技術。目前,其UVC LED產品總體空洞面積在10%以下,單顆最大空洞面積在2%以下,與市面同類產品空洞率15-30%相比,散熱效果極佳、產品壽命較長、產品品控更優。

在可靠性方面,封裝形式是影響因素之一,但關鍵在于氣密性。在半無機封裝形式中,玻璃透鏡和帶杯陶瓷基板通過膠水連接會形成一個封閉腔。由于無法對封閉腔抽真空,當膠水熱固化,腔體里面的空氣容易受熱膨脹外溢,形成氣泡,嚴重情況下形成氣通道。此時,外部水汽以及雜質可以通過氣泡和氣通道進入產品內部,對芯片和基板等材料造成污染,嚴重影響產品的氣密性,從而影響出光及可靠性。

可見,氣密性對于UVC LED封裝品質的影響很大,工藝處理技術十分關鍵。值得一提的是,通過優化基板表面處理和持續的封裝固化工藝研究,國星光電也已形成了一套完善的封裝工藝方案,能夠有效降低封閉腔空氣,實現了UVC LED器件零氣泡和零氣通道。

UVC封裝格局形態:半無機封裝為主,全無機封裝為輔

除了熱管理和氣密性,抗紫外能力也是UVC LED封裝的技術難點之一。為提高產品的抗紫外性能,不少廠商加緊開發全無機封裝產品。

例如,國星光電針對特殊產品開發出了高性價比的全無機UVC器件,成本優勢明顯。同時,該公司也正在與材料廠家共同開發抗UVC的氟樹脂封裝材料產品,產品具有耐高溫、耐更大電流和抗UV輻射等特點。

晶能光電的UVC LED產品主打大功率陶瓷封裝,采用陶瓷材料封裝,產品散熱性能佳。

鴻利智匯亦持續開展關于無機封裝技術的研究,旨在開發設計高光功率、高可靠性、長壽命、高性價比的UVC LED產品。

UVC LED封裝未來發展趨勢方面,國星光電認為,未來一兩年內國內市場仍將以半無機封裝為主,全無機封裝為輔的格局形態,但隨著有機材料抗紫外性能的提高和革新,氟樹脂等有機封裝將有可能重新占據一部分市場份額。

今年以來,UVC LED不同技術領域都實現了一定的突破,傳遞著產業正在蓬勃發展的信號。雖然,由于高成本和低光效等問題,目前UVC LED產品無法完全替換醫療用殺菌紫外汞燈。但國星光電認為,隨著技術的進步,相信UVC LED很快就會慢慢進入這個市場。而且,由于體積小,設計簡單,UVC LED目前在移動消殺和小空間殺菌領域相比汞燈,具有一定的優勢。據LEDinside了解,從目前市場應用來看,UVC LED已經開始應用于表面殺菌 (攜帶性殺菌產品、殺菌燈、母嬰產品)、水殺菌和空氣凈化等場所

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