【极智课堂】华中科技大学陈明祥：紫外/深紫外LED封装技术研发
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当前，新型冠状病毒仍在持续，对产业及企业造成了一定程度的影响，也牵动着各行各业人们的心。在此形势下，中睿照明网、极智头条，在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下，开启疫情期间知识分享，帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰！ 本期，我们邀请到华中科技大学教授陈明祥带来了“紫外/深紫外 LED 封装技术研发”的精彩主题分享，以下为主要内容： 一、电子封装技术 1.电子封装：从芯片到器件或系统的工艺过程 电子封装主要功能 （1）机械保护：机械支撑与保护、防潮/防尘/防振等（气密封装） （2）电互连：供电、信号传输与控制 （3）散热：功率器件（LED/LD/CPV等）、三维集成、高温环境等 （4）导光结构：降低光损，提高光效 主要技术难点包括：多种材料，不同工艺，有限空间，实现特定功能、可靠性与成本。 电子封装技术发展 （1）分立器件封装：少引脚，金属或陶瓷封装，如 TO 封装。 （2）集成电路（IC）封装：多引脚，低功率，塑料封装，低成本。 （3）传感器封装（MEMS）：小尺寸、多品种、气密封装。 （4）光电器件封装（LD/LED/PV等）：光电转换、功率器件、散热、出光等。 （5）电力电子器件封装（IGBT等）：大功率器件：大电流、散热、可靠性。 发展趋势主要为：小型化、集成化、多功能化。 二、白光LED封装技术 1.LED 封装: 从LED芯片到灯具的全工艺过程，发挥着承上启下的作用 （1）光学方面: 提高光效与质量（光色、均匀性等）； （2）热学方面: 散热，提高性能与使用寿命； （3）电学方面: 电源驱动与智能控制； （4）机械支撑与保护（可靠性）。 重点：需要少发热，多发光；协同设计（Co-design）；DFX（Design for X），高品质、可制造性（工艺）、可靠性、成本（30-60%）。
2.白光LED封装技术难题 （1）多种材料（半导体、金属、高分子、陶瓷等）； （2）多步工艺（固晶、焊线、涂胶、安装透镜、固化等）； （3）多表面/界面（热学界面、光学界面）； （4）多能域耦合（光、热、电、力学和化学等）； （5）多目标优化（低热阻、高光效、高品质、高可靠与低成本等）；
3.白光LED封装技术–出 光 光学设计：通过材料/结构优化，提高光效、光形、均匀性与光色（全光谱）
4.白光LED封装技术–散热 热学设计：散热直接影响 LED 器件性能，包括光强、光效、光色、可靠性与成本等. （1）设计：系统热设计（降低系统热阻） （2）结构：减少热界面数 （3）材料：高导热基板与贴片（固晶）材料 （4）工艺：降低界面热阻
封装基板 功能： （1）机械支撑（承载） （2）电互连（绝缘） （3）散热（功率器件） 材料 （1）高分子（FR4 等） （2）金属（Al、Cu 等） （3）陶瓷（Al2O3、AlN 等）
存在问题： （1）线路精度差（线宽/线距大于100um），无法实现小型化； （2）不能垂直互连，系统集成度差； （3）新应用需求：功率器件（第三代半导体）、恶劣环境（高温高湿等）等； （4）市场需要开发一种高性能（高精度、垂直互连等）、低成本、真正的陶瓷电路板；
电镀陶瓷基板 DPC（Direct Plating Ceramic）
（1）陶瓷材料优点：高导热、耐热、绝缘、抗腐蚀、抗辐射等； （2）半导体微加工技术，图形精度高（线宽/线距可小于50 um），小型化； （3）激光打孔 电镀填孔技术，实现垂直互联，满足集成化封装需求； （4）表面金属层厚度可控（10-500um），满足大电流传输及散热需求； （5）低温制备工艺（300℃以下），避免了高温不利影响，降低制造成本； DPC 基板技术起源于台湾，满足 LED 封装需求，通过产学研合作，实现产业化（量产工艺 定制设备 质量标准）。 （1）优化溅射镀膜工艺，提高金属/陶瓷结合强度； （2）陶瓷通孔（60-120um）电镀技术，提高成品率； （3）DPC 基板专用设备与夹具（陶瓷基板脆、薄、小尺寸等）； （4）DPC 基板检测技术与质量标准；
5.白光 LED 封装技术- 可靠性 可靠性设计、测试与评估、失效分析 （1）LED 器件失效结果：光衰、光灭、机械损坏等； （2）LED 器件失效原因：芯片、封装材料与工艺、电源、使用不当、环境等； （3）热失效是 LED 器件失效主要原因； 三、近紫外LED 封装技术 紫外光（UV）波长分布
封装材料：基板材料与透镜材料 基板材料，包括金属基板：铝 237 W/m.K,铜 400 W/m.K，陶瓷基板：Al2O3 20-30 W/m.K, AlN 160-200 W/m.K。 透镜材料：硅胶/石英玻璃等（透光率、折射率、抗紫外老化等。
封装结构与工艺
封装技术特点 （1）可采用白光LED封装技术； （2）可使用有机封装材料（抗紫外透镜材料和粘接材料）； （3）可靠性问题：材料老化、器件失效等； 对于近紫外LED封装，有机材料能满足器件性能需求，但不利于在高温、高湿等恶劣环境下使用。 四、深紫外 LED 封装技术 1.深紫外 LED 封装技术 深紫外 LED 器件通常是指<300 nm。 禁止使用有机材料 有机硅胶中羧基(-COOH)等化学键在深紫外光照射下发生光解现象，导致硅胶变质。 （1）出光材料（透镜，导光材料）； （2）粘接材料（非光路？）； 实现气密封装 （1）水蒸汽等渗透到LED芯片表面，影响器件性能与可靠性； （2）深紫外线与氧气反应产生臭氧，影响出光效率？； （3）气密封装材料：玻璃、陶瓷、金属等； 2.深紫外 LED全无机气密封装 （1）散热：陶瓷基板（含腔体、高导热）； （2）出光：石英玻璃盖板（高光效）； （3）焊接：金属焊料（高强度）； （4）可靠性：气密封装。
3.深紫外 LED 封装关键技术 （1）准三维陶瓷基板制备：高热导率；含围坝结构（腔体）。 （2）低温气密焊接：气密焊接（石英盖板/陶瓷基板间高强度焊接，避免湿气、氧气等影响）；低温焊接（避免芯片热损伤）。 （3）提高光效：降低玻璃盖板表面光反射，提高出光效率。 关键技术 1 – 准三维陶瓷基板制备 准三维陶瓷基板制备技术（1） 1．LTCC/HTCC 基板：丝网印刷 多层堆叠 烧结。 （1）陶瓷围坝（腔体）； （2）金属线路精度差； （3）热导率低，成本高； （4）可采用平行缝焊技术。 |
