揭秘UVC LED封裝材料及製造技術難點跟趨勢

隨著傳統LED產業步入成熟飽和期,廠商先後調整發展戰略,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,雖然不少廠商早有佈局,但過去UV LED產品市場接受度不高,因此,UV LED產業一直處於起步發展階段,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。而從產品生產端來看,從晶圓片到封裝再到成品,各個製程都有很多考量因素。LEDinside針對UVC LED封裝,揭秘此製程所需的材料、製造技巧、技術難題和發展趨勢,以更好地瞭解UVC LED封裝產品。


(圖片來源:Pixabay)

UVC LED封裝形式、技術、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。

有機封裝採用矽膠、矽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/近無機封裝,採用有機矽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,通過鐳射焊、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。

目前半無機封裝產品仍是市場主流,主要由帶杯陶瓷支架和石英玻璃構成,透過在帶杯陶瓷基板邊緣區域,塗覆抗紫外膠水來實現透鏡的放置。具體而言,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,選用石英玻璃是由於石英屬於無機物,不會受紫外線的影響,且石英玻璃對於UVC波段的透過率高。其次,在散熱基板方面,由於UVC LED光電轉換效率低,大部分轉換成熱量,所以一般採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,黏接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,有部分廠商採用氧化鋁散熱基板。氮化鋁和氧化鋁基板都屬於陶瓷基板,兩者主要區別在於: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,通常用於低功率產品。然而,氧化鋁陶瓷脆性較大,相較於氮化鋁更容易碎裂,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,通常用於大功率產品。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,直接影響晶片的使用壽命。鑒於此,現階段,很多產品以倒裝晶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。封裝技術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。至於錫膏焊接,由於錫膏熔點僅220度左右,因此在器件貼片後,再次過爐會出現再融現象,晶片容易脫落失效,影響UVC LED可靠性。

金錫共晶焊主要以助焊劑進行共晶焊接,能有效提升晶片與基板的結合強度和導熱率,相比之下可靠性更高,有利於UVC LED的品質管控。因此,市面上多採用金錫共晶焊方式。

在焊接工藝中,主要涉及焊接空洞率問題。焊接空洞指LED晶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。

在可靠性方面,封裝形式是影響因素之一,但關鍵在於氣密性。在半無機封裝形式中,玻璃透鏡和帶杯陶瓷基板透過膠水連接,會形成一個封閉腔。由於無法對封閉腔抽真空,當膠水熱固化,腔體裡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,對晶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。

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。

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,由於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。不過,由於體積小,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瞭解,從目前市場應用來看,UVC LED已經開始應用於表面殺菌 (攜帶性殺菌產品、殺菌燈、母嬰產品)、水殺菌和空氣淨化等場所。(文:LEDinside Janice)

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