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UV LED封装技术的研究现状及趋势分析
2015/4/6 10:52:32
  2014年10月9日,诺贝尔物理学奖名单出炉,授予赤崎勇、天野浩与中村修二。其中天野浩、中村修二目前从事的紫外发光二极管(以下简称“UV LED)研究正在被业界逐渐重视,更被认为是LED继白光之后又一新大陆,前景可谓十分乐观。同时据yole的行业发展报告在未来几年内,UV LED行业将以年复合增长率46%的速度发展,毫无疑问UV LED将是LED行业的下一次革命。
  从2003年日本企业推出第一款UV LED开始,UV LED外延以及芯片技术逐渐得到提升,光电转换效率接近40%~50%(385nm、395nm),而且波段逐渐往短波方向发展。如280nm、250nm、210nm的UV LED芯片纷纷出现,并且光输出功率已经达到了初步实用阶段。甚至国产深紫外LED在光电参数上也不落后发达国家。
  但是在封装方面国内企业因为接触的比较晚,仍然在以传统可见光的封装方式封装UV LED,这是一个极大的误区。所以本文将就UV LED的封装技术做一个深入的讨论。
  一、UV LED封装技术的研究现状
  1.国内 UVLED封装技术
  在UV LED芯片技术长足进步的同时,国内市场上存在的封装方式主要沿用白光LED的封装方式,表1给出了主要的封装方式。
  虽然沿用白光LED封装方式能够满足可靠性要求低的(比如说验钞、美甲等)需求。但是白光LED封装目前几乎所有的封装方式都不同程度的采用了树脂一类的有机材料进行封装,因此会出现以下几个问题:
  (1)紫外光辐射导致胶体黄化,降低发光二极管使用寿命
  特别针对于365nm以下的波段,可见光LED封装方式无法满足要求,因为随着波段变短,辐射能量变强,采用有机类的树脂材料耐紫外性能急剧下降,影响UV LED的寿命和稳定性。
  (2)热应力导致失效
  事实上,主要采用传统的可见光封装方式必然存在着有机和无机的两个界面物质。在热学效应上,无机物质比有机物质的热膨胀系数要小很多。因此必然导致热应力拉扯的问题。从而导致产品失效。
  (3)湿应力及杂质侵入导致失效
  硅胶也好、硅树脂也好,不同程度上有一个透氧透湿性。因此将产生开关瞬间,因为水汽蒸发而产生作用力,导致失效。另外由于透氧透湿性的存在不可避免其他杂质的侵入产生失效。
  2.国际上UV LED封装技术
  为应对UV LED封装要求,国外UV LED制造商纷纷推出采用玻璃封装的UV LED,表2给出了采用玻璃封装的主要方式。可以看出为了应对UV LED高能的辐射,封装方式开始考虑减少使用有机类的材料,甚至是完全不采用有机类材料对UV LED进行封装,进而减少或避免因为有机材料导致的衰减问题,湿热应力导致失效的问题。
  虽然在封装上做了如上的一些变化,除了日亚化外(6868系列)始终还是采用有机材料对UVLED进行封装的一类产品,其存在的主要问题是由于紫外线的短波高能量,有机材料在长期服役过程中被紫外光激励,加速了有机材料的氧化,出现了性能恶化,导致器件辐射强度下降。
  由图1可以看出,虽然封装方式不尽相同,其中B、C采用了玻璃透镜进行封装,但是始终在封装结构中无法避免采用有机填充材料或者有机粘结材料。正是这些有机材料使得封装的寿命、稳定性受到影响。并且也无法实现气密性的封装,导致LED信赖性中冷热循环实验中存在巨大风险。
  虽然通过对有机材料进行改性,在一定程度上可以避免LED金线受损和断线失效,但有机材料必须在长期高强度紫外辐射条件下工作无法避免,有机材料长期在紫外光、热、湿、氧条件下服役,信赖性就很难保证。采用类似激光器的TO方式进行封装,能够避免使用有机材料进行封装,其工艺已经相当成熟,在稳定性方面表现也相当突出,并且能够对UVC LED进行封装。但在能够适应SMT(Surface Mount Technology)工艺的SMD(Surface Mounted Devices)方式的高可靠性的封装方式有待进一步开发。
  二、全无机紫外发光二极管封装技术
  为了摆脱UVLED封装技术上的困境,并避免技术侵权,笔者所在公司推出全无机封装的全系列UVLED,如图2所示。该款产品以CMH技术为平台(C=ceramic、M=metal、H=hardglass/quartz),其封装波段可以覆盖从200nm~400nm,适合大小功率的UVLED封装。避免采用有机材料,因此由紫外线导致的性能劣化小,与使用树脂材料封装时相比,延长了组件寿命。借助CMH技术平台,还可以对UVLED元器件进行保护气或者真空封装。
  1.CMH产品光学性能
  通过光学模拟在不对玻璃透镜进行减反、增透处理条件下,如表3所示得出其出光效率可达90%以上。在实际测试过程中,发现CMH技术封装在350nm以上波段的出光效率达到了95%左右,如表4所示。
  2.CMH产品可靠性
  通过对产品热阻测试,CMH封装热阻控制在5.7℃/W以下。实际封装产品395nm波段,正向电流为700mA、Ts=75℃、RH<50%条件下老化测试1008小时,结果显示,1008小时辐射衰减<1.6%。可以说CMH技术能够实现良好的可靠性。
  三、结论
  尽管封装方式形形色色,琳琅满目,但是能实现对UV LED进行无机封装的方式很少,封装技术稍显落后,因此寻求一种稳定可靠的封装方式变得非常迫切。尤其是针对深紫外部分封装,目前较为可靠的方式是TO系列封装,而在SMD(Surface Mounted Devices)的封装方式暂时还未见有成熟的方案。借助CMH平台助力UV LED SMD方式可靠封装,实现对深紫外UVLED进行稳定可靠的封装,进而提高其使用寿命。同时借助CMH平台,拓展在下严酷环境下(如高温,高湿,水下等)UV LED的应用。

[责任编辑:yawei]



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