深紫外LED封裝技術(shù)現(xiàn)狀與展望

彭 洋，陳明祥，羅小兵

(1.華中科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3．華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

隨著大功率白光LED技術(shù)日趨成熟，基于Ⅲ族氮化物材料的短波長紫外LED(UV-LED)技術(shù)已成為LED領(lǐng)域研發(fā)焦點[1-4]。紫外光分為長波紫外(UVA,320～400 nm)、中波紫外(UVB,280～320 nm)、短波紫外(UVC,200～280 nm)和真空紫外(VUV,100～200 nm)。通常將發(fā)光波長位于長波紫外的LED稱為淺紫外LED，發(fā)光波長位于中波紫外及其以下的LED稱為深紫外LED。近紫外LED主要應(yīng)用在樹脂固化、油墨印刷、防偽識別等領(lǐng)域，深紫外LED在殺菌消毒、生化檢測、醫(yī)療健康、隱秘通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值[5-8]。特別是在殺菌消毒領(lǐng)域，深紫外LED主要利用高能量紫外線照射微生物(細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體)并破壞核酸結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到微生物滅活的目的[9]。相比于傳統(tǒng)殺菌消毒技術(shù)(如加氯法、臭氧法、紫外汞燈等)，深紫外LED具有殺菌效率高、適用性強(qiáng)(廣譜)、無化學(xué)污染物、操作簡單等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于空氣、水體和物體表面消殺。近期，隨著新型冠狀病毒(COVID-19)在全球范圍內(nèi)的傳播，深紫外LED消毒被認(rèn)為是一種有效消滅新型冠狀病毒的方法，如韓國首爾偉傲世和美國SETi公司采用深紫外LED成功地在30 s內(nèi)殺死99.9%新型冠狀病毒[10]。在當(dāng)前全球新冠肺炎疫情防控中，深紫外LED消毒技術(shù)已用于公共場所、交通工具、個人防護(hù)等領(lǐng)域(如圖1)，為遏制新冠病毒傳播提供了科技支撐。

圖1 深紫外LED消毒應(yīng)用。(a)公共電梯；(b)飛機(jī)機(jī)艙；(c)個人防護(hù)。Fig.1 Disinfection applications of DUV-LEDs in public elevator(a),aircraft cabin(b) and individual protection(c).

與汞燈相比，深紫外LED具有環(huán)保無汞、壽命長、功耗低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點(如圖2)，市場潛力巨大[11-12]。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)計，2021年全球深紫外LED市場規(guī)模將增加到6.1億美元，年均復(fù)合增長率為110%[13]，且隨著《水俁公約》正式生效和新冠肺炎疫情影響，深紫外LED消毒市場將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。對于深紫外LED而言，從生產(chǎn)設(shè)備、材料外延、芯片制造到封裝都與近紫外和藍(lán)光LED存在較大差異，且由于成本極高(同功率白光LED的100倍以上)，光效與可靠性偏低，遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求[14-19]。近二十年來，波長為365 nm以上InGaN基近紫外LED外量子效率可達(dá)46%～76%，而AlGaN基深紫外LED外量子效率一般小于20%，其中用于殺菌消毒的深紫外LED(波長為265～280 nm)外量子效率不足5%，嚴(yán)重影響了深紫外LED的應(yīng)用效能[20]。隨著深紫外LED發(fā)光波長逐漸變短，高質(zhì)量AlGaN材料外延和有效摻雜面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，同時也對器件封裝技術(shù)提出了更高要求。

圖2 深紫外LED與傳統(tǒng)汞燈性能對比Fig.2 Performance comparison of DUV-LED and traditional mercury lamp

深紫外LED封裝技術(shù)與目前白光LED封裝技術(shù)有所不同。具體而言，白光LED主要采用有機(jī)材料(環(huán)氧樹脂、硅膠等)進(jìn)行封裝，但由于深紫外光波長短且能量高，有機(jī)材料在長時間深紫外光輻射下會發(fā)生紫外降解，嚴(yán)重影響深紫外LED的光效和可靠性[21]。為此，研究者提出了多種深紫外LED封裝技術(shù)，主要包括早期TO封裝技術(shù)、半無機(jī)封裝技術(shù)和全無機(jī)封裝技術(shù)(相關(guān)封裝產(chǎn)品如圖3)。TO封裝是利用傳統(tǒng)TO工藝將深紫外LED芯片密封于金屬基板與金屬管殼組成的密閉腔體內(nèi)，其中金屬管殼上的玻璃光窗用于光輸出。雖然TO封裝可靠性高、氣密性好，但由于結(jié)構(gòu)中含有金屬引腳，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸較大，不利于芯片散熱，僅適合小功率器件封裝。半無機(jī)封裝是將深紫外LED芯片貼裝在封裝基板腔體(圍壩)內(nèi)，再利用有機(jī)粘膠將石英玻璃蓋板固定于封裝基板圍壩上。半無機(jī)封裝避免了大量有機(jī)材料直接灌封，降低了出光材料紫外降解問題，工藝簡單、成本低，但有機(jī)粘接層存在紫外降解風(fēng)險，長時間工作會發(fā)生粘結(jié)層失效、玻璃蓋板脫落等問題，且有機(jī)粘結(jié)材料難以滿足氣密性要求，芯片易受外界環(huán)境影響。為此，研究者提出了全無機(jī)封裝技術(shù)，利用全無機(jī)材料實現(xiàn)深紫外LED氣密封裝，避免使用有機(jī)材料，從而提高深紫外LED的可靠性。隨著深紫外LED芯片性能的不斷提升，全無機(jī)氣密封裝技術(shù)能夠保證深紫外LED器件長期工作性能，特別是在惡劣環(huán)境下的長期可靠性。

圖3 深紫外LED封裝產(chǎn)品。(a)TO封裝；(b)半無機(jī)封裝；(c)～(d)全無機(jī)封裝。Fig.3 DUV-LEDs with TO packaging(a),semi-inorganic packaging(b) and all-inorganic packaging((c)-(d)).

近年來，國內(nèi)外研究者對深紫外LED封裝技術(shù)進(jìn)行了深入研究，從封裝技術(shù)角度提高了深紫外LED光效和可靠性，推動了深紫外LED技術(shù)發(fā)展。但是，與波長較長的近紫外和藍(lán)光LED相比，深紫外LED封裝性能仍有很大提升空間。本綜述重點對深紫外LED封裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，從光效和可靠性角度闡述深紫外LED封裝最新技術(shù)進(jìn)展，并對后續(xù)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

2 深紫外LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

2.1 封裝材料選擇

LED封裝材料主要包括出光材料、散熱基板材料和焊接鍵合材料。其中，出光材料用于芯片發(fā)光提取、光調(diào)節(jié)、機(jī)械保護(hù)等；散熱基板用于芯片電互連、散熱與機(jī)械支撐等；焊接鍵合材料用于芯片固晶、透鏡鍵合等。

2.1.1 出光材料

LED出光結(jié)構(gòu)一般采用透明材料實現(xiàn)光輸出和調(diào)節(jié)，同時對芯片和線路層起到保護(hù)作用。白光LED封裝采用有機(jī)材料作為出光材料，由于有機(jī)材料耐熱性差和熱導(dǎo)率低，LED芯片產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致有機(jī)封裝層溫度升高，長時間高溫下有機(jī)材料出現(xiàn)熱降解和熱老化，甚至是不可逆的碳化現(xiàn)象[22]；此外，在高能量紫外光輻射下，傳統(tǒng)有機(jī)材料(硅膠、環(huán)氧樹脂等)會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)分子鏈中的C—C、C—O、C—H等共價鍵吸收特定波長的紫外光后出現(xiàn)共價鍵斷裂，形成大量強(qiáng)極性自由基，直接破壞有機(jī)材料的成分和結(jié)構(gòu)，造成有機(jī)封裝層出現(xiàn)透過率下降、微裂紋等不可逆的改變(如圖4)，且隨著深紫外光能量不斷增加，這些問題將更為嚴(yán)重，使得傳統(tǒng)有機(jī)材料難以滿足深紫外LED封裝需求[23]。其中，硅膠熱老化的原因是高溫下硅膠發(fā)生了甲基官能團(tuán)解離和鍵斷裂，導(dǎo)致硅膠層黃化和透光率降低[24]；而硅膠紫外降解是由于紫外光輻射下硅膠發(fā)生了誘導(dǎo)聚合，引起硅膠硬度和質(zhì)量發(fā)生變化[25]。這些都會造成深紫外LED性能急劇下降。

圖4 不同波段深紫外LED中出現(xiàn)的硅膠層裂紋[25]Fig.4 Silicone layer cracks in different DUV-LEDs[25]

為了避免硅膠紫外降解問題，研究者開發(fā)了耐受紫外光的有機(jī)透明材料來封裝深紫外LED，如氟樹脂、甲基硅氧烷混合材料等。日本名城大學(xué)Hirano等[25-26]制備了3種不同端基結(jié)構(gòu)的氟樹脂，其中S型氟樹脂在整個深紫外波段具有最高透過率(>90%)，而A型和E型氟樹脂在260 nm以下深紫外波段的透過率明顯降低，與硅膠降低程度相似(如圖5)。與此同時，對比分析了三種氟樹脂封裝深紫外LED(265 nm)的可靠性，發(fā)現(xiàn)在20 mA條件下深紫外LED分別工作95 h和397 h后，A型和E型氟樹脂封裝的深紫外LED芯片電極均出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致LED漏電流增加，而S型氟樹脂封裝工作1 033 h也未出現(xiàn)電極受損現(xiàn)象。此外，在230 ℃條件下分別加熱32 h和105 h，A型和E型氟樹脂層中出現(xiàn)大塊氣泡，而S型氟樹脂加熱660 h也未出現(xiàn)氣泡。這主要是因為A型和E型氟樹脂的端基在深紫外光輻射下會發(fā)生光降解，從而產(chǎn)生氣泡和造成芯片電極損壞；而S型氟樹脂表現(xiàn)出高耐紫外性，在深紫外光輻射下無明顯降解和老化。但是，S型氟樹脂也存在粘結(jié)性差、成本高、耐熱性不良等問題，限制了其在深紫外LED封裝中的應(yīng)用。另一方面，非氣密的有機(jī)材料對外界環(huán)境耐受能力較差，作為封裝材料時會發(fā)生透氣、透濕等，降低LED器件可靠性，這在惡劣環(huán)境(高溫、高濕、腐蝕等)下顯得尤為明顯[27-29]。

圖5 3種氟樹脂(A型、E型和S型氟樹脂)透過率曲線[25]Fig.5 Transmittance curves of three fluororesins(A-type,E-type and S-type)[25]

總體而言，雖然有報道部分有機(jī)材料能夠耐受紫外光，但是由于有機(jī)材料耐熱性差和非氣密性，使得有機(jī)材料在深紫外LED封裝中仍然受限。近年來，研究者嘗試采用石英玻璃、藍(lán)寶石等無機(jī)透明材料來封裝深紫外LED。但是，藍(lán)寶石不易加工，難以加工成曲面透鏡，且成本較高；石英玻璃的物化性能穩(wěn)定，在深紫外波段具有高透過率(大于90%)，且機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性好、抗紫外線和氣密性高，可見石英玻璃是深紫外LED封裝用透鏡材料的有效選擇。研究者發(fā)現(xiàn)石英玻璃在280 nm的透過率高達(dá)93%，而硅膠在280 nm的透過率僅為79%；相對于硅膠封裝，老化500 h后石英玻璃封裝的深紫外LED光功率衰減幅度降低13%，這表明石英玻璃封裝能夠提高深紫外LED可靠性[30]。

此外，為了調(diào)節(jié)深紫外LED發(fā)光角度，除了平面石英玻璃蓋板外，研究者也制備了不同曲率的石英玻璃透鏡，以滿足深紫外LED應(yīng)用需求。與平面蓋板不同，曲面透鏡不利于后續(xù)操作，很難實現(xiàn)與陶瓷基板間可靠鍵合，且氣密性難以保證。研究者利用透明有機(jī)粘膠將曲面透鏡與平面蓋板粘結(jié)在一起，再將平面蓋板與陶瓷基板鍵合，避免了曲面透鏡的使用難題。但是，有機(jī)粘膠很容易被深紫外光降解，存在粘結(jié)失效、透光率下降等不利影響。為此，日本旭硝子公司(AGC)開發(fā)了一種新型石英透鏡用于深紫外LED封裝(如圖6)，將石英曲面透鏡和平面石英蓋板直接燒結(jié)在一起(不需要中間粘膠)，既方便了后續(xù)鍵合操作，也獲得了不同發(fā)光角。

圖6 新型石英透鏡及其深紫外LED封裝Fig.6 Quartz lens and its DUV-LED packaging

2.1.2 散熱基板材料

目前，LED散熱基板材料主要有樹脂類、金屬類和陶瓷類。其中樹脂類和金屬類基板均含有有機(jī)樹脂絕緣層，這會降低散熱基板的熱導(dǎo)率，影響基板散熱性能；而陶瓷類基板主要包括高溫/低溫共燒陶瓷基板(HTCC/LTCC)、厚膜陶瓷基板(TPC)、覆銅陶瓷基板(DBC)以及電鍍陶瓷基板(DPC)[31-33]。陶瓷基板具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、導(dǎo)熱性高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于功率器件封裝，特別是大功率LED封裝[34-36]。由于深紫外LED光效較低，輸入的絕大部分電能轉(zhuǎn)換為熱量，為了避免過多熱量對芯片造成高溫?fù)p傷，需要將芯片產(chǎn)生的熱量及時耗散到周圍環(huán)境中，而深紫外LED主要依靠散熱基板作為熱傳導(dǎo)路徑，因此高導(dǎo)熱陶瓷基板是深紫外LED封裝用散熱基板的很好選擇。

2.1.3 焊接鍵合材料

深紫外LED焊接材料包括芯片固晶材料和基板焊接材料，分別用于實現(xiàn)芯片、玻璃蓋板(透鏡)與陶瓷基板間焊接。倒裝芯片常采用金錫共晶方式實現(xiàn)芯片固晶，水平和垂直芯片可利用導(dǎo)電銀膠、無鉛焊膏等完成芯片固晶。相對于銀膠和無鉛焊膏，金錫共晶鍵合強(qiáng)度高、界面質(zhì)量好，且鍵合層熱導(dǎo)率高，降低了LED熱阻[37]。玻璃蓋板焊接是在完成芯片固晶后進(jìn)行，因此焊接溫度受到芯片固晶層耐受溫度限制，主要包括直接鍵合和焊料鍵合。直接鍵合不需要中間鍵合材料，利用高溫高壓方法直接完成玻璃蓋板與陶瓷基板間焊接，鍵合界面平整、強(qiáng)度高，但對設(shè)備和工藝控制要求高；焊料鍵合是采用低溫錫基焊料作為中間層，在加熱加壓條件下，利用焊料層與金屬層間原子相互擴(kuò)散來完成鍵合，工藝溫度低、操作簡單。目前常采用焊料鍵合來實現(xiàn)玻璃蓋板與陶瓷基板間可靠鍵合，但需要同時在玻璃蓋板和陶瓷基板表面制備金屬層，以滿足金屬焊接需求，且鍵合工藝過程中需要考慮焊料選擇、焊料涂覆、焊料溢出和焊接溫度等問題。

2.2 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

深紫外LED對外界環(huán)境中水蒸氣等有害氣體十分敏感，水蒸氣浸入封裝體內(nèi)會對芯片和電路層造成破壞，影響LED使用壽命。為了提高深紫外LED可靠性，在全無機(jī)封裝材料基礎(chǔ)上還必須采用氣密封裝，將芯片封裝在密閉腔體內(nèi)(空氣或惰性氣體環(huán)境等)，以避免外界環(huán)境影響[38]。目前，常利用含腔體的封裝結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)LED氣密封裝。早在2004年，TO封裝結(jié)構(gòu)被用于深紫外LED氣密封裝(如圖7(a))，利用電阻壓焊工藝實現(xiàn)含玻璃光窗的金屬管殼與金屬基板間高強(qiáng)度焊接[39]，但前述已指出TO封裝僅適合小功率器件封裝。鑒于陶瓷基板的高導(dǎo)熱性等優(yōu)點，研究者提出了深紫外LED表面貼裝封裝結(jié)構(gòu)(如圖7(b)、(c))，包括三維玻璃蓋板和三維陶瓷基板封裝形式。前者芯片貼裝在平面陶瓷基板上，利用三維玻璃蓋板與陶瓷基板間鍵合使芯片密封在玻璃腔體內(nèi)。雖然這種結(jié)構(gòu)能夠提高芯片側(cè)壁光提取，但由于石英玻璃不易加工，很難制備出含腔體的三維玻璃蓋板，且需要考慮玻璃蓋板腔體與封裝基板間可靠鍵合。為此，研究者更關(guān)注三維陶瓷基板封裝結(jié)構(gòu)，將芯片貼裝在三維陶瓷基板腔體(圍壩)內(nèi)的金屬焊盤上，同時利用石英玻璃作為封裝蓋板，再將玻璃蓋板與三維陶瓷基板鍵合(焊接)[40]，其關(guān)鍵在于三維陶瓷基板制備、玻璃蓋板與陶瓷基板間高強(qiáng)度鍵合。

圖7 深紫外LED全無機(jī)氣密封裝。(a)TO封裝；(b)三維玻璃蓋板封裝；(c)三維陶瓷基板封裝。Fig.7 All-inorganic DUV-LED with TO packaging(a),3D glass packaging(b) and 3D substrate packaging(c).

2.2.1 三維陶瓷基板制備

目前常見的三維陶瓷基板是HTCC/LTCC，利用絲網(wǎng)印刷、疊壓以及燒結(jié)等制備出三維腔體結(jié)構(gòu)，由于制備過程中多層陶瓷生胚疊壓燒結(jié)時會出現(xiàn)收縮比例差異問題，影響腔體結(jié)構(gòu)尺寸精度。為了避免這一難題，陽升公司提出多次絲網(wǎng)印刷和高溫?zé)Y(jié)工藝[41]，首先制備出平面厚膜陶瓷基板(TPC)，然后再通過多次絲網(wǎng)印刷和高溫?zé)Y(jié)工藝在該基板上制作陶瓷圍壩(如圖8(a))。該方法需要多次絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)，工藝復(fù)雜，且受到絲網(wǎng)印刷限制，圍壩高度低、圖形精度差。鑒于此，研究者提出采用粘接技術(shù)制備三維陶瓷基板，如圖8(b)所示，但有機(jī)粘膠存在導(dǎo)熱和耐熱差、非氣密性等問題，影響了該技術(shù)發(fā)展。此外，也有研究者提出含電鍍金屬圍壩的三維陶瓷基板[42-43](如圖8(c))，通過采用多層電鍍技術(shù)，在平面DPC基板上直接制作出厚銅圍壩。該三維基板無中間粘結(jié)層，氣密性好，且保留了平面DPC基板的高線路精度、垂直互連等優(yōu)勢，但由于電鍍厚銅層應(yīng)力大，基板容易翹曲，且電鍍生長效率低，生產(chǎn)成本高。為此，本課題組采用模具成型技術(shù)和直寫技術(shù)在平面DPC基板上制備免燒陶瓷圍壩(如圖8(d))，得到了含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板，具有熱穩(wěn)定性高、工藝簡單、成本低等優(yōu)勢[44-47]。

圖8 三維陶瓷基板實物圖。(a)燒結(jié)型；(b)粘接型；(c)多層電鍍型；(d)免燒陶瓷圍壩型。Fig.8 3D ceramic substrates of sintering type(a),adhesion type(b),multi-layer plating type(c) and un-sintering type(d).

總體而言，目前業(yè)界已開發(fā)多種三維陶瓷基板制備技術(shù)，滿足了LED封裝需求。與平面陶瓷基板不同之處在于圍壩材料與制備工藝，其中粘接圍壩、電鍍圍壩和免燒陶瓷圍壩技術(shù)均能在平面DPC基板上制備腔體結(jié)構(gòu)，同時維持了DPC基板高線路精度、垂直互連、高導(dǎo)熱等優(yōu)點。為了滿足深紫外LED封裝需求，且考慮到制造成本，免燒陶瓷圍壩三維基板是深紫外LED封裝基板很好的選擇，可以實現(xiàn)小型化、高導(dǎo)熱、高氣密和低成本的深紫外LED封裝，但仍需要考慮免燒陶瓷圍壩存在的一些問題，包括耐水性、抗酸堿性等。

2.2.2 玻璃蓋板與陶瓷基板間鍵合

前文指出玻璃蓋板與陶瓷基板間鍵合包括直接鍵合和焊料鍵合，直接鍵合常采用電阻壓焊工藝實現(xiàn)鍵合層局部焊接，不需要中間層材料，但需要在玻璃蓋板四周制作金屬焊框(如圖9(a))，并采用含金屬圍壩的三維陶瓷基板。焊料鍵合是以無鉛焊料作為中間鍵合層材料，利用焊料熔化實現(xiàn)可靠鍵合，封裝結(jié)構(gòu)中需要同時在玻璃蓋板和陶瓷基板圍壩上制作金屬焊接層。目前，石英玻璃表面金屬化常用方法有鍍膜工藝和金屬燒結(jié)工藝，其中鍍膜工藝是通過光刻顯影、濺射鍍膜、電鍍增厚等在玻璃表面制備圖形化金屬層(膜系結(jié)構(gòu)一般為Cr/Ni/Cu、Ti/Ni/Au等)，如圖9(b)所示，不易得到相對較厚的金屬層結(jié)構(gòu)；金屬燒結(jié)工藝是將金屬漿料(如導(dǎo)電銀漿、銅漿等)通過絲網(wǎng)印刷涂覆在玻璃表面，燒結(jié)后得到圖形化金屬層，如圖9(c)所示。燒結(jié)法制備的金屬層結(jié)合強(qiáng)度高、制備工藝簡單、成本低，但圖形精度不高?？偟膩砜矗兡すに嚭徒饘贌Y(jié)工藝均可實現(xiàn)玻璃表面金屬化，其中金屬燒結(jié)工藝成本低、工藝簡單、設(shè)備要求低，更能滿足深紫外LED封裝對玻璃蓋板表面金屬化的實際需求。

圖9 (a)含金屬邊框玻璃蓋板；(b)鍍膜法制備玻璃蓋板；(c)燒結(jié)法制備玻璃蓋板。Fig.9 (a)Glass plate with metal frame.Glass plate with metal layer prepared by coating method(b) and sintering method(c).

2.3 封裝工藝優(yōu)化

深紫外LED封裝工藝主要包括固晶、打線(或倒裝共晶)和玻璃蓋板焊接(鍵合)，如圖10所示。固晶工藝是采用焊接材料將芯片貼裝在三維陶瓷基板圍壩內(nèi)，以固定芯片并為芯片提供散熱通道；打線工藝是采用金線鍵合實現(xiàn)芯片電極與基板上焊盤的電互連，從而為芯片供電(倒裝芯片常采用倒裝共晶工藝直接將芯片貼裝在基板焊盤上，利用金錫共晶實現(xiàn)電互連和散熱)；玻璃蓋板鍵合是整個封裝工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于芯片已貼裝在基板腔體內(nèi)，玻璃蓋板鍵合的工藝溫度不能太高，溫度過高會降低深紫外LED性能。為此，有必要采用低溫焊接工藝來實現(xiàn)玻璃蓋板與三維陶瓷基板間可靠鍵合。

圖10 深紫外LED封裝工藝流程Fig.10 Packaging process of DUV-LED

針對上述低溫焊接工藝需求，目前主要有低熔點焊料鍵合和低溫鍵合兩種方式。低熔點焊料鍵合一方面是利用In、Sn等低熔點焊料，雖然能實現(xiàn)低溫鍵合，但鍵合層的鍵合強(qiáng)度低，且實際使用溫度較低[48-49]；另一方面是通過納米金屬顆粒(納米銅、銀等)的低溫鍵合特性來實現(xiàn)低溫焊接，但納米材料的制備工藝復(fù)雜，且存在氧化和團(tuán)聚問題[50-53]。低溫鍵合過程中表面活化鍵合和原子擴(kuò)散鍵合可有效降低工藝溫度，但對設(shè)備要求高，一般需要真空環(huán)境和高壓條件，且時間長、鍵合效率低。局部加熱鍵合是一種有效的低溫鍵合方法，鍵合過程中熱量在封裝結(jié)構(gòu)的鍵合區(qū)局部，其他位置處于低溫狀態(tài)，避免了鍵合高溫的不利影響[54-55]。研究者提出采用平行縫焊工藝完成帶玻璃光窗的金屬蓋板與基板間局部加熱(如圖11(a))[56]，從而實現(xiàn)高可靠氣密封裝，但玻璃光窗制備相對復(fù)雜，且封裝效率較低。本課題組提出深紫外LED感應(yīng)局部加熱封裝技術(shù)(如圖11(b))[57]，由于感應(yīng)加熱具有非接觸、選擇性及快速加熱等特點，可精確實現(xiàn)玻璃蓋板(含金屬環(huán))與基板間局部加熱焊接，獲得了高強(qiáng)度、高氣密深紫外LED，但該方法需先對玻璃蓋板和陶瓷基板進(jìn)行金屬化處理。此外，研究者也采用激光加熱技術(shù)用于深紫外LED封裝，利用激光局部加熱特性實現(xiàn)玻璃蓋板與陶瓷基板間焊接。該方法具有非接觸加熱、鍵合效率高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點。

圖11 深紫外LED低溫封裝技術(shù)。(a)平行縫焊技術(shù)；(b)感應(yīng)局部加熱技術(shù)。Fig.11 Low-temperature DUV-LED packaging technology.(a)Parallel seam welding technology.(b)Localized induction heating technology.

總的來看，為了實現(xiàn)深紫外LED低溫封裝，研究者提出了多種低溫鍵合方法實現(xiàn)玻璃蓋板與陶瓷基板間鍵合。其中局部加熱鍵合技術(shù)能有效避免鍵合高溫對芯片和固晶層的熱破壞，實現(xiàn)鍵合層局部高溫和可靠鍵合。但上述方法均存在一些不足，例如成本高、設(shè)備要求高、工藝復(fù)雜等，難以滿足大批量生產(chǎn)需求。為此，在犧牲一定可靠性的基礎(chǔ)上，目前深紫外LED封裝中更多通過梯度焊料設(shè)計和使用，利用高溫焊料完成芯片固晶貼裝，再采用低溫焊料和整體加熱完成玻璃蓋板與陶瓷基板間鍵合，整個工藝相對成熟，封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力小。但是，上述提到的低溫封裝工藝均是針對單顆深紫外LED芯片進(jìn)行封裝，封裝效率低、成本高，且產(chǎn)品一致性差。為了提高封裝效率，本課題組開發(fā)了深紫外LED板級封裝技術(shù)[38]，首先將多顆芯片分別貼裝(固晶)在三維陶瓷基板各個圍壩內(nèi)，再利用板級焊接完成玻璃蓋板與陶瓷基板間焊料鍵合，最后通過切割獲得多顆深紫外LED(如圖12)。該方法不僅實現(xiàn)了深紫外LED全無機(jī)氣密封裝，且滿足批量生產(chǎn)需求，工藝成本低，但封裝中需要解決玻璃蓋板表面金屬化、低溫焊料涂覆、鍵合對準(zhǔn)等問題。

圖12 深紫外LED全無機(jī)板級封裝產(chǎn)品Fig.12 Wafer-level and all-inorganic packaging of DUV-LEDs

2.4 反射光損耗機(jī)制

對于深紫外LED封裝而言，芯片貼裝在三維封裝基板圍壩內(nèi)，平面玻璃蓋板鍵合于陶瓷基板圍壩上，圍壩內(nèi)部充填空氣或惰性氣體。在這種封裝結(jié)構(gòu)中，由于材料折射率差的影響，光線在玻璃和空氣界面以及芯片和空氣界面發(fā)生反射(如圖13)，反射損耗會降低深紫外LED光效。

圖13 深紫外LED封裝結(jié)構(gòu)中光傳播示意圖Fig.13 Schematic of light propagation in DUV-LED structure

光線入射到不同折射率的介質(zhì)界面時，一部分光線發(fā)生菲涅爾反射。根據(jù)菲涅爾公式，反射率R為：

(1)

(2)

其中，R的下標(biāo)s和p分別是垂直入射面的s偏振光和平行入射面的p偏振光，θ1為入射角。

此外，光線由光密介質(zhì)(折射率為n1)入射到光疏介質(zhì)(折射率為n2)時，根據(jù)Snell定律可得：

n1sinθ1=n2sinθ2，

(3)

θ1為入射角，θ2為折射角，當(dāng)θ2為90°時，光在界面發(fā)生全反射，此時的入射角為全反射臨界角θc，滿足如下關(guān)系式：

(4)

當(dāng)入射角大于臨界角θc時，LED有源層發(fā)出的光不能從芯片上表面出射出去。更重要的是，與GaN基藍(lán)色LED芯片不同，AlGaN基深紫外LED芯片擁有高Al組分的量子阱，AlGaN最頂層價帶為晶體場分裂帶，導(dǎo)致深紫外LED芯片有源層發(fā)出的光不僅存在TE偏振模式(E⊥c)，還存在TM偏振模式(E∥c)，且隨著Al含量增加，TM偏振光逐漸成為主導(dǎo)[58-59]。TE偏振光沿著垂直方向傳播到芯片上表面，TM偏振光沿著水平方向傳播到芯片側(cè)面[60]。因此，不僅在芯片上表面會存在反射損耗，由于AlGaN材料與空氣折射率差更大，導(dǎo)致芯片側(cè)面出光會出現(xiàn)嚴(yán)重的反射損耗，這都將影響深紫外LED光效。

總之，不僅在玻璃上、下表面存在菲涅爾反射損耗，同時在芯片上表面和側(cè)面存在菲涅爾反射損耗和全反射損耗。為了提高深紫外LED光效，有必要采用一些方法來抑制反射損耗，包括用于抑制菲涅爾反射的薄膜涂層、納米結(jié)構(gòu)等方法，用于抑制全反射的半球形透鏡、表面粗化、納米顆粒摻雜封裝層等方法。

2.5 結(jié)溫和熱管理

由于目前深紫外LED光效相對較低，為了滿足應(yīng)用需求，常采用多芯片集成封裝形式來獲得高光功率深紫外LED模組。但是，在追求高光功率密度的同時，單位面積熱流密度更大，熱量聚集造成深紫外LED結(jié)溫升高，進(jìn)而影響深紫外LED光效和可靠性。這一方面是由于芯片有源區(qū)溫度升高導(dǎo)致載流子能量增加，增大了電流泄露概率，降低深紫外LED內(nèi)量子效率；另一方面結(jié)溫升高會引起外延材料缺陷和雜質(zhì)形成深能級，造成非輻射復(fù)合概率增大，降低深紫外LED外量子效率[61-62]。因此，為了降低結(jié)溫升高的不利影響，需要提高深紫外LED封裝散熱性能，維持器件的長期工作性能。與白光LED有所不同，深紫外LED的熱量均來自于芯片，絕大部分電能轉(zhuǎn)化為熱量Pheat，由下式計算：

Pheat=I×V×(1-ηWPE)，

(5)

其中，I、V分別表示輸入電流和輸入電壓，ηWPE為深紫外LED光電轉(zhuǎn)換效率或插拔效率(Wall Plug Efficiency，WPE)，是指輸出光功率與輸入電功率的比值，即：

(6)

Pout是輸出光功率，Pin是輸入電功率，ηEE表示電效率，ηEQE是外量子效率，即LED輸出光子數(shù)與輸入載流子數(shù)的比值。

深紫外LED芯片貼裝于封裝基板上，絕大部分熱量通過封裝基板傳導(dǎo)到周圍環(huán)境中，如圖14所示。深紫外LED結(jié)溫Tj可表示為：

圖14 深紫外LED熱傳輸路徑示意圖Fig.14 Schematic of heat transmission path in DUV-LED

Tj=Ta+Rsum×Pheat，

(7)

其中，Ta為環(huán)境溫度，Rsum為深紫外LED總熱阻，也是芯片熱阻Rc、固晶層熱阻Rb、封裝基板熱阻Rs和熱界面材料(固晶層)熱阻Rt的總和。為了降低深紫外LED結(jié)溫，可通過封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有效熱管理等方法來降低深紫外LED總熱阻，包括共晶鍵合、氮化鋁陶瓷基板、高導(dǎo)熱固晶材料、被動散熱(散熱翅片等)和主動散熱(風(fēng)冷、水冷等)，從而提高深紫外LED散熱性能和可靠性。

3 深紫外LED封裝研究進(jìn)展

深紫外LED封裝直接影響深紫外LED器件的性能，而評價深紫外LED性能好壞的主要指標(biāo)有光效和可靠性，分別用于衡量深紫外LED的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命。針對深紫外LED封裝，近年來研究者圍繞提高光效與可靠性展開了相關(guān)研究。

3.1 提高光效

深紫外LED的光效主要由外量子效率決定，而外量子效率受內(nèi)量子效率和光提取效率影響。隨著深紫外LED內(nèi)量子效率不斷提高(>80%)[63-64]，深紫外LED光提取效率成為限制深紫外LED光效提高的關(guān)鍵因素，而深紫外LED光提取效率受封裝技術(shù)影響較大。

基于前述封裝結(jié)構(gòu)中反射光損耗分析，深紫外LED芯片表面的全反射損耗會嚴(yán)重影響深紫外LED光效。雖然在芯片制造中采用表面粗化、圖形襯底、光子晶體、芯片形狀優(yōu)化等[65-68]能夠抑制全反射損耗，但同樣可從封裝角度來抑制全反射損耗。目前，半球形透鏡是常用的封裝手段，使更多光垂直入射到透鏡表面從而出射出去。為此，研究者把半球形石英透鏡鍵合于深紫外LED芯片表面，但是絕大多數(shù)采用硅膠等有機(jī)粘結(jié)材料作為透鏡與芯片間鍵合材料，硅膠不僅存在紫外降解、熱老化等問題，同時由于硅膠折射率較低，使得紫外光在硅膠層上、下界面會發(fā)生反射損耗。針對這一問題，日本東北大學(xué)Ichikawa等[69]采用直接鍵合技術(shù)將半球形透鏡鍵合于深紫外LED芯片表面。不僅避免了中間有機(jī)粘結(jié)層影響(老化、界面反射等)，且與無半球形透鏡封裝相比，半球形透鏡封裝的深紫外LED(280 nm)光功率提高2.3倍。但透鏡直接鍵合的工藝條件苛刻(高真空和高壓環(huán)境)、工藝時間長，且對透鏡和芯片界面質(zhì)量要求高。為此，日本名城大學(xué)Hirano等[70]采用耐紫外光的S型氟樹脂作為透鏡材料，通過模具成型方法在深紫外LED芯片上制備出半球形氟樹脂透鏡，使得深紫外LED光功率提高1.5倍，且實現(xiàn)了批量封裝。但S型氟樹脂的折射率僅為1.35，在芯片和氟樹脂界面會出現(xiàn)反射損耗，且S型氟樹脂存在粘結(jié)性差、成本高等問題。

針對S型氟樹脂折射率較低等問題，本課題組將氮化鋁(AlN)納米顆粒摻入氟樹脂中，利用AlN顆粒的高折射率和寬禁帶來提高氟樹脂折射率，從而減小氟樹脂層與芯片間的折射率差，降低了芯片表面全反射損耗[71]。由于納米顆粒散射作用提高了光線出射幾率，使得摻雜0.15% AlN氟樹脂封裝的深紫外LED光功率提高16.4%。針對S型氟樹脂粘結(jié)性差的問題，華中科技大學(xué)Dai等[72]將氧化石墨烯摻入氟樹脂中，采用氧化石墨烯摻雜氟樹脂作為石英透鏡與深紫外LED芯片間鍵合材料，配合硅烷偶聯(lián)劑(APTS)，在鍵合界面實現(xiàn)了“錨定結(jié)構(gòu)”，降低了鍵合層的孔隙率，改善了氟樹脂的粘結(jié)性能，使得0.1%氧化石墨烯摻雜氟樹脂層的粘結(jié)強(qiáng)度提高4倍以上，深紫外LED光功率提高15%，且改善了深紫外LED的光熱性能和長期穩(wěn)定性。

除了應(yīng)用半球形透鏡和氟樹脂封裝層外，表面粗化也是抑制芯片表面全反射的有效方法，其機(jī)理是通過表面粗化結(jié)構(gòu)來改變光線路徑，使反射光散射出去。美國堪薩斯州立大學(xué)Jiang等[73]利用光刻和刻蝕技術(shù)對深紫外LED倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底進(jìn)行圖案化處理，在藍(lán)寶石襯底表面制備了微透鏡陣列的表面粗化結(jié)構(gòu)，微透鏡陣列結(jié)構(gòu)有效降低了芯片表面全反射，使深紫外LED光功率提高55%；但是，刻蝕工藝對芯片晶體結(jié)構(gòu)影響較大，易損壞芯片光電性能。為了避免對芯片的直接加工，本課題組提出微透鏡陣列氟樹脂封裝層用于深紫外LED芯片表面全反射抑制[74](如圖15(a)、(b))，采用主動制冷水滴凝結(jié)法制作多孔模板，并以該多孔模板在氟樹脂層上微成型不同曲率半徑的微透鏡陣列。該方法具有簡單、成本低、高效等優(yōu)點；通過微透鏡陣列的散射作用，增大了深紫外LED芯片的光輸出臨界角，降低了全反射損耗。結(jié)果表明，相比光滑表面封裝結(jié)構(gòu)，3種不同曲率微透鏡陣列封裝結(jié)構(gòu)的光功率分別增加了7.1%、10.2%和15.4%。此外，華中科技大學(xué)Dai等[75]采用干法刻蝕與濕法刻蝕相結(jié)合的方法在平面藍(lán)寶石片上制備了納米透鏡陣列，通過控制刻蝕工藝參數(shù)獲得了不同結(jié)構(gòu)尺寸的納米透鏡陣列，并將其用于抑制深紫外LED芯片表面全反射損耗；與平面結(jié)構(gòu)封裝層相比，納米透鏡陣列結(jié)構(gòu)封裝層使得深紫外LED光功率最大提高24.7%，發(fā)射角增加14°。除了全反射損耗外，深紫外LED芯片表面還存在菲涅爾反射損耗，也會降低深紫外LED光效。為了降低菲涅爾反射損耗，美國倫斯勒理工學(xué)院Yan等[76]采用斜角沉積方法在芯片藍(lán)寶石襯底上制備了全方向抗反射薄膜涂層，實現(xiàn)了藍(lán)寶石襯底到空氣的漸變折射率過渡，使深紫外LED光提取效率提高8%。

圖15 不同微透鏡陣列氟樹脂層封裝的深紫外LED。(a)光譜強(qiáng)度；(b)光功率[74]。Fig.15 Spectra(a) and light output power(b) of DUV-LEDs packaged by fluororesin microlenses[74]

針對AlGaN基深紫外LED來說，TM偏振光傳播到芯片側(cè)面也會出現(xiàn)反射損耗問題，影響深紫外LED光效。中科院半導(dǎo)體所Wang等[77]利用激光切割技術(shù)對深紫外LED芯片的藍(lán)寶石襯底側(cè)壁進(jìn)行粗化處理，通過仿真和實驗揭示了藍(lán)寶石側(cè)壁的有效粗化區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)能夠抑制反射損耗和提高光子逃逸；但這是對芯片直接加工，工藝相對復(fù)雜，且僅能實現(xiàn)側(cè)壁光提取。為此，華中科技大學(xué)Dai等[78]提出一種蛾眼納米陣列柔性氟樹脂薄膜(F2MF)，用于同時抑制深紫外LED上表面和側(cè)壁反射損耗，增強(qiáng)TE和TM模式光提取(如圖16)；與傳統(tǒng)封裝相比，在200 mA電流下，F(xiàn)2MF封裝深紫外LED光功率提高26.7%，且由于F2MF可以同時貼合在芯片上表面和側(cè)面，使得深紫外LED的TE和TM偏振光分別提高20.5%和21.8%。

圖16 (a)～(c)納米陣列模板與F2MF的制備工藝及其實物圖；(d)不同納米尺寸F2MF封裝深紫外LED光功率；(e)F2MF(325 nm)封裝深紫外LED光強(qiáng)分布[78]。Fig.16 (a)-(c)Preparation processes and pictures of nano-array template and F2MF.(d)Light power of DUV-LEDs packaged by F2MF with various sizes.(e)Light distribution of DUV-LEDs packaged by F2MF[78].

此外，由于石英玻璃與空氣間的折射率差，平面玻璃蓋板上、下表面存在菲涅爾反射。目前抑制菲涅爾反射主要有薄膜涂層和納米結(jié)構(gòu)兩種方法。薄膜涂層是采用單層或多層薄膜的相消干涉作用抑制反射，但該方法僅適合窄光譜和小入射角的抗反射，且需要嚴(yán)格控制膜層折射率、厚度、質(zhì)量等[79-80]；納米結(jié)構(gòu)具有良好的抗反射性，亞波長納米結(jié)構(gòu)可在界面形成漸變折射率介質(zhì)層，使入射光由一種介質(zhì)平滑地入射到另一種介質(zhì)，有效降低了菲涅爾反射[81-82]。本課題組在平面石英玻璃蓋板上、下表面同時制備納米結(jié)構(gòu)[83]，為了獲得亞波長(深紫外波段)納米結(jié)構(gòu)，利用金薄膜快速熱退火制作了金納米掩模，并結(jié)合干法刻蝕在玻璃表面制備了平均高度和周期分別為140 nm和90 nm的蛾眼狀納米結(jié)構(gòu)，雙面納米結(jié)構(gòu)化玻璃蓋板的深紫外透光率高達(dá)97.2%，其封裝的深紫外LED光功率提高8.6%。

對于深紫外LED氣密封裝而言，雖然采用三維陶瓷基板能夠提高器件散熱性能，但由于陶瓷基板圍壩內(nèi)壁(陶瓷或銅材料等)在深紫外波段反射率低，導(dǎo)致芯片側(cè)壁出光難以有效提取(被封裝材料吸收)，影響深紫外LED光效[84-85]。鑒于金屬鋁對深紫外光的高反射率(>90%)，研究者在三維封裝基板的側(cè)壁和底部鍍鋁層，通過鋁反射作用提高深紫外LED光提取[86-87]。此外，本課題組提出采用鋁反射杯來代替銅圍壩用于深紫外LED封裝[88]，通過仿真分析優(yōu)化了鋁反射杯結(jié)構(gòu)尺寸和傾角。在三種鋁反射杯結(jié)構(gòu)中，鋁內(nèi)壁分別為70%漫反射、80%漫反射和92%鏡面反射，在電流100 mA下深紫外LED光功率分別提高28.8%、37.0%和43.8%，這一結(jié)果表明鋁反射杯能有效地提高深紫外LED側(cè)壁出光。中國臺灣交通大學(xué)Kuo等[89]采用板級鋁反射杯實現(xiàn)了深紫外LED批量封裝(如圖17)，不僅提高了封裝效率，且利用高鏡面鋁反射杯增強(qiáng)了芯片側(cè)壁出光提取，相對于傳統(tǒng)陶瓷圍壩封裝，鋁反射杯封裝的深紫外LED光功率提高18.38%。雖然鋁反射杯能夠提高深紫外LED光效，但封裝過程中需要考慮鋁反射杯與陶瓷基板、石英蓋板間可靠鍵合等問題。

圖17 深紫外LED板級封裝工藝流程[89]Fig.17 Wave-level packaging process of DUV-LEDs with aluminum reflector[89]

3.2 提高可靠性

雖然前述深紫外LED采用全無機(jī)氣密封裝能夠避免封裝材料老化、紫外降解等問題，并消除外界環(huán)境中不利因素的影響，但深紫外LED可靠性仍會受到封裝結(jié)構(gòu)散熱性能影響。由于深紫外LED光效較低，絕大部分電能轉(zhuǎn)換為熱量，且隨著多芯片集成密度增加，單位面積會產(chǎn)生更多熱量，熱量聚集會引起深紫外LED結(jié)溫升高，進(jìn)而影響深紫外LED的工作壽命。為此，研究者利用封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有效熱管理等方法強(qiáng)化深紫外LED散熱性能，提高了深紫外LED的可靠性。

為了降低深紫外LED結(jié)溫，有必要對封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而降低封裝熱阻。其中，芯片固晶層、封裝基板的熱導(dǎo)率直接影響封裝熱阻。目前，紫外LED芯片常利用金錫共晶鍵合工藝來實現(xiàn)與封裝基板間可靠鍵合，相較于其他芯片貼裝工藝，金錫共晶鍵合的可靠性高、熱學(xué)性能好，但是共晶鍵合層會存在空洞，高空洞率會影響紫外LED光熱性能。華中科技大學(xué)Dai等[90-91]利用金錫共晶鍵合工藝實現(xiàn)了紫外LED芯片的低空洞率和低熱阻鍵合，對比分析了不同空洞率的共晶鍵合層對紫外LED熱學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空洞率從30%降到3%時，紫外LED熱阻和結(jié)溫分別降低48%和3.5 ℃。另一方面，高導(dǎo)熱氮化鋁(AlN)陶瓷基板被用于深紫外LED封裝，利用AlN材料的高導(dǎo)熱特性將芯片產(chǎn)生的熱量快速傳導(dǎo)到散熱翅片和周圍環(huán)境，從而提高了器件可靠性。為了進(jìn)一步提高AlN陶瓷基板散熱性能，華中科技大學(xué)Dai等[92]通過在AlN陶瓷基板上設(shè)計導(dǎo)熱銅孔，并將其應(yīng)用于深紫外LED封裝，仿真和實驗分析了導(dǎo)熱銅孔數(shù)量對深紫外LED熱阻和結(jié)溫的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)熱銅孔數(shù)量增加，深紫外LED熱阻和結(jié)溫逐漸降低，相對于普通AlN陶瓷基板封裝，含導(dǎo)熱銅孔(4×4分布)AlN陶瓷基板封裝的深紫外LED熱阻降低34.6%，結(jié)溫降低7.3 ℃。

目前，深紫外LED芯片貼裝在三維封裝基板腔體內(nèi)，腔體內(nèi)一般是空氣或惰性氣體，由于空氣熱導(dǎo)率低，導(dǎo)致芯片產(chǎn)生的熱量只能向下通過封裝基板耗散出去。中國臺灣交通大學(xué)Kuo等[93-94]提出一種液體封裝技術(shù)用于深紫外LED封裝，利用導(dǎo)熱硅油填充三維封裝基板腔體，使芯片熱量能夠通過硅油向外傳導(dǎo)。相比于現(xiàn)有空腔封裝，硅油封裝深紫外LED熱阻降低30.3%，提高了深紫外LED的可靠性，且采用硅油作為中間折射率層，減小了芯片界面折射率差，使平面透鏡和半球形透鏡封裝的深紫外LED光功率分別提高27.2%和70.7%。澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)Paull等[95]通過3D打印技術(shù)制備了微流通道裝置，并將該環(huán)形微流通道緊密安裝于深紫外LED周圍，通過在微流通道中注入循環(huán)冷水實現(xiàn)了深紫外LED主動液體冷卻，深紫外LED工作溫度降低22°C，且可靠性和穩(wěn)定性明顯改善。此外，智利圣地亞哥大學(xué)Fredes等[96]設(shè)計了一種熱電控制裝置用于深紫外LED散熱，通過熱電制冷器的主動散熱有效降低了深紫外LED熱阻，提高了器件可靠性。

4 深紫外LED封裝技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，深紫外LED技術(shù)取得了長足的發(fā)展，但是與近紫外和藍(lán)光LED相比，深紫外LED仍面臨光效低、可靠性差和成本高等問題，尚難以滿足大規(guī)模應(yīng)用需求。為了進(jìn)一步提高深紫外LED光效和可靠性，深紫外LED封裝技術(shù)仍有許多值得研究的方向，包括但不限于：

(1)新型封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)探索。雖然玻璃封裝技術(shù)能夠提高深紫外LED可靠性，但仍存在光損耗、熱應(yīng)力大、工藝復(fù)雜、成本高等問題，迫切需要研發(fā)耐紫外光、高紫外透過率和低溫固化的封裝材料，以避免玻璃封裝存在的上述問題，從而降低光損耗和工藝復(fù)雜度，提高深紫外LED光效；研發(fā)高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、低溫鍵合高溫服役的焊接材料用于深紫外LED封裝，以避免焊接溫度對芯片的不利影響，降低深紫外LED結(jié)溫并提高器件散熱性能；通過封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化手段開發(fā)高光提取和高散熱的深紫外LED封裝結(jié)構(gòu)，從而提高深紫外LED器件的光熱性能。

(2)高集成深紫外LED封裝工藝開發(fā)。目前針對單顆深紫外LED芯片的全無機(jī)氣密封裝工藝相對成熟，未來深紫外LED必然向著大規(guī)模、多芯片、集成化、低成本等方向發(fā)展，有必要開發(fā)高集成深紫外LED封裝工藝來滿足深紫外LED發(fā)展需求，包括芯片到晶圓(C2W)、晶圓到晶圓(W2W)等板級封裝工藝，針對板級封裝工藝主要考慮板級對準(zhǔn)、鍵合和切割等關(guān)鍵技術(shù)以及產(chǎn)品一致性和合格率等問題。

(3)深紫外LED封裝協(xié)同設(shè)計強(qiáng)化。目前深紫外LED技術(shù)的各個環(huán)節(jié)間相互獨(dú)立，導(dǎo)致芯片設(shè)計、封裝技術(shù)和器件應(yīng)用間相互脫節(jié)，使得最終深紫外LED難以滿足應(yīng)用過程中的光學(xué)性能和可靠性需求。因此，有必要對深紫外LED芯片、封裝和應(yīng)用進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，在芯片設(shè)計、封裝技術(shù)和器件應(yīng)用這三個階段間相互聯(lián)系和反饋，并利用仿真模擬、可靠性測試等手段對封裝性能進(jìn)行優(yōu)化分析，從而開發(fā)針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的深紫外LED器件。

5 結(jié)束語

深紫外LED具有環(huán)保無汞、壽命長、功耗低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)輕巧等優(yōu)點，在殺菌消毒、生化檢測、醫(yī)療健康、隱秘通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。近年來，深紫外LED技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，主要體現(xiàn)在光效和可靠性不斷提高，這不僅得益于芯片外延材料和摻雜技術(shù)的進(jìn)步，也歸功于器件封裝技術(shù)的發(fā)展。由于深紫外光波長短且能量高，使得深紫外LED對封裝材料、結(jié)構(gòu)與工藝均有特殊要求，傳統(tǒng)有機(jī)材料封裝技術(shù)難以滿足深紫外LED封裝需求。為此，國內(nèi)外研究者對深紫外LED封裝技術(shù)進(jìn)行了深入研究，從封裝角度提高了深紫外LED的光效和可靠性。本文系統(tǒng)探討了深紫外LED封裝材料、結(jié)構(gòu)和工藝中使用的關(guān)鍵技術(shù)，包括石英玻璃蓋板、三維陶瓷基板、氣密封裝結(jié)構(gòu)、低溫焊接工藝、反射光損耗以及結(jié)溫和熱管理等。同時從封裝角度闡述了深紫外LED光效和可靠性的最新研究進(jìn)展，通過抑制反射光損耗和增強(qiáng)光提取提高深紫外LED光效，通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)和有效熱管理改善深紫外LED的可靠性。此外，對深紫外LED封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述，包括新型封裝材料和封裝結(jié)構(gòu)、高集成封裝工藝、強(qiáng)化封裝設(shè)計等發(fā)展方向。本文對深紫外LED封裝技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)和展望，這將有助于高光效、高可靠深紫外LED設(shè)計和制造，促進(jìn)深紫外LED技術(shù)的發(fā)展。