高氣密性的深紫外LED 半無機(jī)封裝技術(shù)

萬垂銘，曾照明，肖國偉，藍(lán)義安，謝子敬，王 洪1，*

（1. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640；2. 廣東晶科電子股份有限公司，廣東 廣州 511458；3. 中山市華南理工大學(xué)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 中山 528437）

1 引 言

基于Ⅲ族氮化物材料的深紫外LED（200～280 nm）具有體積小、功耗低和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、生物檢測、殺菌消毒等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-5]。尤其是在殺菌消毒的應(yīng)用領(lǐng)域，深紫外LED 通過物理方式破壞微生物的核酸結(jié)構(gòu)[6]，實(shí)現(xiàn)滅活微生物的效果。深紫外LED 的消毒方式是綠色環(huán)保的，對環(huán)境無污染而且功耗比傳統(tǒng)汞燈低。隨著新型冠狀病毒的影響，深紫外LED 的市場需求在逐年遞增[7-9]。深紫外LED 可以作為汞燈的替代品，深紫外LED 器件具有功耗低、壽命長和啟動(dòng)快等特性，更容易被公眾接受[10]。深紫外LED 器件的性能直接受到深紫外LED 封裝的影響，優(yōu)化深紫外LED 封裝是提高深紫外LED 出光率的關(guān)鍵因素之一。

深紫外LED 的封裝主要分為有機(jī)封裝、全無機(jī)封裝和半無機(jī)封裝。有機(jī)封裝是采用有機(jī)材料灌封深紫外LED 芯片；全無機(jī)封裝是用無機(jī)材料作為封裝載體和藍(lán)寶石玻璃蓋板（帶金屬環(huán)）的密封劑；半全無機(jī)封裝是用有機(jī)材料作為封裝載體和石英玻璃蓋板的密封劑。有機(jī)封裝的灌封材料選用有機(jī)硅材料，但硅材料在深紫外光的長時(shí)間照射下會(huì)裂化分解[11-12]，導(dǎo)致深紫外LED 的可靠性降低；全無機(jī)封裝不會(huì)出現(xiàn)材料裂化分解的問題，氣密性要比有機(jī)封裝高，但是藍(lán)寶石玻璃的紫外透過率較低（小于90%），且制備成本高，并不適用于量化生產(chǎn)；與有機(jī)封裝和全無機(jī)封裝相比，半無機(jī)封裝通過有機(jī)材料密封石英玻璃（透光率大于95%）和陶瓷基板[13-15], 且有機(jī)密封材料不會(huì)被深紫外光直接照射。同時(shí)，為了提高半無機(jī)封裝的出光率，研究者們提出許多不同的優(yōu)化方案。例如，采用三維石英蓋板提高深紫外LED 的發(fā)光角度[16]；采用三維陶瓷基底改善封裝的氣密性[17]以及采用側(cè)面填充方法提高封裝的側(cè)面出光率[18]等。而封裝技術(shù)是影響深紫外封裝可靠性的主要因素，因此，優(yōu)化半無機(jī)封裝技術(shù)是提高深紫外LED 可靠性的關(guān)鍵。

本文提出了一種基底預(yù)熱、陣列點(diǎn)膠的深紫外LED 半無機(jī)封裝方法，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃蓋板與封裝載體的穩(wěn)定粘合，提高了深紫外LED 的氣密性。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 封裝載體制備

封裝載體結(jié)構(gòu)包括陶瓷基底和鍍銅圍壩。圖1 是封裝載體制備示意圖。首先通過銅金屬電鍍技術(shù)在AIN 陶瓷基板頂部和底部形成銅盤; 再采用通孔工藝在基板內(nèi)部填充銅，實(shí)現(xiàn)基板頂部和底部銅盤的連接；最后通過金屬電鍍工藝在基板表面形成銅圍壩。圖2 為封裝載體模型圖，封裝載體的整體尺寸為3.5 mm × 3.5 mm × 1.49 mm。圍壩的尺寸為3.5 mm × 3.5 mm × 1.49 mm。實(shí)驗(yàn)所用的石英玻璃厚度為0.3 mm，所以圍壩的臺(tái)階深度設(shè)計(jì)為0.3 mm，用于容納密封劑和固定石英片。在基板頂面2.0 mm × 2.0 mm 的中心區(qū)域內(nèi)設(shè)置電鍍層為Cu∕Ni∕Pd∕Au 的功能區(qū)，功能區(qū)分為正極區(qū)和負(fù)極區(qū)，呈長條形分布對稱。通過功能區(qū)，深紫外LED 芯片與封裝載體實(shí)現(xiàn)電連接和機(jī)械連接。如圖2（b）所示，基板底部側(cè)邊為電極焊盤，中間為散熱焊盤，通過在銅柱與功能區(qū)連接。圖2（c）、（d）分別是石英玻璃密封前和密封后的模型圖。在圍壩出口處設(shè)置臺(tái)階，用于陣列點(diǎn)膠和限制石英片移動(dòng)位置；齊納二極管反接在功能區(qū)，防止芯片靜電擊穿。

圖1 封裝載體制備流程Fig.1 Preparation process of the packaging carrier

圖2 封裝載體模型圖：（a）頂面；（b）底面；（c）無石英蓋板的模型；（d）帶石英蓋板的模型。Fig.2 Structure diagram of top view（a），bottom view（b）. Structural model without quartz glass（c），with quartz glass（d）.

2.2 材料與設(shè)備

有機(jī)封裝的灌封材料選用氟樹脂和有機(jī)硅，氟樹脂在275 nm 波長的透光率大約為97%，有機(jī)硅類材料的透光率大約為85%，石英玻璃透光率大約為95%[15,19]，有機(jī)封裝的樣品選用氟樹脂和有機(jī)硅灌封；半無機(jī)封裝的樣品選用石英玻璃作為密封蓋板，硅膠作為密封劑。

半無機(jī)封裝采用基底預(yù)熱、陣列點(diǎn)膠的封裝技術(shù)制備。圖3 是預(yù)加熱處理、陣列點(diǎn)膠封裝技術(shù)原理示意圖。首先將封裝載體固定在加熱板上進(jìn)行預(yù)熱處理;然后待圍壩的溫度穩(wěn)定后，使用點(diǎn)膠頭將膠滴以陣列分布的形式點(diǎn)涂在圍壩的臺(tái)階上，膠滴在臺(tái)階加熱下實(shí)現(xiàn)微固化，按壓石英蓋板，使石英蓋板與圍壩臺(tái)階貼合密封; 最后將樣品放置在100 ℃烤箱中烘烤1 h 后，轉(zhuǎn)入150 ℃的烤箱烘烤3 h。

圖3 基底預(yù)加熱、陣列點(diǎn)膠的深紫外LED 封裝技術(shù)原理。Fig.3 Schematic illustration of the DUV-LED packaged by substrate pre-heating with array dispensing

固晶和點(diǎn)膠設(shè)備選用新益昌公司的GS100BHPAL 型固晶機(jī)；固晶回流選用Falcon 5C 型氮?dú)饣亓鳡t；固齊納選用ASM 焊線。深紫外LED 封裝的光電性能測試選用遠(yuǎn)方PCE-2000UV 型紫外測試系統(tǒng)。

2.3 樣品可靠性測試

樣品的可靠性測試包括：真空紅墨水測試和加速老化測試。真空紅墨水測試用于檢驗(yàn)不同預(yù)熱溫度下石英玻璃蓋板和圍壩貼合度。測試時(shí)將樣品浸泡在紅墨水中，放置在密閉的容器內(nèi)，抽干容器內(nèi)的空氣，觀察樣品封裝內(nèi)腔的紅墨水滲入情況，用紅墨水滲入率表征樣品的不良率。為了進(jìn)一步驗(yàn)證通過預(yù)熱處理、陣列點(diǎn)膠封裝的深紫外LED 的可靠性，分別進(jìn)行高溫老化實(shí)驗(yàn)（環(huán)境溫度60 ℃）和高溫高濕老化實(shí)驗(yàn)（環(huán)境溫度60 ℃，相對環(huán)境濕度90%），樣品老化過程均在烤箱中進(jìn)行，老化電流為100 mA，共老化3 000 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品的外觀

圖4 為有機(jī)封裝和半無機(jī)封裝的外觀圖。圖4（a）為鍍銅圍壩的側(cè)視圖；圖4（b）為圍壩臺(tái)階的正視圖；圖4（c）是通過基底預(yù)熱、陣列點(diǎn)膠封裝技術(shù)制備的半無機(jī)封裝樣品；圖4（d）是有機(jī)封裝樣品，封裝載體與半無機(jī)封裝保持一致。

圖4 （a）圍壩側(cè)面外觀；（b）圍壩臺(tái)階；（c）半無機(jī)封裝樣品；（d）有機(jī)封裝樣品。Fig.4 Pictures of the sectional view of dam（a），the step of dam（b）. （c）Semi-inorganic packaging. （d）Organic packaging.

3.2 基底預(yù)熱溫度

半無機(jī)封裝樣品在不同基底預(yù)熱溫度對應(yīng)的不良率如圖5 所示。樣品的不良率（Not given ratio, NG ratio）用紅墨水滲入率表征?；最A(yù)熱溫度為60，80，100，120 ℃對應(yīng)的不良率為61.5%、18%、0%、74.4%。圖6（a）是紅墨水滲入封裝內(nèi)腔的外觀；預(yù)熱溫度為100 ℃時(shí)石英玻璃與圍壩臺(tái)階貼合度如圖6（b）所示，貼合度良好，并無氣道產(chǎn)生；預(yù)熱溫度高于100 ℃和低于100 ℃時(shí)產(chǎn)生的氣道分別如圖6（c）、（d）所示。由實(shí)驗(yàn)可知，最佳預(yù)熱溫度為100 ℃，在最佳溫度下石英玻璃與臺(tái)階的貼合度最優(yōu)，不易產(chǎn)生氣道。預(yù)熱溫度低于最佳溫度時(shí)，密封膠無法微固化，在臺(tái)階處具有流動(dòng)性，在烘烤時(shí)易產(chǎn)生氣道；預(yù)熱溫度高于最佳溫度時(shí)，在放置石英玻璃前密封膠就已完全固化。

圖5 不同基底預(yù)熱溫度與樣品不良率的關(guān)系Fig.5 Relationship between different substrate preheating temperatures and the adverse rate of samples

圖6 （a）紅墨水滲入內(nèi)腔的外觀；（b）100 ℃預(yù)熱溫度時(shí)石英玻璃與臺(tái)階貼合度；（c）預(yù)熱溫度高于100 ℃時(shí)形成氣道；（d）預(yù)熱溫度低于100 ℃時(shí)形成氣道。Fig.6 （a）Appearance of red ink bleed. Airway generation at 100 ℃（b），greater than 100 ℃（c） and less than 100 ℃（d）.

基底預(yù)熱處理是陣列點(diǎn)膠的前置條件，在整個(gè)預(yù)熱過程中，圍壩內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生氣壓差，使石英片緊貼臺(tái)階。優(yōu)化后的預(yù)熱溫度可以讓圍壩臺(tái)階的密封膠達(dá)到最佳的微固化狀態(tài)，不易產(chǎn)生氣道?；宓撞績蓚?cè)的銅盤與加熱板直接接觸，通過熱傳導(dǎo)提高圍壩的溫度，基板底部的中間銅盤不與加熱板接觸，從而減少在封裝過程中高溫對芯片的影響。圖7 為預(yù)熱處理過程中深紫外LED 封裝載體不同區(qū)域的相對溫度變化。預(yù)熱溫度穩(wěn)定后，芯片區(qū)域的相對溫度要低于其他兩個(gè)區(qū)域的溫度，圍壩的相對溫度接近加熱板的溫度。

圖7 基底預(yù)熱時(shí)封裝載體不同區(qū)域的相對穩(wěn)定溫度Fig.7 Relative temperature of different regions of the encapsulation carrier under substrate preheating

3.3 陣列點(diǎn)膠

在圍壩臺(tái)階處采用陣列點(diǎn)膠工藝，膠滴分布如圖8 所示。通過改變膠滴數(shù)量優(yōu)化陣列點(diǎn)膠的工藝，優(yōu)化膠滴數(shù)量分別為12，14，16。用不同膠滴數(shù)封裝的深紫外LED 良率如表1 所示。點(diǎn)膠數(shù)為12 時(shí)，樣品不良率為10%；點(diǎn)膠數(shù)為14 時(shí)，不良率為0%；點(diǎn)膠數(shù)為16 時(shí)，不良率為20%。膠滴數(shù)為12 時(shí)，膠滴間距過大，石英玻璃封蓋后形成氣道；膠滴數(shù)為16 時(shí)，膠滴間距過小，微固化時(shí)會(huì)發(fā)生膠滴間粘合，使部分膠滴尺寸增大，臺(tái)階處存在未粘合的膠滴，膠滴間尺寸不均勻，從而形成氣道。實(shí)驗(yàn)表明，陣列點(diǎn)膠工藝在膠滴數(shù)目為14時(shí)，樣品封裝的氣密性最好。且該樣品的氦氣漏率大約為（1.8～3.2）×10-3Pa·cm3∕s，電子密封氦氣漏率的標(biāo)準(zhǔn)是5.0 ×10-3Pa·cm3∕s 以內(nèi)，市場上的深紫外產(chǎn)品的氦氣漏率大約1.0 ×10-3Pa·cm3∕s。對比可知，樣品的氣密性滿足元器件氣密性的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 不同點(diǎn)膠工藝和對應(yīng)深紫外LED 樣品的不良率Tab.1 Different dispensing processes and NG ratio of DUVLEDs

圖8 點(diǎn)膠數(shù)示意圖：（a）12 點(diǎn)；（b）14 點(diǎn)；（c）16 點(diǎn)。Fig.8 Schematic diagram of dispensing quantity for 12（a），14 （b） and 16（c）.

3.4 光電特性和老化分析

圖9 是通過基底預(yù)熱處理、陣列點(diǎn)膠封裝技術(shù)制備出的深紫外LED 的發(fā)射光譜和頂部視圖。由圖可知，樣品在100 mA 電流驅(qū)動(dòng)下的峰值輸出波長為275 nm，半峰寬是11 nm。圖10 是有機(jī)封裝和半無機(jī)封裝的深紫外LED 的光功率和光電轉(zhuǎn)換效率。兩種封裝均選用鍍銅圍壩的封裝載體，有機(jī)封裝的灌封材料為氟樹脂和有機(jī)硅。在100 mA 驅(qū)動(dòng)電流下，氟樹脂灌封的樣品的輸出光功率為19.4 mW；硅膠灌封的樣品為16.1 mW；半無機(jī)封裝的輸出光功率為15.7 mW。光電轉(zhuǎn)換效率（Wall plug efficiency,WPE）分別為3.28%、2.8%、2.7%。深紫外光電轉(zhuǎn)換效率公式如下：

圖9 光譜強(qiáng)度Fig.9 Spectrum of DUV-LEDs

圖10 不同密封材料的深紫外LED 的輸出光效和轉(zhuǎn)換效率Fig.10 Light output power and WPE of DUV-LED packaged by different sealing material under a driving current of 100 mA

Pout是輸出光功率，Pin是輸入功率，其中輸入電流I= 100 mA，輸入電壓為V= 6 V。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氟樹脂封裝的光功率最高，硅膠封裝與半無機(jī)封裝的光功率接近。有機(jī)封裝所用的有機(jī)灌封材料在高能量紫外光照射下發(fā)生共價(jià)鍵斷裂，密封體會(huì)干裂分解；而石英玻璃屬于無機(jī)材料，不會(huì)被深紫外光分解。制備半無機(jī)封裝樣品所用的密封膠為硅膠類，本文所提出的半無機(jī)封裝技術(shù)是將膠滴點(diǎn)涂在臺(tái)階處，避免了深紫外光直接照射。

為進(jìn)一步驗(yàn)證通過基底預(yù)熱、陣列點(diǎn)膠技術(shù)封裝的深紫外LED 的可靠性，對樣品進(jìn)行加速老化測試。在3 000 h 老化過程中，樣品的相對光衰如圖11 所示。在60 ℃環(huán)境下老化3 000 h 后，輸出光功率維持在88%，相比老化前，輸出光功率降低了12%；在環(huán)境溫度為60 ℃、相對濕度90%條件下，樣品相對輸出光功率為84%，相比老化前，光功率降低了16%。而硅膠灌封的深紫外LED在高溫老化1 000 h 后[11]，光功率衰減了40%，而且硅膠表面出現(xiàn)裂化；氟樹脂灌封的深紫外LED[19]在高溫老化600 h 后光功率衰減約15%。與有機(jī)封裝對比可知，通過預(yù)熱處理、陣列點(diǎn)膠的半無機(jī)封裝樣品的可靠性優(yōu)于有機(jī)封裝，在3 000 h 高溫高濕環(huán)境下，光功率大約維持在84%；而有機(jī)硅灌封的深紫外LED 的光功率在短時(shí)間高溫下只能維持60%，氟樹脂灌封的光功率則僅在600 h 光功率就降低到85%。深紫外LED 在100 h 老化過程中，光功率快速衰減了10%左右，光衰主要受深紫外LED 芯片的空穴注入、電子泄露[20-21]以及封裝的影響。若封裝樣品氣密性差，長時(shí)間高溫高濕老化過程中光功率會(huì)衰減100%。

圖11 不同老化條件下樣品的相對輸出光功率Fig.11 Relative light output power of the sample under different aging tests

4 結(jié) 論

本文提出了基底預(yù)熱處理、陣列點(diǎn)膠的深紫外LED 封裝方法，分別對封裝載體和密封材料進(jìn)行了研究。在陶瓷基板上電鍍銅形成圍壩，在圍壩出口處設(shè)計(jì)臺(tái)階，限制石英玻璃的移動(dòng)位置；優(yōu)化陣列點(diǎn)膠工藝，采用膠滴數(shù)量為14 的點(diǎn)膠方式。通過該封裝技術(shù)制備出的樣品進(jìn)行真空紅墨水測試，良率達(dá)到100%，實(shí)驗(yàn)表明該封裝的氣密性較好。在3 000 h 高溫高濕老化實(shí)驗(yàn)中，該封裝樣品光衰率保持在20%以內(nèi)?；最A(yù)熱并結(jié)合陣列點(diǎn)膠的深紫外LED 封裝技術(shù)有望成為改善深紫外LED 器件封裝和提高氣密性的一種方法。

本文專家審稿意見及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http:∕∕cjl. lightpublishing. cn∕thesisDetails#10.37188∕CJL.20230156.