一種雙共晶新型UVC封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張日光，杜元寶,張耀華,柯 強(qiáng)

(1.寧波升譜光電股份有限公司， 浙江 寧波 315000；2.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所， 浙江 寧波 315201；3.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

引言

與傳統(tǒng)紫外光源相比，UV LED具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、功耗低和波長可選等諸多優(yōu)勢。按照發(fā)光波長的大小，UV LED可以分為長波紫外UVA(315～400 nm)、中波紫外UVB(280～315 nm)和短波紫外UVC(200～280 nm)。一般來說，發(fā)光波長大于300 nm的屬于淺紫外，小于300 nm的屬于深紫外。按照封裝方式與集成度的不同，UV LED又可分為分立式器件與集成模組。其中，集成模組可以分為COB(Chip On Board)和DOB(Device On Board)。COB是將多顆LED芯片直接焊接在一塊基板上，而DOB是先將LED芯片封裝在器件內(nèi)再將多個器件焊接在一塊基板上。

UV LED在應(yīng)用于印刷行業(yè)時(shí)同樣面臨各種挑戰(zhàn)，例如有機(jī)材質(zhì)暴露于UV能量下產(chǎn)生光降解[1]、UV固化油墨的過曝導(dǎo)致油墨表面過硬或曝光量不足導(dǎo)致粘結(jié)力不足[1]、有害物質(zhì)侵入U(xiǎn)V固化光源內(nèi)部導(dǎo)致光源失效、UV固化光源與UV固化油墨的波段匹配、UV固化光源的出光均勻性與出光效率和UV固化光源的壽命、穩(wěn)定性及可靠性等。目前，各LED封裝公司的封裝技術(shù)水平不同，市面上的UV LED光源種類較多且質(zhì)量參差不齊，這使得應(yīng)用端常因?yàn)楣庠闯霈F(xiàn)各種可靠性問題而蒙受損失。因此，本文分別從UV LED分立器件和UV LED集成模組兩個方面對UV LED在印刷行業(yè)應(yīng)用中的可靠性進(jìn)行了研究與論述[1-4]。

1 雙共晶新型UVC封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前主流的UVC封裝結(jié)構(gòu)是氮化鋁或氧化鋁陶瓷基板上電鍍一個銅杯，銅表面是沉金處理，然后上面蓋上一個石英玻璃做保護(hù)，如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是出光效率比較低，金在短波反射率并不高，吸光比較嚴(yán)重，如圖2所示。

圖1 目前主流UVC封裝Fig.1 Current mainstream UVC package

圖2 不同金屬材料反射率情況Fig.2 Reflectivity of different metal materials

其次，基板制程復(fù)雜，銅杯一次電鍍約60 μm，要滿足封裝杯深要求需要多次重復(fù)電鍍，產(chǎn)能很低。新雙共晶的新型UVC封裝結(jié)構(gòu)是利用金錫的不同比例的共晶點(diǎn)溫度不同的原理如圖3所示，當(dāng)Au/Sn=80/20，合金材料的共晶點(diǎn)溫度為282 ℃，當(dāng)Au/Sn=10/90，合金材料的共晶點(diǎn)溫度為217 ℃，基于此原理我們可以設(shè)計(jì)一款微型鋁的發(fā)光杯，反光杯杯底采用Au/Sn=80/20合金處理，倒裝LED共晶芯片電極采用Au/Sn=10/90合金材料處理，底部基板采用氧化鋁或氮化鋁陶瓷基板，表面處理采用DPC沉金的技術(shù)，表面平整度Ra<0.3 μm。基于這種新型雙共晶的UVC的封裝結(jié)構(gòu)的原理，我們首先要將鋁反光杯先進(jìn)行第一次的共晶，可以實(shí)現(xiàn)矩陣式共晶，有助于批量化產(chǎn)能的提升。共晶點(diǎn)溫度控制在283 ℃左右，實(shí)現(xiàn)鋁反光杯與基板的完美結(jié)合，然后是將芯片與基板共晶進(jìn)行第二次共晶，實(shí)現(xiàn)LED芯片與基板的完美結(jié)合，最后上面蓋上石英玻璃進(jìn)行保護(hù)，石英玻璃可以采用錫膏或共晶工藝進(jìn)行粘接，如圖4所示[5-7]。

圖3 不同金屬材料共晶點(diǎn)溫度Fig.3 Eutectic point temperature of different metal materials

圖4 雙共晶UVC封裝結(jié)構(gòu)Fig.4 Dual eutectic UVC packaging structure

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

目前市場上主流UVC封裝結(jié)構(gòu)是3535外形的結(jié)構(gòu)，我們選用主流的氮化鋁陶瓷基板上面長銅杯的主流結(jié)構(gòu)及新型雙共晶封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比測試，芯片選用30 mil倒裝共晶UVC芯片，芯片電流IF=150 mA，反向電流IR=5V，峰值波長λP=275 nm，Po=18 mW，基板氮化鋁3535氮化鋁DPC沉金工藝，將兩種封裝工藝的3535封裝的UVC器件放置在50 cm×50 cm×2 cm的散熱器上，主要對比兩種封裝結(jié)構(gòu)的出光效率及長時(shí)間老化的輻射功率的衰減情況，最后對比兩種封裝結(jié)構(gòu)器件在1～5 cm不同輻射距離下的輻射功率的衰減情況[8，9]。

圖5 兩種封裝結(jié)構(gòu)不同電流下的輻射功率值Fig.5 The radiant power values of the two packages with different current

從圖5可以看出，隨著輸入電流的增加，采用雙共晶的UVC封裝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品初始輻射功率高于主流UVC封裝結(jié)構(gòu)，這表明鋁反光杯可以有效提升UVC芯片的出光效率，鋁金屬材料在短波長的反射率明顯高于金金屬材料，接著將兩種封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行1 000 h常老化，環(huán)境溫度TA=25 ℃，IF=150 mA條件下，對比兩種封裝結(jié)構(gòu)的輻射功率衰減情況如圖6所示，可以看出，老化前雙共晶的UVC初始輻射通量高于主流UVC封裝結(jié)構(gòu)，隨著老化時(shí)間的增加兩種封裝結(jié)構(gòu)器件產(chǎn)品輻射功率都開始降低，雙共晶的UVC封裝結(jié)構(gòu)的器件產(chǎn)品輻射功率降低的趨勢比較平緩，1 000 h后輻射功率衰減約5%，主流UVC封裝結(jié)構(gòu)的輻射功率在194 h先是有一個上升階段，然后開始加快衰減，1 000 h衰減約5.5%，以上說明兩種UVC的封裝結(jié)構(gòu)散熱條件相同的情況下，輻射功率的衰減大致相當(dāng)，區(qū)別僅僅在于采用鋁反光杯可有效提高UVC的光的出光效率[10-14]。

圖6 兩種封裝結(jié)構(gòu)老化1 000 h輻射功率衰減情況Fig.6 The radiation power attenuation of two types structures of 1000 hours

如圖7所示，兩種封裝結(jié)構(gòu)的3535 UVC封裝器件在1～5 cm的照射下，隨著距離的增加，器件的輻射功率逐漸減少，但是雙共晶的封裝結(jié)構(gòu)輻射功率仍然優(yōu)于主流的封裝結(jié)構(gòu)，這主要還是得益于杯體的設(shè)計(jì)及反射鍍層材料的選擇。

圖7 兩種封裝結(jié)不同距離下輻射功率情況Fig.7 Radiation power of two types of encapsulation at different distances

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種雙共晶UVC封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效提高UVC封裝器件的出光效率，同時(shí)不影響器件的散熱。在50 cm×50 cm×2 cm的散熱器上，TA=25 ℃，將兩種封裝結(jié)構(gòu)的3535器件進(jìn)行老化1 000 h測試，兩種封裝結(jié)構(gòu)UVC輻射功率的衰減約5%，說明兩種器件的封裝結(jié)構(gòu)散熱能力基本一致。