華中科技大學(xué)陳明祥：紫外/深紫外LED封裝技術(shù)研發(fā)

當(dāng)前，新型冠狀病毒仍在持續(xù)，對產(chǎn)業(yè)及企業(yè)造成了一定程度的影響，也牽動(dòng)著各行各業(yè)人們的心。在此形勢下，中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)、極智頭條，在國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟指導(dǎo)下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業(yè)解答疑惑。助力我們LED照明企業(yè)和產(chǎn)業(yè)共克時(shí)艱！

本期，我們邀請到華中科技大學(xué)教授陳明祥帶來了“紫外／深紫外 LED 封裝技術(shù)研發(fā)”的精彩主題分享，以下為主要內(nèi)容：

一、電子封裝技術(shù)

1．電子封裝：從芯片到器件或系統(tǒng)的工藝過程

電子封裝主要功能

（1）機(jī)械保護(hù)：機(jī)械支撐與保護(hù)、防潮／防塵／防振等（氣密封裝）

（2）電互連：供電、信號傳輸與控制

（3）散熱：功率器件（LED／LD／CPV等）、三維集成、高溫環(huán)境等

（4）導(dǎo)光結(jié)構(gòu)：降低光損，提高光效

主要技術(shù)難點(diǎn)包括：多種材料，不同工藝，有限空間，實(shí)現(xiàn)特定功能、可靠性與成本。

電子封裝技術(shù)發(fā)展

（1）分立器件封裝：少引腳，金屬或陶瓷封裝，如 TO 封裝。

（2）集成電路（IC）封裝：多引腳，低功率，塑料封裝，低成本。

（3）傳感器封裝（MEMS）：小尺寸、多品種、氣密封裝。

（4）光電器件封裝（LD／LED／PV等）：光電轉(zhuǎn)換、功率器件、散熱、出光等。

（5）電力電子器件封裝（IGBT等）：大功率器件：大電流、散熱、可靠性。

發(fā)展趨勢主要為：小型化、集成化、多功能化。

二、白光LED封裝技術(shù)

1．LED 封裝： 從LED芯片到燈具的全工藝過程，發(fā)揮著承上啟下的作用

（1）光學(xué)方面： 提高光效與質(zhì)量（光色、均勻性等）；

（2）熱學(xué)方面： 散熱，提高性能與使用壽命；

（3）電學(xué)方面： 電源驅(qū)動(dòng)與智能控制；

（4）機(jī)械支撐與保護(hù)（可靠性）。

重點(diǎn)：需要少發(fā)熱，多發(fā)光；協(xié)同設(shè)計(jì)（Co－design）；DFX（Design for X），高品質(zhì)、可制造性（工藝）、可靠性、成本（30－60％）。

2．白光LED封裝技術(shù)難題

（1）多種材料（半導(dǎo)體、金屬、高分子、陶瓷等）；

（2）多步工藝（固晶、焊線、涂膠、安裝透鏡、固化等）；

（3）多表面／界面（熱學(xué)界面、光學(xué)界面）；

（4）多能域耦合（光、熱、電、力學(xué)和化學(xué)等）；

（5）多目標(biāo)優(yōu)化（低熱阻、高光效、高品質(zhì)、高可靠與低成本等）；

3．白光LED封裝技術(shù)–出 光

光學(xué)設(shè)計(jì)：通過材料／結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高光效、光形、均勻性與光色（全光譜）

4．白光LED封裝技術(shù)–散熱

熱學(xué)設(shè)計(jì)：散熱直接影響 LED 器件性能，包括光強(qiáng)、光效、光色、可靠性與成本等．

（1）設(shè)計(jì)：系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)（降低系統(tǒng)熱阻）

（2）結(jié)構(gòu)：減少熱界面數(shù)

（3）材料：高導(dǎo)熱基板與貼片（固晶）材料

（4）工藝：降低界面熱阻

封裝基板

功能：

（1）機(jī)械支撐（承載）

（2）電互連（絕緣）

（3）散熱（功率器件）

材料

（1）高分子（FR4 等）

（2）金屬（Al、Cu 等）

（3）陶瓷（Al2O3、AlN 等）

存在問題：

（1）線路精度差（線寬／線距大于100um），無法實(shí)現(xiàn)小型化；

（2）不能垂直互連，系統(tǒng)集成度差；

（3）新應(yīng)用需求：功率器件（第三代半導(dǎo)體）、惡劣環(huán)境（高溫高濕等）等；

（4）市場需要開發(fā)一種高性能（高精度、垂直互連等）、低成本、真正的陶瓷電路板；

電鍍陶瓷基板 DPC（Direct Plating Ceramic）

（1）陶瓷材料優(yōu)點(diǎn)：高導(dǎo)熱、耐熱、絕緣、抗腐蝕、抗輻射等；

（2）半導(dǎo)體微加工技術(shù)，圖形精度高（線寬／線距可小于50 um），小型化；

（3）激光打孔＋ 電鍍填孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)，滿足集成化封裝需求；

（4）表面金屬層厚度可控（10－500um），滿足大電流傳輸及散熱需求；

（5）低溫制備工藝（300℃以下），避免了高溫不利影響，降低制造成本；

DPC 基板技術(shù)起源于臺灣，滿足 LED 封裝需求，通過產(chǎn)學(xué)研合作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化（量產(chǎn)工藝 ＋ 定制設(shè)備 ＋ 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)）。

（1）優(yōu)化濺射鍍膜工藝，提高金屬／陶瓷結(jié)合強(qiáng)度；

（2）陶瓷通孔（60－120um）電鍍技術(shù)，提高成品率；

（3）DPC 基板專用設(shè)備與夾具（陶瓷基板脆、薄、小尺寸等）；

（4）DPC 基板檢測技術(shù)與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

5．白光 LED 封裝技術(shù)－ 可靠性

可靠性設(shè)計(jì)、測試與評估、失效分析

（1）LED 器件失效結(jié)果：光衰、光滅、機(jī)械損壞等；

（2）LED 器件失效原因：芯片、封裝材料與工藝、電源、使用不當(dāng)、環(huán)境等；

（3）熱失效是 LED 器件失效主要原因；

三、近紫外LED 封裝技術(shù)

紫外光（UV）波長分布

封裝材料：基板材料與透鏡材料

基板材料，包括金屬基板：鋁 237 W／m．K，銅 400 W／m．K，陶瓷基板：Al₂O₃ 20－30 W／m．K， AlN 160－200 W／m．K。

透鏡材料：硅膠／石英玻璃等（透光率、折射率、抗紫外老化等。

封裝結(jié)構(gòu)與工藝

封裝技術(shù)特點(diǎn)

（1）可采用白光LED封裝技術(shù)；

（2）可使用有機(jī)封裝材料（抗紫外透鏡材料和粘接材料）；

（3）可靠性問題：材料老化、器件失效等；

對于近紫外LED封裝，有機(jī)材料能滿足器件性能需求，但不利于在高溫、高濕等惡劣環(huán)境下使用。

四、深紫外 LED 封裝技術(shù)

1．深紫外 LED 封裝技術(shù)

深紫外 LED 器件通常是指＜300 nm。

禁止使用有機(jī)材料

有機(jī)硅膠中羧基（－COOH）等化學(xué)鍵在深紫外光照射下發(fā)生光解現(xiàn)象，導(dǎo)致硅膠變質(zhì)。

（1）出光材料（透鏡，導(dǎo)光材料）；

（2）粘接材料（非光路？）；

實(shí)現(xiàn)氣密封裝

（1）水蒸汽等滲透到LED芯片表面，影響器件性能與可靠性；

（2）深紫外線與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生臭氧，影響出光效率？；

（3）氣密封裝材料：玻璃、陶瓷、金屬等；

2．深紫外 LED全無機(jī)氣密封裝

（1）散熱：陶瓷基板（含腔體、高導(dǎo)熱）；

（2）出光：石英玻璃蓋板（高光效）；

（3）焊接：金屬焊料（高強(qiáng)度）；

（4）可靠性：氣密封裝。

3．深紫外 LED 封裝關(guān)鍵技術(shù)

（1）準(zhǔn)三維陶瓷基板制備：高熱導(dǎo)率；含圍壩結(jié)構(gòu)（腔體）。

（2）低溫氣密焊接：氣密焊接（石英蓋板／陶瓷基板間高強(qiáng)度焊接，避免濕氣、氧氣等影響）；低溫焊接（避免芯片熱損傷）。

（3）提高光效：降低玻璃蓋板表面光反射，提高出光效率。

關(guān)鍵技術(shù) 1 – 準(zhǔn)三維陶瓷基板制備

準(zhǔn)三維陶瓷基板制備技術(shù)（1）

1．LTCC／HTCC 基板：絲網(wǎng)印刷 ＋ 多層堆疊 ＋ 燒結(jié)。

（1）陶瓷圍壩（腔體）；

（2）金屬線路精度差；

（3）熱導(dǎo)率低，成本高；

（4）可采用平行縫焊技術(shù)。

2．EPC 陶瓷基板（臺灣陽升），EPC 基板 ＝ 厚膜陶瓷基板 ＋ 圍壩。

（1）陶瓷圍壩（高溫?zé)Y(jié)）；

（2）線路層精度差（絲網(wǎng)印刷）；

（3）成本較高；

準(zhǔn)三維陶瓷基板制備技術(shù)（2）

5DPC 基板 ＝ DPC 基板 ＋ 圍壩。

粘結(jié)型準(zhǔn)三維陶瓷基板

（1）金屬或陶瓷圍壩；

（2）有機(jī)膠粘接：耐熱性差；

（3）無機(jī)膠粘接；

電鍍圍壩 DPC 陶瓷基板

（1）金屬圍壩（電鍍銅層 500－700um）；

（2）熱導(dǎo)率高、圖形精度高；

（3）基板易翹曲（厚銅層）；

（4）成本較高；

準(zhǔn)三維陶瓷基板制備技術(shù)（3）

免燒陶瓷圍壩準(zhǔn)三維基板（武漢利之達(dá)）。

具備DPC基板優(yōu)點(diǎn)、材料／工藝成本低、圍壩高度可調(diào)、低翹曲。

關(guān)鍵技術(shù) 2 － 低溫氣密焊接

整體加熱焊接技術(shù)

（1）高溫對 LED 芯片熱損傷；

（2）高溫影響固晶質(zhì)量；

局部加熱焊接技術(shù)

異質(zhì)集成技術(shù)（低溫）

金屬 － 陶瓷；金屬 － 半導(dǎo)體；玻璃 － 半導(dǎo)體；陶瓷 － 半導(dǎo)體；

物理鍵合（焊接）技術(shù)

高溫、高壓力、環(huán)境氣氛（真空或惰性氣體保護(hù)等）；

氣密性好，但工藝成本高，熱應(yīng)力大；

化學(xué)鍵合（粘接）技術(shù)

有機(jī)膠（502、AB 膠等）；

無機(jī)膠（水泥／免燒陶瓷）；

低溫封裝、應(yīng)力??；

成本低（無需金屬化）；

氣密性？；

關(guān)鍵技術(shù) 3 － 提高光效

提高出光效率 – 表面粗化

技術(shù)原理：玻璃表面微納結(jié)構(gòu)粗化，抑制反射損耗，提高出光效率。

提高出光效率 － 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

五、紫外 LED 封裝技術(shù)趨勢

1．強(qiáng)化封裝設(shè)計(jì)

（1）協(xié)同設(shè)計(jì)：芯片－封裝－應(yīng)用（CPA）協(xié)同設(shè)計(jì)；光－電－熱－成本（OETC）協(xié)同設(shè)計(jì)；

（2）不模擬，不上線：熱學(xué)、光學(xué)與力學(xué)模擬，為可靠性而設(shè)計(jì)；

（3）封裝技術(shù)要求：真空封裝？氣密封裝！準(zhǔn)氣密封裝！非氣密封裝？

（4）可靠性測試與評估：有效壽命？夠用就行？ 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)！

2．研發(fā)封裝新技術(shù)

（1）封裝材料：研發(fā)新型抗紫外材料，降低成本，提高可靠性

（2）封裝結(jié)構(gòu)：優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，提高出光效率

（3）封裝工藝：新型低溫或局部加熱焊接技術(shù)，提高可靠性

3．批量生產(chǎn)技術(shù)，降低成本

小結(jié)

（1）封裝是光電器件制造關(guān)鍵工藝，直接影響器件性能與成本；

（2）介紹了白光 LED、紫外／深紫外 LED 封裝技術(shù)發(fā)展；

（3）淺紫外LED可采用白光 LED封裝技術(shù)（材料／結(jié)構(gòu)／工藝）；

（4）深紫外 LED 必須采用全無機(jī)封裝；

（5）深紫外 LED在殺菌消毒領(lǐng)域大有作為（水體／空氣／表面等）；

（6）可靠性和成本是影響深紫外 LED器件應(yīng)用的主要因素；

（7）建立標(biāo)準(zhǔn)很重要，需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的通力合作；

團(tuán)隊(duì)簡介

華中科技大學(xué)，醫(yī)科、工科較強(qiáng)（機(jī)械、光電、電氣等），3 家上市公司，6 個(gè)駐外產(chǎn)業(yè)研究院。武漢光電國家研究中心，偏重光電應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，包括光通信、激光、光伏、半導(dǎo)體照明等。

課題組簡介

主要從事先進(jìn)電子封裝技術(shù)研發(fā)，近期研發(fā)內(nèi)容如下：

（1）先進(jìn)封裝材料：DPC／2．5DPC 基板、熒光玻璃（PiG）、納米焊膏等

（2）先進(jìn)封裝工藝：低溫鍵合（從物理鍵合到化學(xué)鍵合）、三維封裝等

（3）封裝技術(shù)應(yīng)用：高溫電子封裝（第三代半導(dǎo)體）、白光／深紫 LED封裝、激光器 LD 封裝、熱電制冷器 TEC 封裝等。

先后承擔(dān) 20 多項(xiàng)國家和省市級項(xiàng)目，獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等。

可產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)：書架（論文／專利） ＋ 貨架（產(chǎn)業(yè)化／商品）

經(jīng)費(fèi)支持：國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃；裝發(fā)預(yù)研基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金；湖北省技術(shù)創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、武漢科技成果轉(zhuǎn)化重大項(xiàng)目；武漢利之達(dá)科技有限公司（DPC 陶瓷基板）。

最后，也感謝極智課堂提供了一個(gè)良好平臺，讓我們有機(jī)會跟大家分享一下課題組近年來在紫外或深紫外LED封裝研發(fā)方面的一些成果。也希望可以更業(yè)界同仁更多交流。

問答環(huán)節(jié)

1．此次疫情對當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)及企業(yè)影響如何？

陳明祥：影響肯定是巨大的。非常時(shí)期，疫情是首先要解決的問題，然后可能是企業(yè)的生存和發(fā)展問題。相信當(dāng)?shù)卣蛧覍用嬉矔С之a(chǎn)業(yè)和企業(yè)發(fā)展。

2．藍(lán)寶石是否可以取代石英玻璃？

陳明祥：藍(lán)寶石能否取代出光蓋板上的石英蓋板，取決于兩方面，一是藍(lán)寶石的透光率，尤其是深紫外的波長范圍內(nèi)的透光率能否滿足要求。二是成本，藍(lán)寶石的成本目前不一定比石英玻璃便宜。

3．目前紫外采用錫膏固晶工藝，錫膏在和陶瓷支架焊接過程中空洞率如何管控？另外，深紫外芯片目前是倒裝芯片，倒裝芯片兩個(gè)焊盤之間的GAP大小對器件熱阻的影響有多大？反而言之，倒裝芯片的熱阻是否比垂直芯片還更高？

陳明祥：空洞率的問題，考慮到LED芯片本身的尺寸，比如大功率可能也就是一毫米乘一毫米，相對來說比較小，不太清楚影響有多大。據(jù)了解，對于IGBT行業(yè)，芯片都是幾毫米乘幾毫米，這部分影響會相當(dāng)嚴(yán)重，處理方法在這個(gè)錫膏涂覆過程中，會有一個(gè)抽真空的工藝，甚至是回流過程中取真空狀態(tài)，這樣可以降低回流過程焊料層的空洞率問題。

兩個(gè)焊盤之間的GAP大小對器件熱阻應(yīng)該還是有一些影響，芯片底面面積有限，GAP越大，實(shí)行有效熱傳導(dǎo)或者是電傳導(dǎo)的空間面積就會比較小，里面會存在熱的散熱瓶頸問題，會有影響。影響如何，目前沒有具體的數(shù)據(jù)。

3．深紫外LED能夠激發(fā)熒光粉嗎？封裝是不是完全不需要熒光粉了呢？

陳明祥：深紫外LED激發(fā)熒光粉如果是為了做白光，那么使用近紫外LED就足夠了，相對來說光色均勻性，色溫的選擇更有優(yōu)勢一些。如果要用深紫外激發(fā)熒光粉做白光，可能沒必要，深紫外LED的成本、效率可能不一定有優(yōu)勢。

4．日本名城大學(xué)的氟樹脂的深紫外封裝進(jìn)展如何？能夠比較穩(wěn)定嗎？

陳明祥：氟樹脂的優(yōu)勢是在深紫外波段上的透光率特別好，同時(shí)也能夠耐受耐紫外，優(yōu)勢很明顯。但是后續(xù)未看到相關(guān)報(bào)道，可能是一個(gè)大學(xué)發(fā)表的論文，這兩年也沒有進(jìn)行追蹤。

不過，這應(yīng)該是一個(gè)比較好的方向。目前用全無機(jī)封裝是因?yàn)楝F(xiàn)在一些有機(jī)材料難以耐受深紫外高能量的一些影響。如果氟樹脂能夠耐受，又有很高的透光率，成本方面不是過高，也是可以的。不過目前這部分市場有點(diǎn)小，如果這部分產(chǎn)業(yè)做起來，市場需求量大的話，也會是一個(gè)有效的解決方法。

6．目前研發(fā)的免燒陶瓷基板是否可以量產(chǎn)？仍存在什么問題？

陳明祥：準(zhǔn)確說應(yīng)該是免燒陶瓷圍壩，這部分我們應(yīng)該已經(jīng)完成了樣品的一些測試，包括耐熱性、粘接性，其中也有一些問題。項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了兩三年，目前在中試階段，也少量提供給一些企業(yè)進(jìn)行測試?，F(xiàn)在比較關(guān)注的是氣密性等問題，也包括一些可靠性測試。也希望和企業(yè)合作，封裝以后從器件層面進(jìn)行綜合評價(jià)。

7．請問UVC芯片封裝過程焊接有哪些方式，各自有什么優(yōu)勢與劣勢？

陳明祥：芯片焊接部分，據(jù)了解有兩類，一個(gè)是用焊膏的工藝實(shí)現(xiàn)貼片的過程。二是針對倒裝的高精度要求，一般是采用共晶技術(shù)，芯片本身必須要有精細(xì)的共晶層?；迳弦惨邢鄳?yīng)的金屬結(jié)構(gòu)兩者匹配。

所以要講究協(xié)同設(shè)計(jì)，做倒裝共晶工藝，共晶層可以做在基板的焊盤上面，也可以做在芯片的底部。從成本角度，做在芯片底部會是一個(gè)比較好的選擇，成本會低很多。要做這個(gè)工藝，必須對芯片提出要求，比如共晶層是什么材料？多少厚度？怎樣的工藝？然后針對基板來作要求滿足封裝要求。

8． 模擬和實(shí)驗(yàn)都很重要，如何平衡實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果存在的差異性？

陳明祥：剛才強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)工作、模擬工作的重要性，這里面有幾個(gè)前提條件，一是模擬過程中，數(shù)據(jù)的輸入必須是準(zhǔn)確的，必須保證，否則，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，模擬結(jié)果也是錯(cuò)誤的。二是現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展，對熱的模擬相對是比較準(zhǔn)確的，比如溫度分布等，應(yīng)力方面相對差一些。

不過，其重要的地方在于可以提供一些趨勢，比如哪些地方是溫度是最高的，哪些地方會存在很大的局部高應(yīng)力作用，然后在設(shè)計(jì)中，通過芯片的重新布局或者是一些電路圖的重新設(shè)計(jì)來降低局部的高溫點(diǎn)，從而緩解一些局部應(yīng)力，包括產(chǎn)生的一些翹區(qū)等。通過模擬可以發(fā)現(xiàn)趨勢，從而優(yōu)化我們的設(shè)計(jì)。

至于實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的差異性問題，個(gè)人認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是真實(shí)的，除非儀器讀數(shù)有錯(cuò)誤，如果模擬結(jié)果有差異，應(yīng)該從模擬來找原因，比如檢查模擬狀態(tài)如何，輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)來分析模擬的準(zhǔn)確性，把模型調(diào)整清晰之后，再選擇別的工藝材料來驗(yàn)證其他情況，也就是反復(fù)實(shí)驗(yàn)，模擬等來反復(fù)驗(yàn)證推動(dòng)工藝的優(yōu)化。

9．深紫外LED現(xiàn)在多數(shù)是作為分立器件來封裝，那么與其他分立器件進(jìn)行集成封裝是否是將來的趨勢？有哪些可能的方向？

陳明祥：個(gè)人認(rèn)為可能不會是一個(gè)方向。比如TO封裝，實(shí)際上體積非常大，很難滿足現(xiàn)在應(yīng)用的需求，比如集成化、小型化的要求。那種板級的封裝，從降低成本的角度，小型化、集成化都是可以滿足的。

（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減）