一文揭秘UVC LED封裝材料/工藝/技術難點和趨勢
隨著傳統LED產業步入成熟飽和期，廠商先后調整發展戰略，轉而拓展汽車照明、植物照明、UV LED、IR LED等細分市場以及小間距、Mini/Micro LED等新型顯示領域。其中，在UV LED領域，雖然不少廠商早有布局，但過去UV LED產品市場接受度不高，因此，UV LED產業一直處于起步發展階段，尤其是技術難度和價格相對更高的UVC LED。
然而，自新型冠狀病毒肺炎疫情在全球傳播以來，消費者殺菌消毒意識迅速提高，防疫商機帶動了UVC LED系列產品的需求激增，推動全球多方力量投入研發UVC LED技術，也催生了各種各樣的產品，然而，這些產品是否都符合相關要求？
事實上，在選用可靠的UVC LED產品上需要考量諸多因素，比如：針對不同病毒和細菌，需要不同的劑量和照射時間，才能實現消毒殺菌效果。而從產品生產環節來看，從外延芯片到封裝再到成品等各個環節都有很多考量因素。
UVC LED封裝形式、工藝、材料選用特殊性
目前，UVC LED封裝有三種形式：有機封裝，半無機封裝（也稱“近無機封裝”）以及全無機封裝。
有機封裝采用硅膠、硅樹脂或者環氧樹脂等有機材料，主要包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等產品，整體技術比較成熟，但抗紫外性能還需要進一步提高。
半無機封裝（也稱“近無機封裝”）采用有機硅材料搭配玻璃等無機材料。全無機封裝則全程避開使用有機材料，通過激光焊、波峰焊、電阻焊等方式來實現透鏡和基板的結合，完全減少有機材料帶來的光衰問題以及濕熱應力導致的失效問題，能準確有效提高UVC LED器件的穩定性和可靠性。
目前半無機封裝產品仍是國內市場主流，主要由帶杯陶瓷支架和石英玻璃構成，通過在帶杯陶瓷基板邊緣區域涂覆抗紫外膠水來實現透鏡的放置。具體來講，即在杯頂或臺階處進行點膠，再蓋上石英玻璃進行固化粘結。
在材料的選用上，UVC LED封裝與一般LED有所不同。首先，選用石英玻璃是由于石英屬于無機物，不會受紫外線的影響，且石英玻璃對于UVC波段的透過率高。其次，在散熱基板方面，由于UVC LED光電轉換效率低，大部分轉換成熱量，所以一般采用導熱率高的氮化鋁散熱基板。此外，UVC對膠水具有壞作用，因此，粘結玻璃和支架的膠水在耐紫外性能上的要求亦比一般LED封裝高。
另值得注意的是，有部分廠商采用氧化鋁散熱基板。氮化鋁和氧化鋁基板都屬于陶瓷基板，兩者主要區別在于：氮化鋁的導熱率比氧化鋁高很多。其中，氮化鋁導熱率一般約為140W/mK-170W/mK，而氧化鋁導熱率僅30W/mK左右。
氧化鋁陶瓷一般呈現白色，導熱率低，通常用于低功率產品。然而，氧化鋁陶瓷脆性較大，相較于氮化鋁更容易碎裂，因此在劃片切割過程中容易出現崩角現象。氮化鋁陶瓷一般呈現灰黑色，具有高導熱率，通常用于大功率產品。另外，市面上也存在摻雜碳粉的氧化鋁陶瓷，同樣呈現灰黑色，但導熱率更低。
熱管理與氣密性影響UVC LED封裝產品的品質
UVC LED封裝產品的品質受熱管理和氣密性的影響，這兩方面也是封裝環節的技術難點。其中，熱管理直接影響UVC LED封裝產品的壽命，而氣密性則很大程度決定其可靠性。
UVC LED對熱敏感，其外量子效率（EQE）較低，僅小部分電能轉換成光，而大部分電能都轉換成熱量，直接影響芯片的使用壽命。鑒于此，現階段，很多產品以倒裝芯片搭配高導熱氮化鋁基板的方案為主。氮化鋁具有優異的導熱性，能耐紫外線光源本身的老化，可滿足UVC LED高熱管理的需求。
除了材料，封裝工藝也是熱管理的影響因素。封裝工藝主要體現在固晶技術上，包括銀漿焊接、錫膏焊接和金錫共晶焊三種方式。
銀漿焊接雖然結合力不錯，但容易造成銀遷移，導致器件失效。至于錫膏焊接，由于錫膏熔點僅220度左右，因此在器件貼片后，再次過爐會出現再融現象，芯片容易脫落失效，影響UVC LED可靠性。
金錫共晶焊主要通過助焊劑進行共晶焊接，能有效提升芯片與基板的結合強度和導熱率，相比之下可靠性更高，有利于UVC LED的品質管控。因此，市面上多采用金錫共晶焊方式。
在焊接工藝中，主要涉及焊接空洞率問題。焊接空洞指LED芯片與基板焊接過程中形成的缺陷，在外形上呈現為空洞的狀態，是影響散熱的重要指標，焊接空洞率越低，散熱效果越好，產品壽命越長，品質越好。
在可靠性方面，封裝形式是影響因素之一，但關鍵在于氣密性。在半無機封裝形式中，玻璃透鏡和帶杯陶瓷基板通過膠水連接會形成一個封閉腔。由于無法對封閉腔抽真空，當膠水熱固化，腔體里面的空氣容易受熱膨脹外溢，形成氣泡，嚴重情況下形成氣通道。此時，外部水汽以及雜質可以通過氣泡和氣通道進入產品內部，對芯片和基板等材料造成污染，嚴重影響產品的氣密性，從而影響出光及可靠性。
可見，氣密性對于UVC LED封裝品質的影響很大，工藝處理技術十分關鍵。
UVC封裝格局形態：半無機封裝為主，全無機封裝為輔
除了熱管理和氣密性，抗紫外能力也是UVC LED封裝的技術難點之一。為提高產品的抗紫外性能，不少廠商加緊開發全無機封裝產品。
今年以來，UVC LED不同技術領域都實現了一定的突破，傳遞著產業正在蓬勃發展的信號。雖然，由于高成本和低光效等問題，目前UVC LED產品無法完全替換醫療用殺菌紫外汞燈。但隨著技術的進步，相信UVC LED很快就會慢慢進入這個市場。而且，由于體積小，設計簡單，UVC LED目前在移動消殺和小空間殺菌領域相比汞燈，具有一定的優勢。從目前市場應用來看，UVC LED已經開始應用于表面殺菌 (攜帶性殺菌產品、殺菌燈、母嬰產品)、水殺菌和空氣凈化等場所。（文：知乎——LED分析師Wong，LEDinside）
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