一种双共晶新型UVC封装结构设计

张日光，杜元宝,张耀华,柯 强

(1.宁波升谱光电股份有限公司， 浙江 宁波 315000；2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所， 浙江 宁波 315201；3.中国科学院大学， 北京 100049)

引言

与传统紫外光源相比，UV LED具有节能环保、寿命长、功耗低和波长可选等诸多优势。按照发光波长的大小，UV LED可以分为长波紫外UVA(315～400 nm)、中波紫外UVB(280～315 nm)和短波紫外UVC(200～280 nm)。一般来说，发光波长大于300 nm的属于浅紫外，小于300 nm的属于深紫外。按照封装方式与集成度的不同，UV LED又可分为分立式器件与集成模组。其中，集成模组可以分为COB(Chip On Board)和DOB(Device On Board)。COB是将多颗LED芯片直接焊接在一块基板上，而DOB是先将LED芯片封装在器件内再将多个器件焊接在一块基板上。

UV LED在应用于印刷行业时同样面临各种挑战，例如有机材质暴露于UV能量下产生光降解[1]、UV固化油墨的过曝导致油墨表面过硬或曝光量不足导致粘结力不足[1]、有害物质侵入UV固化光源内部导致光源失效、UV固化光源与UV固化油墨的波段匹配、UV固化光源的出光均匀性与出光效率和UV固化光源的寿命、稳定性及可靠性等。目前，各LED封装公司的封装技术水平不同，市面上的UV LED光源种类较多且质量参差不齐，这使得应用端常因为光源出现各种可靠性问题而蒙受损失。因此，本文分别从UV LED分立器件和UV LED集成模组两个方面对UV LED在印刷行业应用中的可靠性进行了研究与论述[1-4]。

1 双共晶新型UVC封装结构设计

目前主流的UVC封装结构是氮化铝或氧化铝陶瓷基板上电镀一个铜杯，铜表面是沉金处理，然后上面盖上一个石英玻璃做保护，如图1所示，这种结构缺点是出光效率比较低，金在短波反射率并不高，吸光比较严重，如图2所示。

图1 目前主流UVC封装Fig.1 Current mainstream UVC package

图2 不同金属材料反射率情况Fig.2 Reflectivity of different metal materials

其次，基板制程复杂，铜杯一次电镀约60 μm，要满足封装杯深要求需要多次重复电镀，产能很低。新双共晶的新型UVC封装结构是利用金锡的不同比例的共晶点温度不同的原理如图3所示，当Au/Sn=80/20，合金材料的共晶点温度为282 ℃，当Au/Sn=10/90，合金材料的共晶点温度为217 ℃，基于此原理我们可以设计一款微型铝的发光杯，反光杯杯底采用Au/Sn=80/20合金处理，倒装LED共晶芯片电极采用Au/Sn=10/90合金材料处理，底部基板采用氧化铝或氮化铝陶瓷基板，表面处理采用DPC沉金的技术，表面平整度Ra<0.3 μm。基于这种新型双共晶的UVC的封装结构的原理，我们首先要将铝反光杯先进行第一次的共晶，可以实现矩阵式共晶，有助于批量化产能的提升。共晶点温度控制在283 ℃左右，实现铝反光杯与基板的完美结合，然后是将芯片与基板共晶进行第二次共晶，实现LED芯片与基板的完美结合，最后上面盖上石英玻璃进行保护，石英玻璃可以采用锡膏或共晶工艺进行粘接，如图4所示[5-7]。

图3 不同金属材料共晶点温度Fig.3 Eutectic point temperature of different metal materials

图4 双共晶UVC封装结构Fig.4 Dual eutectic UVC packaging structure

2 实验设计与结果分析

目前市场上主流UVC封装结构是3535外形的结构，我们选用主流的氮化铝陶瓷基板上面长铜杯的主流结构及新型双共晶封装结构进行对比测试，芯片选用30 mil倒装共晶UVC芯片，芯片电流IF=150 mA，反向电流IR=5V，峰值波长λP=275 nm，Po=18 mW，基板氮化铝3535氮化铝DPC沉金工艺，将两种封装工艺的3535封装的UVC器件放置在50 cm×50 cm×2 cm的散热器上，主要对比两种封装结构的出光效率及长时间老化的辐射功率的衰减情况，最后对比两种封装结构器件在1～5 cm不同辐射距离下的辐射功率的衰减情况[8，9]。

图5 两种封装结构不同电流下的辐射功率值Fig.5 The radiant power values of the two packages with different current

从图5可以看出，随着输入电流的增加，采用双共晶的UVC封装结构的产品初始辐射功率高于主流UVC封装结构，这表明铝反光杯可以有效提升UVC芯片的出光效率，铝金属材料在短波长的反射率明显高于金金属材料，接着将两种封装结构进行1 000 h常老化，环境温度TA=25 ℃，IF=150 mA条件下，对比两种封装结构的辐射功率衰减情况如图6所示，可以看出，老化前双共晶的UVC初始辐射通量高于主流UVC封装结构，随着老化时间的增加两种封装结构器件产品辐射功率都开始降低，双共晶的UVC封装结构的器件产品辐射功率降低的趋势比较平缓，1 000 h后辐射功率衰减约5%，主流UVC封装结构的辐射功率在194 h先是有一个上升阶段，然后开始加快衰减，1 000 h衰减约5.5%，以上说明两种UVC的封装结构散热条件相同的情况下，辐射功率的衰减大致相当，区别仅仅在于采用铝反光杯可有效提高UVC的光的出光效率[10-14]。

图6 两种封装结构老化1 000 h辐射功率衰减情况Fig.6 The radiation power attenuation of two types structures of 1000 hours

如图7所示，两种封装结构的3535 UVC封装器件在1～5 cm的照射下，随着距离的增加，器件的辐射功率逐渐减少，但是双共晶的封装结构辐射功率仍然优于主流的封装结构，这主要还是得益于杯体的设计及反射镀层材料的选择。

图7 两种封装结不同距离下辐射功率情况Fig.7 Radiation power of two types of encapsulation at different distances

3 结论

本文设计了一种双共晶UVC封装结构，该结构可以有效提高UVC封装器件的出光效率，同时不影响器件的散热。在50 cm×50 cm×2 cm的散热器上，TA=25 ℃，将两种封装结构的3535器件进行老化1 000 h测试，两种封装结构UVC辐射功率的衰减约5%，说明两种器件的封装结构散热能力基本一致。