一文揭秘UVC LED封装材料/工艺/技术难点和趋势

来自：LEDinside的雪球专栏  2021年4月12日

[文/LEDinside] 随着传统LED产业步入成熟饱和期，厂商先后调整发展战略，转而拓展汽车照明、植物照明、UV LED、IR LED等细分市场以及小间距、Mini/Micro LED等新型显示领域。其中，在UV LED领域，虽然不少厂商早有布局，但过去UV LED产品市场接受度不高，因此，UV LED产业一直处于起步发展阶段，尤其是技术难度和价格相对更高的UVC LED。

然而，自新型冠状病毒肺炎疫情在全球传播以来，消费者杀菌消毒意识迅速提高，防疫商机带动了UVC LED系列产品的需求激增，推动全球多方力量投入研发UVC LED技术，也催生了各种各样的产品，然而，这些产品是否都符合相关要求？

事实上，在选用可靠的UVC LED产品上需要考量诸多因素，比如：针对不同病毒和细菌，需要不同的剂量和照射时间，才能实现消毒杀菌效果。而从产品生产环节来看，从外延芯片到封装再到成品等各个环节都有很多考量因素。本次，LEDinside针对UVC LED封装环节，揭秘此环节所需材料、工艺、技术难题和发展趋势，以更好地了解UVC LED封装产品。

UVC LED封装形式、工艺、材料选用特殊性

目前，UVC LED封装有三种形式：有机封装，半无机封装（也称“近无机封装”）以及全无机封装。

有机封装采用硅胶、硅树脂或者环氧树脂等有机材料，主要包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等产品，整体技术比较成熟，但抗紫外性能还需要进一步提高。

半无机封装（也称“近无机封装”）采用有机硅材料搭配玻璃等无机材料。全无机封装则全程避开使用有机材料，通过激光焊、波峰焊、电阻焊等方式来实现透镜和基板的结合，完全减少有机材料带来的光衰问题以及湿热应力导致的失效问题，能准确有效提高UVC LED器件的稳定性和可靠性。

据了解，国星光电、奥创深紫、鸿利秉一，及华引芯等国内厂商均开发了全无机封装UVC LED产品。

目前半无机封装产品仍是国内市场主流，主要由带杯陶瓷支架和石英玻璃构成，通过在带杯陶瓷基板边缘区域涂覆抗紫外胶水来实现透镜的放置。具体来讲，即在杯顶或台阶处进行点胶，再盖上石英玻璃进行固化粘结。

在材料的选用上，UVC LED封装与一般LED有所不同。首先，选用石英玻璃是由于石英属于无机物，不会受紫外线的影响，且石英玻璃对于UVC波段的透过率高。其次，在散热基板方面，由于UVC LED光电转换效率低，大部分转换成热量，所以一般采用导热率高的氮化铝散热基板。此外，UVC对胶水具有坏作用，因此，粘结玻璃和支架的胶水在耐紫外性能上的要求亦比一般LED封装高。

另值得注意的是，有部分厂商采用氧化铝散热基板。氮化铝和氧化铝基板都属于陶瓷基板，两者主要区别在于：氮化铝的导热率比氧化铝高很多。其中，氮化铝导热率一般约为140W/mK-170W/mK，而氧化铝导热率仅30W/mK左右。

氧化铝陶瓷一般呈现白色，导热率低，通常用于低功率产品。然而，氧化铝陶瓷脆性较大，相较于氮化铝更容易碎裂，因此在划片切割过程中容易出现崩角现象。氮化铝陶瓷一般呈现灰黑色，具有高导热率，通常用于大功率产品。另外，市面上也存在掺杂碳粉的氧化铝陶瓷，同样呈现灰黑色，但导热率更低。

热管理与气密性影响UVC LED封装产品的品质

UVC LED封装产品的品质受热管理和气密性的影响，这两方面也是封装环节的技术难点。其中，热管理直接影响UVC LED封装产品的寿命，而气密性则很大程度决定其可靠性。

UVC LED对热敏感，其外量子效率（EQE）较低，仅小部分电能转换成光，而大部分电能都转换成热量，直接影响芯片的使用寿命。鉴于此，现阶段，很多产品以倒装芯片搭配高导热氮化铝基板的方案为主。氮化铝具有优异的导热性，能耐紫外线光源本身的老化，可满足UVC LED高热管理的需求。

除了材料，封装工艺也是热管理的影响因素。封装工艺主要体现在固晶技术上，包括银浆焊接、锡膏焊接和金锡共晶焊三种方式。

银浆焊接虽然结合力不错，但容易造成银迁移，导致器件失效。至于锡膏焊接，由于锡膏熔点仅220度左右，因此在器件贴片后，再次过炉会出现再融现象，芯片容易脱落失效，影响UVC LED可靠性。

金锡共晶焊主要通过助焊剂进行共晶焊接，能有效提升芯片与基板的结合强度和导热率，相比之下可靠性更高，有利于UVC LED的品质管控。因此，市面上多采用金锡共晶焊方式。

在焊接工艺中，主要涉及焊接空洞率问题。焊接空洞指LED芯片与基板焊接过程中形成的缺陷，在外形上呈现为空洞的状态，是影响散热的重要指标，焊接空洞率越低，散热效果越好，产品寿命越长，品质越好。

据了解，华引芯的无机封装技术采用惰性气体及还原气体混合保护环境下对芯片进行热压共晶焊接，进一步增加电连接效率，同时降低空洞率，稳定LED结温。

国星光电在共晶焊工艺技术方面的优势和特色非常突出，该公司具备10年的共晶技术沉淀，回流共晶空洞率基本控制在10%以内，大大低于市面上同类产品。据介绍，在降低焊接空洞率方面，该公司已形成了一套较为领先和完善的工艺技术。目前，其UVC LED产品总体空洞面积在10%以下，单颗最大空洞面积在2%以下，与市面同类产品空洞率15％-30%相比，散热效果极佳、产品寿命较长、产品品控更优。

在可靠性方面，封装形式是影响因素之一，但关键在于气密性。在半无机封装形式中，玻璃透镜和带杯陶瓷基板通过胶水连接会形成一个封闭腔。由于无法对封闭腔抽真空，当胶水热固化，腔体里面的空气容易受热膨胀外溢，形成气泡，严重情况下形成气通道。此时，外部水汽以及杂质可以通过气泡和气通道进入产品内部，对芯片和基板等材料造成污染，严重影响产品的气密性，从而影响出光及可靠性。

可见，气密性对于UVC LED封装品质的影响很大，工艺处理技术十分关键。值得一提的是，通过优化基板表面处理和持续的封装固化工艺研究，国星光电也已形成了一套完善的封装工艺方案，能够有效降低封闭腔空气，实现了UVC LED器件零气泡和零气通道。

UVC封装格局形态：半无机封装为主，全无机封装为辅

除了热管理和气密性，抗紫外能力也是UVC LED封装的技术难点之一。为提高产品的抗紫外性能，不少厂商加紧开发全无机封装产品。

例如，国星光电针对特殊产品开发出了高性价比的全无机UVC器件，成本优势明显。同时，该公司也正在与材料厂家共同开发抗UVC的氟树脂封装材料产品，产品具有耐高温、耐更大电流和抗UV辐射等特点。

晶能光电的UVC LED产品主打大功率陶瓷封装，采用陶瓷材料封装，产品散热性能佳。

鸿利智汇亦持续开展关于无机封装技术的研究，旨在开发设计高光功率、高可靠性、长寿命、高性价比的UVC LED产品。

在UVC LED封装未来发展趋势方面，国星光电认为，未来一两年内国内市场仍将以半无机封装为主，全无机封装为辅的格局形态，但随着有机材料抗紫外性能的提高和革新，氟树脂等有机封装将有可能重新占据一部分市场份额。

今年以来，UVC LED不同技术领域都实现了一定的突破，传递着产业正在蓬勃发展的信号。虽然，由于高成本和低光效等问题，目前UVC LED产品无法完全替换医疗用杀菌紫外汞灯。但国星光电认为，随着技术的进步，相信UVC LED很快就会慢慢进入这个市场。而且，由于体积小，设计简单，UVC LED目前在移动消杀和小空间杀菌领域相比汞灯，具有一定的优势。据LEDinside了解，从目前市场应用来看，UVC LED已经开始应用于表面杀菌 (携带性杀菌产品、杀菌灯、母婴产品)、水杀菌和空气净化等场所。

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