深紫外LED封装技术现状与展望

深紫外发光二极管（deep-ultraviolet light-emitting diode, DUV-LED）具有环保无汞、寿命长、功耗低、响应快、结构轻巧等诸多优势。近年来，深紫外LED技术取得了快速发展，主要体现在光效和可靠性不断提高，这一方面得益于芯片制造过程中氮化物材料外延和掺杂技术的进步，另一方面归功于深紫外LED封装技术的发展。但是与波长较长的近紫外和蓝光LED相比，深紫外LED的光效和可靠性仍有很大提升空间。

近日，华中科技大学彭洋博士、陈明祥教授和罗小兵教授在《发光学报》（EI、核心期刊）发表了题为 深紫外LED封装技术现状与展望 的综述文章。该综述重点对深紫外LED封装关键技术进行了系统分析，包括封装材料选择、封装结构设计、封装工艺优化、反射光损耗抑制以及有效热管理，同时从提高光效与器件可靠性角度阐述了深紫外LED封装的最新研究进展，并对后续技术发展进行了展望。

1 引言

深紫外LED在杀菌消毒、生化检测、医疗健康、隐秘通讯等领域具有重要应用价值。特别是在杀菌消毒领域，深紫外LED主要利用高能量紫外线照射微生物并破坏核酸结构，从而达到微生物灭活的目的。相对于传统杀菌消毒技术，深紫外LED具有杀菌效率高、适用性强、无化学污染物、操作简单等优点，可广泛应用于空气、水体和物体表面消杀。近期，随着新型冠状病毒（COVID-19）在全球范围内的传播，深紫外LED消毒被认为是一种有效消灭新型冠状病毒的方法，已用于公共场所、交通工具、个人防护等领域，为遏制新冠病毒传播提供了科技支撑。图1 深紫外LED消毒应用：(a)公共电梯；(b)飞机机舱；(c)个人防护。

对于深紫外LED而言，从生产设备、材料外延、芯片制造到封装都与近紫外和蓝光LED存在较大差异，且由于成本高、光效与可靠性偏低，远不能满足应用需求。其中用于杀菌消毒的深紫外LED（波长为265～280 nm）外量子效率不足5%，严重影响了深紫外LED的应用效能。随着深紫外LED发光波长逐渐缩短，高质量AlGaN材料外延和有效掺杂面临着技术挑战，同时也对器件封装技术提出了更高要求。

深紫外LED封装技术与目前白光LED封装技术有所不同。具体而言，白光LED主要采用有机材料（环氧树脂、硅胶等）进行封装，但由于深紫外光波长短且能量高，有机材料在长时间深紫外光辐射下会发生紫外降解，严重影响深紫外LED的光效和可靠性。为此，研究者提出了多种深紫外LED封装技术，主要包括早期TO封装技术、半无机封装技术和全无机封装技术。近年来，国内外研究者对深紫外LED封装技术进行了深入研究，从封装技术角度提高了深紫外LED的光效和可靠性，推动了深紫外LED技术发展。图2 深紫外LED封装产品：(a)TO封装；(b)半无机封装；(c)～(d)全无机封装。

2 深紫外LED封装关键技术

(1) 封装材料选择

出光材料：LED出光结构一般采用透明材料实现光输出和调节，同时对芯片和线路层起到保护作用。传统有机材料耐热性差、热导率低、存在紫外降解等问题，难以满足深紫外LED封装需求。近年来，业界尝试采用石英玻璃、蓝宝石等无机透明材料来封装深紫外LED。相较而言，石英玻璃的物化性能稳定，在深紫外波段具有高透过率（＞90%），且机械强度高、耐热性好、抗紫外线和气密性高，成为深紫外LED封装用透镜材料的有效选择。

散热基板材料：LED散热基板材料主要有树脂类、金属类和陶瓷类，其中树脂类和金属类基板均含有有机树脂绝缘层，这会降低散热基板的热导率，影响基板散热性能；而陶瓷类基板具有机械强度高、绝缘性好、导热性高、耐热性好、热膨胀系数小等诸多优势，是深紫外LED封装用散热基板的很好选择。

焊接键合材料：深紫外LED焊接材料包括芯片固晶材料和基板焊接材料，分别用于实现芯片、玻璃盖板（透镜）与陶瓷基板间焊接。倒装芯片常采用金锡共晶方式实现芯片固晶，强度高、界面质量好，且键合层热导率高，降低了LED热阻。玻璃盖板与陶瓷基板间常采用焊料来实现可靠键合，但需要同时在玻璃盖板和陶瓷基板表面制备金属层，以满足金属焊接需求。

(2) 封装结构设计

环境中的水蒸气等有害气体易对深紫外LED芯片和电路层造成破坏，影响其使用寿命及可靠性。为此，常采用含腔体的封装结构用于深紫外LED封装，主要包括TO封装和采用三维玻璃盖板或三维陶瓷基板的表面贴装封装结构。其中，备受业界关注的是三维陶瓷基板封装结构：将芯片贴装在三维陶瓷基板腔体（围坝）内的金属焊盘上，同时利用石英玻璃作为封装盖板，再将玻璃盖板与三维陶瓷基板键合（焊接），其关键在于三维陶瓷基板制备、玻璃盖板与陶瓷基板间的高强度键合。

(3) 封装工艺优化

深紫外LED封装工艺主要包括固晶、打线（或倒装共晶）和玻璃盖板焊接（键合）。其中，玻璃盖板键合是整个封装工艺的关键环节，由于芯片已贴装在基板腔体内，有必要采用低温焊接工艺实现玻璃盖板与三维陶瓷基板间可靠键合。目前主要有低熔点焊料键合和低温键合两种方式。为了提高封装效率，本课题组开发了深紫外LED板级封装技术，首先将多颗芯片分别贴装（固晶）在三维陶瓷基板各个围坝内，再利用板级焊接完成玻璃盖板与陶瓷基板间焊料键合，最后通过切割获得多颗深紫外LED。图3 深紫外LED全无机板级封装产品

(4) 反射光损耗抑制

在玻璃上、下表面存在菲涅尔反射损耗，同时在芯片上表面和侧面存在菲涅尔反射损耗和全反射损耗。为了提高深紫外LED光效，有必要采用一些方法来抑制反射损耗，包括用于抑制菲涅尔反射的薄膜涂层、纳米结构等，用于抑制全反射的半球形透镜、表面粗化、纳米颗粒掺杂封装层等。

(5) 结温和热管理

深紫外LED光效相对较低，为了满足应用需求，常采用多芯片集成封装形式来获得高光功率深紫外LED模组。但是，在追求高光功率密度的同时，单位面积热流密度更大，热量聚集造成深紫外LED结温升高。为此，可通过封装结构优化和有效热管理等方法来降低深紫外LED总热阻，包括共晶键合、氮化铝陶瓷基板、高导热固晶材料、被动散热（散热翅片等）和主动散热（风冷、水冷等），从而提高深紫外LED的散热性能和可靠性。

3 深紫外LED封装研究进展

评价深紫外LED性能好坏的主要指标有光效和可靠性，分别用于衡量深紫外LED光电转换效率和使用寿命。在提高光效方面，近年来研究者主要围绕半球形氟树脂透镜、表面粗化、纳米颗粒掺杂封装层等方面展开；在提高可靠性方面，研究者主要通过封装结构优化和有效热管理来强化深紫外LED散热性能，包括减少键合层空洞率和热阻、采用高导热氮化铝陶瓷基板、微流道水冷、热电制冷等方法。

4 展望

目前，深紫外LED技术取得了长足的发展，但是与近紫外和蓝光LED相比，深紫外LED仍面临光效低、可靠性差和成本高等问题，尚难以满足大规模应用需求。为了进一步提高深紫外LED光效和可靠性，深紫外LED封装技术仍有许多值得研究的方向，包括但不限于：

(1) 新型封装材料和封装结构探索。研发耐紫外光、高紫外透过率和低温固化的封装材料，研发高导热、高强度、低温键合高温服役的焊接材料，通过封装结构设计与优化手段开发高光提取和高散热的深紫外LED封装结构，从而提高深紫外LED器件光热性能。

(2) 高集成深紫外LED封装工艺开发。未来深紫外LED必然向着大规模、多芯片、集成化、低成本等方向发展，有必要开发高集成深紫外LED封装工艺来满足深紫外LED发展需求，包括芯片到晶圆（C2W）、晶圆到晶圆（W2W）等板级封装工艺。

(3) 深紫外LED封装协同设计强化。目前，深紫外LED技术的各个环节间相互独立，导致芯片设计、封装技术和器件应用间相互脱节，使得最终深紫外LED难以满足应用过程中的光学性能和可靠性需求。因此，有必要对深紫外LED芯片、封装和应用进行协同设计，在芯片设计、封装技术和器件应用这三个阶段间相互联系和反馈，并利用仿真模拟、可靠性测试等手段对封装性能进行优化分析，从而开发针对不同应用领域的深紫外LED器件。

作者简介

彭洋，博士，讲师，硕士研究生导师，2017年于华中科技大学获得博士学位，主要从事微纳制造与电子封装的研究。以第一或通讯作者身份发表SCI论文40余篇，含ESI高被引论文2篇、封面论文2篇以及综述2篇，谷歌学术引用700余次，H指数15；担任多个学术期刊和国际会议审稿人，并多次受邀参加国内外学术会议；申请国家发明专利10余项，其中授权6项；主持国家自然科学基金、博士后科学基金一等资助、中央高校自主创新基金项目等，参与国家重点研发计划、装备预研基金重点项目等。

陈明祥，博士，教授，博士研究生导师，广东省珠江学者讲座教授，2006年于华中科技大学获得博士学位，主要从事电子封装材料、技术与应用的研究。主持科研项目包括：国家自然科学基金、国家重点研发计划、科技部 863计划 与支撑计划、装备预研基金重点项目、广东省产学研合作重点项目、湖北省科技创新重点项目、武汉市科技成果转化重大项目等。先后培养博士/硕士研究生30余名，发表学术论文80余篇（其中SCI检索50篇），申请和授权发明专利20余项（其中多项通过专利许可或转让实现了产业化）。荣获国家技术发明二等奖、湖北省优秀硕士/学士学位论文（指导老师）、武汉东湖高新区 3551光谷人才计划 入选者等。

罗小兵，博士，教授，博士研究生导师，2002年于清华大学获得博士学位，国家杰出青年基金获得者，IEEE Fellow，国家万人计划科技创新领军人才。主要从事光电器件封装（LED及量子点）、极端热管理设计及器件、微泵等研究。先后获得国家教学成果奖二等奖、 IEEE封装协会杰出技术成就奖、国家技术发明二等奖、湖北省自然科学一等奖、教育部技术发明一等奖等。以第一作者或通讯作者发表SCI检索论文147篇，他引2 088次。以第一发明人授权中国发明专利45项，美国专利4项。出版英文专著和章节4部，出版中文专著1部，境外国际会议特邀报告12次。担任IEEE Transactions on Components， Packaging and Manufacturing Technology，ASME Journal of Electronic Packaging杂志Associate Editor，2019年美国阿纳海姆ASME InterPACK会议Vice General Chair，2018年美国旧金山ASME InterPACK会议Vice General Chair。研制成功国际领先的微型水力悬浮泵和超薄微泵并实现销售。