三種紫外LED封裝物料對比:誰最高效可靠?

　　紫外LED 具體積小、壽命長和效率高等優點，具有廣泛的應用前景。目前紫外LED 的發光功率不高，除了晶片製作水平的提高外，封裝技術對LED 的特性也有重要的影響。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/368134.htm

　　目前，紫外LED 主要有環氧樹脂封裝和金屬與玻璃透鏡封裝。前者主要應用於400 nm 左右的近紫外LED， 但紫外光對材料的老化影響較大。後者主要應用于波長小於380 nm 的紫外LED，由於GaN 和藍寶石折射率分別為2.4和1.76，而氣體折射率為1，較大的折射率差導致全反射對光的限制較為嚴重，封裝後出光效率低。

　　封裝材料是LED封裝技術的另一個重要方面。LED封裝材料主要有玻璃透鏡、環氧樹脂和矽樹脂等。石英玻璃軟化點溫度為1 600℃，熱加工溫度為1 700~2000℃，從工藝的角度，石英玻璃不適合用來密封LED晶片；環氧樹脂高溫耐熱性能一般，耐紫外光性能較差；矽樹脂是近幾年開始應用於LED 封裝的材料，目前國內對矽樹脂的透過率、耐熱和耐紫外光特性研究較少，特別是對於矽樹脂封裝紫外LED 的特性還缺乏研究。

　　本文立足于波長小於380 nm 的紫外LED 的封裝技術，對不同封裝材料的透過率、耐紫外光和耐熱性進行了對比，進而提出高出光效率、高可靠性的紫外LED封裝結構。

　　實驗

　　採用的紫外光LED 晶片峰值波長有395 和375 nm 2種，分別由在碳化矽和藍寶石襯底上外延生長GaN 製備而成。在20 mA 注入電流下，碳化矽和藍寶石襯底的L ED晶片工作電壓分別為3.8 和3.4 V。

　　研究了石英玻璃、環氧樹脂和矽樹脂具有代表性的5種不同型號的封裝材料。石英玻璃是厚度為2 mm 的JGS1 型材料；環氧樹脂A 和B 分別為雙酚A 型和脂環族環氧樹脂；矽樹脂A 和B 分別是彈性矽膠和樹脂型矽膠。

　　光功率和峰值波長系在杭州遠方公司PMS-50增強型紫外-可見-近紅外光譜分析系統上測量得到。光學透過率的測量系統如圖1 所示，單色儀為江蘇維信科技公司的CM200 型，燈源為天津拓普公司的GY-10高壓球形氙燈，信號採集和處理系統採用的是遠方公司的紫外-可見光分析系統。

　　

　　採用材料的光學透過率隨時間的變化來評估其熱穩定性。樣品厚度為2 mm，放置於烘箱中恆溫老化，溫度為150℃。

　　紫外LED封裝材料研究

　　1、材料光學透過率特性

　　

　　石英玻璃、矽樹脂和環氧樹脂的透過率如圖2 所示。矽樹脂和環氧樹脂先注入模具，高溫固化後脫模，形成厚度均勻為5 mm 的樣品。為了便於比較，根據Bouguer-Lam-bert 定律，把測量值都換算成mm-1厚度時的透過率。

　　可以看到，環氧樹脂在可見光範圍具有很高的透過率，某些波長的透過率甚至超過了95%，但環氧樹脂在紫外光範圍的吸收損耗較大，波長小於380nm 時，透過率迅速下降。矽樹脂在可見光範圍透過率接近92%，在紫外光範圍內要稍低一些，但在320nm時仍然高於88%，表現出很好的紫外光透射性質；石英玻璃在可見光和紫外光範圍的透過率都接近95%，是所有材料裡面紫外光透過率最高的。

　　對於紫外LED封裝，石英玻璃具有最高的透過率，矽樹脂次之，環氧樹脂較差。然而儘管石英玻璃紫外光透過率高，但是其熱加工溫度高，並不適用於LED芯區的密封，因此在LED封裝工藝中石英玻璃一般僅作為透鏡材料使用。由於石英玻璃的耐紫外光輻射和耐熱性能已經有很多報導，僅對常用於密封LED芯區的環氧樹脂和矽樹脂的耐紫外光輻射和耐熱性能進行研究。

　　2、耐紫外光特性

　　研究了環氧樹脂A和B 以及矽樹脂A和B 在封裝波長為395 nm 和375 nm 的LED晶片時的老化情況，如圖3所示。實驗中，每個LED的樹脂塗層厚度均為2 mm。

　　

　　可以看到，環氧樹脂材料耐紫外光輻射性能都較差，連續工作時，紫外LED輸出光功率迅速衰減，100h後輸出光功率均下降到初始的50% 以下；200h後，LED的輸出光功率已經非常微弱。對於脂環族的環氧樹脂B，在375nm 的紫外光照射下衰減比395nm 時要快，說明對紫外光波長較為敏感，由於375 nm 的紫外光光子能量較大，破壞也更為嚴重。

　　雙酚類的環氧樹脂A 在375nm和395nm的紫外光照射下都迅速衰減，衰減速度基本一致。儘管雙酚類的環氧樹脂A 在375nm和395nm 時的光透過率要略高於脂環族類的環氧樹脂B，但是由於環氧樹脂A含有苯環結構，因此在紫外光持續照射時，衰減要比環氧樹脂B 要快。測量老化前後LED晶片的光功率，發現老化後LED 的光功率基本上沒有衰減。

　　這說明，光功率的衰減主要是由紫外光對環氧樹脂的破壞引起的。環氧樹脂是高分子材料，在紫外線的照射下，高分子吸收紫外光子，紫外光子光子能量較大，能夠打開高分子間的鍵鏈。因此，在持續的紫外光照射下，環氧樹脂的主鏈慢慢被破壞，導致主鏈降解，發生了光降解反應，性質發生了變化。實驗表明，環氧樹脂不適合用于波長小於380 nm 的紫外LED晶片的封裝。

　　相對環氧樹脂，矽樹脂表現出了良好的耐紫外光特性。經過近1500h老化後，LED輸出光功率雖然有不同程度的衰減，但是仍維持在85%以上，衰減低於15%。這可能與矽樹脂和環氧樹脂間的結構差異有關。矽樹脂的主要結構包括Si 和O，主鏈Si-O-Si是無機的，而且具有較高的鍵能（422.5 kJ/mol） ；而環氧樹脂的主鏈主要是C-C或C-O，鍵能分別為356kJ/mol 和344.4 kJ/ mol。由於鍵能較高，矽樹脂的性能相對要穩定。因此，矽樹脂具有良好的耐紫外光特性。

　　3、耐熱性

　　LED 封裝對材料的耐熱性提出了更高的要求。從圖3可以看出，環氧樹脂B 和矽樹脂B 具有較好的承受紫外光輻照的能力。因此，對其熱穩定性進行了研究。圖4 表示這兩種材料在高溫老化後mm-1厚度時透過率隨時間的變化情況。可以看到，環氧樹脂的耐熱性較差，經過連續6days 的高溫老化後，各個波長的透過率都發生了較大的衰減，紫外光範圍的衰減尤其嚴重，環氧樹脂樣品顏色從最初的清澈透明變成了黃褐色。

　　

　　矽樹脂表現出了優異的耐熱性能。在150℃的高溫環境下，經過14 days 的老化後，可見光範圍的樣品mm-1厚度時透過率只有稍微的衰減，在紫外光範圍也僅有少量的衰減，顏色仍然保持著最初的清澈透明。與環氧樹脂不同，矽樹脂以Si-O-Si鍵為主鏈，由於Si-O鍵具有較高的鍵能和離子化傾向，因此具有優良的耐熱性。

　　高出光效率、高可靠性紫外LED封裝

　　根據實驗結果，結合矽樹脂和石英玻璃材料，提出了一種新的紫外LED封裝方法，如圖5所示。

　　

　　封裝結構共有3 層。裡層採用矽樹脂A 進行密封，因為矽樹脂A 的折射率為1.53，有利於充分提高LED 的提取效率，而且固化後為彈性矽膠，較低的機械強度有利於保護晶片和電極引線。中間層是矽樹脂B，作為石英玻璃透鏡和矽樹脂A 層間的過渡層，而且矽樹脂B 透過率較高，折射率為1.51；固化後硬度大、粘接性強，能很好地固定玻璃透鏡。外層是高透過率的JGS1型石英玻璃透鏡，折射率為1.46，用於光的導出，並形成一定的光場分布，其極高的紫外光透過率減少了光在激射過程中的損失。

　　在整個結構中，為了儘可能減少矽樹脂對紫外光的吸收損耗，樹脂層厚度都較薄。同時，折射率逐層遞減的3 層結構有利於減少光在傳播過程中的菲涅爾損耗。

　　下表給出了不同封裝結構的紫外LED封裝前後的光功率。

　　可以看到，在LED晶片峰值波長一樣、裸片功率相近的情況下，新封裝結構的紫外LED，出光功率提高了60%以上，出光效率是金屬與玻璃透鏡封裝的2.7倍。相對於環氧樹脂封裝的紫外LED，新封裝結構的紫外LED 出光效率要低，但是穩定性要遠好於環氧樹脂封裝的LED。老化實驗表明，環氧樹脂封裝的紫外LED發光功率在不到100h內已經衰減到50%以下。而新封裝結構的紫外LED 具有良好的穩定性，連續工作800h後發光功率依然維持在95%以上，發光功率衰減低於5%。

　　結論

　　矽樹脂比環氧樹脂具有更高的紫外光透過率、更優異的耐紫外光和耐熱特性，是密封紫外LED晶片很好的材料。設計了使用矽樹脂與石英玻璃透鏡封裝的紫外LED封裝方法。

　　新封裝結構的紫外LED出光效率是金屬外殼與玻璃透鏡封裝LED的2.7倍；同時具有良好的穩定性，連續工作800h，發光功率衰減低於5% 。

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