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瞄准UVC LED技术痛点,鸿利秉一全无机封装和固晶技术逐个击破

体积小、杀菌效率高、效果强、绿色环保······在防疫需求的催化下,UVC LED似乎一夜间声名鹊起。实际上,UVC

体积小、杀菌效率高、效果强、绿色环保······在防疫需求的催化下,UVC LED似乎一夜间声名鹊起。实际上,UVC LED发展至今已有多年,只不过由于技术不成熟,成本高企,其市场知名度一直不高。不过,今年的防疫商机无疑带动UVC LED以超预期的速度发展,也意味着UVC LED施展才能的时刻到了。但如果说UVC LED即将普及,则言之尚早。

从封装环节的角度来看,封装材料的选择、工艺的改善等仍是制约UVC LED大规模商用化的难题,具体涉及材料的抗紫外能力、产品的光电转换效率、散热性能、气密性等,而解决这些技术难题的目的就在于提高产品的光效和使用寿命,从而降低成本。

正如鸿利秉一研发经理任荣斌所言:“封装的目的在于多发点光,少发点热。半导体材料及芯片封装技术决定了目前UVC LED芯片的发光效率小于10%,而UVC LED芯片的封装结构基本决定了UVC LED器件的封装工艺。”任荣斌在集邦咨询2020 UVC LED产业研讨会上从UVC LED封装形式、结构、工艺以及水处理应用等方面发表了专业的演讲。

鸿利秉一研发经理任荣斌

UVC LED封装方式多样,全无机封装技术脱颖而出

常见的UVC封装形式包括Lamp、模造(Molding)、TO、玻璃粘胶平面、玻璃粘胶球头、玻璃陶瓷金属CMH全无机、COB等,总体可归为有机封装、半无机封装(也称“近无机封装”)以及全无机封装三种形式。

以半无机封装形式的TO封装为例,在玻璃材料的选择上,无论是K9玻璃还是石英玻璃,胶粘还是焊料,都很难平衡光透过率和抗紫外老化能力之间的关系。

从工艺角度看,基于使用胶粘方式难以保证抗老化性能和气密性,鸿利秉一正在考虑和尝试通过管座重新设计以简化封装结构,达到更好的效果。

事实上,此类半无机封装形式是眼下国内市场的主流,性价比高,工艺比较成熟,适于中低功率产品,如2mW、4mW。对于大功率产品,采用半无机封装技术存在掉透镜、二次回流异常(锡膏)风险等问题。

全无机封装(SMD)形式则全程避免使用有机材料,产品优势包含:气密性好,可靠性高,无须担心掉透镜、有机材料老化等问题;此外,全无机封装热阻低,可承载高电流密度。

鸿利秉一自主研发基于激光焊接工艺的全无机UVC LED封装流程(CMH封装技术),采用陶瓷基板、石英玻璃、助焊剂、玻璃盖板等材料,通过激光焊接的技术,实现透镜和基板的结合,极大降低有机材料带来的光衰问题以及湿热应力导致的失效问题,有效提高UVC LED器件的气密性和可靠性。

水净化应用三大难点,固晶工艺和全无机封装技术逐个击破

UVC LED光电转换效率低,大部分转换成热量,直接影响芯片的寿命。目前,市场上多数产品采用倒装芯片结构和高导热率的氮化铝陶瓷基板。倒装芯片结构对固晶工艺提出了很高的要求,而固晶工艺与热管理息息相关,对整个产品的可靠性产生很大的影响。

以水净化应用为例,任荣斌指出,UVC LED在水净化的应用上主要面临三个技术难点:光的导出、热的导出和LED的保护。

光的导出主要在于提高散热性能,并在光路材料的选择上考虑提高光透过率的问题。

热的导出与结构设计相关,尤其是在动态水杀菌模块的应用上。目前,动态水杀菌模块多采用大功率COB,散热方式的选择对热的导出起到重要作用。

LED的保护主要在于防止水汽入侵。对此,鸿利秉一正在探索LED直接接触水的可能性。

着眼于水处理应用的各个难点,鸿利秉一在固晶工艺和材料选择等方面进行多方面考量,以提供对应的解决方案。

例如,鸿利秉一通过不断改善UVC LED芯片的共晶技术,做好UVC LED灯珠的贴片,将焊接工艺过程中出现的焊接空洞率控制在5%以内,焊接空洞率越低,意味着散热效果越好,产品寿命越长。据说,市面上部分大尺寸产品的焊接空洞率达30%-40%。

任荣斌介绍,在增加光导出和保护LED方面,鸿利秉一同样做了不少努力。首先,可以在石英玻璃表面镀增透膜以增加其光透过率;其次,在防水方面,尝试在裸露的芯片、器件或COB表面镀一层防水膜。目前研究表明,在石英玻璃上镀防水膜,石英玻璃镀膜前后的光透过率基本不变,即对UVC波段的透过率基本保持在90%-92%的水平。

产品方面,今年上半年,鸿利秉一推出了涵盖小功率到大功率的2525、3535和6868全无机封装产品。2021年,鸿利秉一计划增加TO和COB模组,增加单颗灯珠产品的功率,以及增加不同出光角度。

7年专业经验,鸿利秉一UV LED封装之路越走越深

成立于2013年,鸿利秉一早在2014年就开发出全国首款全无机封装UV LED。在UV LED封装这条道路上,鸿利秉一越走越深。目前,在全无机封装领域,公司拥有从基板、玻璃盖板、激光封焊工艺、激光封焊设备的完整知识产权。

任荣斌介绍,鸿利秉一目前已就相关核心UV LED元器件封装和应用产品申请十多项发明专利(9项已授权)。其中,物料相关专利占10%,封装方法占35%,应用占25%,设备占30%。

多年来,鸿利秉一积极参与有关UV LED的政府项目。例如,与总公司鸿利智汇共同参与2015年广东省应用型科技研发专项资金项目——《全无机高可靠紫外LED光源封装技术及产业化》。

在行业标准方面,鸿利秉一参与起草了多项关于UV LED封装及其应用领域的行业标准,包括广东地方标准——《紫外发射二极管技术要求与试验方法》、行业团体标准——《GUV LED灭菌消毒装置技术规范》等。

值得注意的是,《GUV LED灭菌消毒装置技术规范》行业团体标准已于9月24日发布,10月1日起正式实施。

7年专业封装经验,鸿利秉一的UV LED和VCSEL产品,现已广泛用于印刷行业(曝光机、胶印机、喷墨打印机等)、涂装行业、半导体设备(光刻机、曝光机)、识别系统(人脸识别、远距离红外监控和智能化驾驶)以及空气净化等场所。其中,空气净化采用的正是全无机UV LED封装器件。

如今,UVC LED发展正当时,鸿利秉一将继续立足于封装领域,并在探索UVC LED封装技术的道路上深化布局,持续创新,为推动UVC LED的普及化出一份力。(文:LEDinside Janice)


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