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        科普 | 那些隱藏在UVC LED背后的封裝技術秘密

        2020-05-07

        寫在前面

        為了讓UVC LED技術成果更好地造福人類,作為UVC LED深紫外殺菌行業先行者,國星光電從封裝端出發,特別推出UVC LED封裝技術系列科普文章,直擊技術門檻,分享解決方案,希望給予產業同仁更多的思路和參考,共同推進產業的有序、健康發展,為人類健康生活提供更多的技術實現途徑。


        UVC LED的持續升溫讓市場變得火熱起來。大家都知道UVC LED殺菌消毒效果顯著,在一定劑量和距離下,只需要幾秒到幾十秒就能把常見的細菌殺滅。但大家不知道的是,隨著市場的火熱,市面上各種UVC LED應用產品應運而生,其中不乏以次充好,往往同等級別UVC LED產品,實質使用效果卻是千差萬別。


        歸根到底,是技術和工藝的差異。


        UVC LED封裝技術科普第一期,讓我們先從關鍵詞熱管理出發,看看UVC LED封裝技術背后的秘密。



        熱管理,提高UVC LED壽命的關鍵

        像任何電子元器件一樣,UVC LED對熱敏感。


        UVC LED的外量子效率(EQE)較低,在輸入的功率中,大約只有1-3%被轉換成光,而剩余的97%左右則基本被轉換成熱量。此時,如果不將熱量快速去除,保持LED芯片低于其最大工作溫度,將直接影響芯片的使用壽命,甚至不能使用。可以說,熱管理是提高UVC LED使用壽命的關鍵。


        做好熱管理,重點在于降低焊接空洞率


        由于UVC LED體積小的特點,大部分的熱量無法從表面散熱,因此LED背面成為了有效散熱的唯一途徑。此時,如何在封裝關節做好熱管理顯得尤為重要。


        說到封裝環節上的熱管理,離不開兩個方面,一是材料,二是工藝。


        在材料方面經過多年的發展,目前市面上UVC LED基本以倒裝芯片搭配高導熱氮化鋁基板的方案為主。氮化鋁(AIN)具有優異的導熱性(140W/mK-170W/ mK),能耐紫外線光源本身的老化,滿足UVC LED高熱管理的需求。


        工藝方面目前市場上存在幾種固晶方式。第一種是采用銀漿,這種方式結合力雖然不錯,但容易造成銀遷移,導致器件失效。第二種是采用錫膏焊接,這種方式由于錫膏熔點只有220度左右,在器件貼片后,再次過爐會出現再融現象,芯片容易脫落失效,影響UVC LED可靠性。因此,市面上多數采用的是第三種固晶方式:采用金錫共晶焊。與前兩種固晶方式相比,其主要通過助焊劑進行共晶焊接,能有效提升芯片與基板的結合強度,導熱率,更為可靠,有利于UVC LED的品質管控。


        既然市面上UVC LED封裝的材料和固晶工藝大多一樣,為什么熱管理的效果卻相差那么大呢?


        在這里,不得不提焊接空洞率。



        焊接空洞率簡單來說指的是LED芯片與基板焊接過程中,由于工藝等影響,導致部分區域無法焊接上,形成的缺陷,在外形上呈現為空洞的狀態,是影響散熱的重要指標。


        為了更直觀地呈現焊接空洞率對熱管理的影響,我們分別取了國星UVC LED以及友商UVC LED作為實驗對照樣本進行了空洞率檢測熱阻對比實驗以及產品壽命實驗。兩個樣本均為采用相同LED進口芯片以及金錫共晶焊工藝。



        圖注:圖中藍綠色點為產品焊接空洞。


        經檢測計算,在同尺寸LED芯片下,國星UVC LED封裝器件空洞率僅為9%,友商UVC LED封裝器件空洞率為18%。



        熱阻實驗中,由于國星UVC LED空洞率較低,與友商產品相比,產生的熱阻也較低。


        在0到480小時內,空洞率對光功率維持率的影響基本沒有太大的變化;但從480小時后,國星UVC LED(空洞率9%)的光功率維持率與友商UVC LED(空洞率18%)相比,差距較明顯。4000小時,友商UVC LED光功率維持率只剩60%左右,而國星UVC LED光功率維持率降幅較低,4000小時仍維持在80%左右。


        通過是上述三個實驗,我們得出結論,焊接空洞率越低,散熱效果越好,產品壽命越長,品質越好。


        值得注意的是,在降低UVC LED產品焊接空洞率上,國星光電已形成了一套較為領先和完善的工藝技術。目前,國星UVC LED產品總體空洞面積在10%以下,單顆最大空洞面積在2%以下,與市面同類產品空洞率15%-30%相比,處于行業領先水平,具有極佳的散熱效果、較長的產品壽命以及優秀的產品品控


        降低焊接孔洞率,是做好產品熱管理,提高UVC LED壽命的關鍵一步。接下來,UVC LED技術門檻又有哪些?我們又該怎樣解決呢?讓我們下期再見。


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