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(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前紫外LED 的發(fā)光功率不高，除了芯片制作水平的提高外，封裝技術(shù)對LED 的特性也有重要的影響。

　　目前，紫外LED 主要有環(huán)氧樹脂封裝和金屬與玻璃透鏡封裝。前者主要應(yīng)用于400 nm 左右的近紫外LED， 但紫外光對材料的老化影響較大。后者主要應(yīng)用于波長小于380 nm 的紫外LED，由于GaN 和藍(lán)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(dǎo)致全反射對光的限制較為嚴(yán)重，封裝后出光效率低。

　　封裝材料是LED封裝技術(shù)的另一個重要方面。LED封裝材料主要有玻璃透鏡、環(huán)氧樹脂和硅樹脂等。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芯片；環(huán)氧樹脂高溫耐熱性能一般，耐紫外光性能較差；硅樹脂是近幾年開始應(yīng)用于LED 封裝的材料，目前國內(nèi)對硅樹脂的透過率、耐熱和耐紫外光特性研究較少，特別是對于硅樹脂封裝紫外LED 的特性還缺乏研究。

　　本文立足于波長小于380 nm 的紫外LED 的封裝技術(shù)，對不同封裝材料的透過率、耐紫外光和耐熱性進(jìn)行了對比，進(jìn)而提出高出光效率、高可靠性的紫外LED封裝結(jié)構(gòu)。

　　實驗

　　采用的紫外光LED 芯片峰值波長有395 和375 nm 2種，分別由在碳化硅和藍(lán)寶石襯底上外延生長GaN 制備而成。在20 mA 注入電流下，碳化硅和藍(lán)寶石襯底的L ED芯片工作電壓分別為3.8 和3.4 V。

　　研究了石英玻璃、環(huán)氧樹脂和硅樹脂具有代表性的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(huán)氧樹脂A 和B 分別為雙酚A 型和脂環(huán)族環(huán)氧樹脂；硅樹脂A 和B 分別是彈性硅膠和樹脂型硅膠。

　　光功率和峰值波長系在杭州遠(yuǎn)方公司PMS-50增強(qiáng)型紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)上測量得到。光學(xué)透過率的測量系統(tǒng)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，信號采集和處理系統(tǒng)采用的是遠(yuǎn)方公司的紫外-可見光分析系統(tǒng)。

　　采用材料的光學(xué)透過率隨時間的變化來評估其熱穩(wěn)定性。樣品厚度為2 mm，放置于烘箱中恒溫老化，溫度為150℃。

　　紫外LED封裝材料研究

　　1、材料光學(xué)透過率特性

　　石英玻璃、硅樹脂和環(huán)氧樹脂的透過率如圖2 所示。硅樹脂和環(huán)氧樹脂先注入模具，高溫固化后脫模，形成厚度均勻為5 mm 的樣品。為了便于比較，根據(jù)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(huán)氧樹脂在可見光范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(huán)氧樹脂在紫外光范圍的吸收損耗較大，波長小于380nm 時，透過率迅速下降。硅樹脂在可見光范圍透過率接近92%，在紫外光范圍內(nèi)要稍低一些，但在320nm時仍然高于88%，表現(xiàn)出很好的紫外光透射性質(zhì)；石英玻璃在可見光和紫外光范圍的透過率都接近95%，是所有材料里面紫外光透過率最高的。

　　對于紫外LED封裝，石英玻璃具有最高的透過率，硅樹脂次之，環(huán)氧樹脂較差。然而盡管石英玻璃紫外光透過率高，但是其熱加工溫度高，并不適用于LED芯區(qū)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。由于石英玻璃的耐紫外光輻射和耐熱性能已經(jīng)有很多報道，僅對常用于密封LED芯區(qū)的環(huán)氧樹脂和硅樹脂的耐紫外光輻射和耐熱性能進(jìn)行研究。

　　2、耐紫外光特性

　　研究了環(huán)氧樹脂A和B 以及硅樹脂A和B 在封裝波長為395 nm 和375 nm 的LED芯片時的老化情況，如圖3所示。實驗中，每個LED的樹脂涂層厚度均為2 mm。

　　可以看到，環(huán)氧樹脂材料耐紫外光輻射性能都較差，連續(xù)工作時，紫外LED輸出光功率迅速衰減，100h后輸出光功率均下降到初始的50% 以下；200h后，LED的輸出光功率已經(jīng)非常微弱。對于脂環(huán)族的環(huán)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，由于375 nm 的紫外光光子能量較大，破壞也更為嚴(yán)重。

　　雙酚類的環(huán)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。盡管雙酚類的環(huán)氧樹脂A 在375nm和395nm 時的光透過率要略高于脂環(huán)族類的環(huán)氧樹脂B，但是由于環(huán)氧樹脂A含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，因此在紫外光持續(xù)照射時，衰減要比環(huán)氧樹脂B 要快。測量老化前后LED芯片的光功率，發(fā)現(xiàn)老化后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(huán)氧樹脂的破壞引起的。環(huán)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(xù)的紫外光照射下，環(huán)氧樹脂的主鏈慢慢被破壞，導(dǎo)致主鏈降解，發(fā)生了光降解反應(yīng)，性質(zhì)發(fā)生了變化。實驗表明，環(huán)氧樹脂不適合用于波長小于380 nm 的紫外LED芯片的封裝。

　　相對環(huán)氧樹脂，硅樹脂表現(xiàn)出了良好的耐紫外光特性。經(jīng)過近1500h老化后，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，衰減低于15%。這可能與硅樹脂和環(huán)氧樹脂間的結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。硅樹脂的主要結(jié)構(gòu)包括Si 和O，主鏈Si-O-Si是無機(jī)的，而且具有較高的鍵能（422.5 kJ/mol） ；而環(huán)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。由于鍵能較高，硅樹脂的性能相對要穩(wěn)定。因此，硅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(huán)氧樹脂B 和硅樹脂B 具有較好的承受紫外光輻照的能力。因此，對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。圖4 表示這兩種材料在高溫老化后mm-1厚度時透過率隨時間的變化情況?？梢钥吹?，環(huán)氧樹脂的耐熱性較差，經(jīng)過連續(xù)6days 的高溫老化后，各個波長的透過率都發(fā)生了較大的衰減，紫外光范圍的衰減尤其嚴(yán)重，環(huán)氧樹脂樣品顏色從最初的清澈透明變成了黃褐色。

　　硅樹脂表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐熱性能。在150℃的高溫環(huán)境下，經(jīng)過14 days 的老化后，可見光范圍的樣品mm-1厚度時透過率只有稍微的衰減，在紫外光范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(huán)氧樹脂不同，硅樹脂以Si-O-Si鍵為主鏈，由于Si-O鍵具有較高的鍵能和離子化傾向，因此具有優(yōu)良的耐熱性。

　　高出光效率、高可靠性紫外LED封裝

　　根據(jù)實驗結(jié)果，結(jié)合硅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(jié)構(gòu)共有3 層。里層采用硅樹脂A 進(jìn)行密封，因為硅樹脂A 的折射率為1.53，有利于充分提高LED 的提取效率，而且固化后為彈性硅膠，較低的機(jī)械強(qiáng)度有利于保護(hù)芯片和電極引線。中間層是硅樹脂B，作為石英玻璃透鏡和硅樹脂A 層間的過渡層，而且硅樹脂B 透過率較高，折射率為1.51；固化后硬度大、粘接性強(qiáng)，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，用于光的導(dǎo)出，并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(jié)構(gòu)中，為了盡可能減少硅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(jié)構(gòu)有利于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(jié)構(gòu)的紫外LED封裝前后的光功率。

　　可以看到，在LED芯片峰值波長一樣、裸片功率相近的情況下，新封裝結(jié)構(gòu)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。相對于環(huán)氧樹脂封裝的紫外LED，新封裝結(jié)構(gòu)的紫外LED 出光效率要低，但是穩(wěn)定性要遠(yuǎn)好于環(huán)氧樹脂封裝的LED。老化實驗表明，環(huán)氧樹脂封裝的紫外LED發(fā)光功率在不到100h內(nèi)已經(jīng)衰減到50%以下。而新封裝結(jié)構(gòu)的紫外LED 具有良好的穩(wěn)定性，連續(xù)工作800h后發(fā)光功率依然維持在95%以上，發(fā)光功率衰減低于5%。

　　結(jié)論

　　硅樹脂比環(huán)氧樹脂具有更高的紫外光透過率、更優(yōu)異的耐紫外光和耐熱特性，是密封紫外LED芯片很好的材料。設(shè)計了使用硅樹脂與石英玻璃透鏡封裝的紫外LED封裝方法。

　　新封裝結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，連續(xù)工作800h，發(fā)光功率衰減低于5% 。

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