高光效高可靠紫外LED封装技术及其应用研究

摘要

紫外发光二极管（LED）由于其无汞环保、低功耗、结构紧凑、波长可控等优势，在油墨固化、白光照明、杀菌消毒和生化检测等领域具有重要应用价值。目前对紫外LED封装技术研究较少，大多数紫外LED仍沿用白光LED器件的封装材料和结构，但由于有机高分子材料耐紫外性差，难以满足紫外 LED 器件封装要求。为了获得高光效和高可靠的紫外LED器件，本文从紫外LED封装材料和结构出发，围绕提高紫外 LED 出光效率和可靠性的封装技术开展研究，并将该封装技术应用于紫外激发的白光LED封装。主要研究内容包括： 1) 紫外LED器件封装设计：通过材料优选和结构优化，提出一种全无机紫外LED封装技术，其中采用石英玻璃盖板作为出光透镜，三维陶瓷基板作为散热基板，并通过金属焊料实现玻璃盖板与陶瓷基板间的键合，实现气密封装;选用低温共烧工艺制备的含腔体结构的三维陶瓷基板，同时为了实现焊料键合，采用三种方式在玻璃盖板表面制作了金属化图形结构，包括Lift-off工艺、电镀-腐蚀工艺和金属烧结工艺。 2) 高光效紫外LED封装技术：为了提高紫外LED器件出光效率，提出了多种方法来抑制玻璃、芯片表面的反射损耗。针对玻璃表面存在的菲涅尔反射，采用金属快速热退火和刻蚀工艺在玻璃盖板双面制备了纳米结构，使深紫外 LED 光功率提高8.6%;对于芯片表面存在的全反射损耗，采用主动制冷水滴凝结法制备了多孔模板，并以此多孔模板微成型制备了氟树脂微透镜阵列，提高了芯片表面光输出临界角，使深紫外LED光功率增加15.4%;通过在抗紫外的氟树脂中掺杂纳米AlN颗粒，减小了封装胶层与芯片间的折射率差值，且纳米颗粒的散射作用增加了光线出射几率，使掺杂0.15wt%AlN的氟树脂封装的深紫外LED器件光功率提高16.4%。 3) 高可靠紫外LED封装技术：为了提高紫外LED封装质量与可靠性，提出了紫外 LED 感应局部加热封装技术。通过仿真分析了感应加热过程中封装模型的温度场分布，结果表明高温主要集中在玻璃盖板与陶瓷基板键合层（避免了高温对紫外LED芯片的不利影响），且电源频率越高，加热时间越长，键合层温度越高;设计和搭建了紫外LED感应局部加热封装系统，实现了紫外LED感应局部加热封装，键合层拉伸强度达到8.2 MPa，气密性良好。 4) 紫外LED激发荧光玻璃的白光LED封装：为了获得高光品质和高可靠性的白光LED器件，将提出的紫外LED封装技术应用于紫外激发的白光LED封装。采用丝网印刷与低温烧结工艺制备了三基色荧光玻璃，结合感应局部加热封装技术实现了荧光玻璃和紫外LED的低温键合，并分析了荧光粉掺量和荧光层厚度对白光LED性能影响;结果表明当荧光层厚度为 90 μm，红色、绿色和蓝色荧光粉浓度分别为 0.25 g/cm3、0.6 g/cm3和0.4 g/cm3时，获得了高品质暖白光LED;为了减少三基色光谱重叠造成的光线重吸收，制备了具有分层结构的 RGB 荧光玻璃，结果表明采用 R-G-B和G-R-B分层荧光玻璃的白光LED器件光效分别提高8.2%和17.6%。