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那些隐藏在UVC LED背后的封装技术秘密

关键词:UVC LED 深紫外杀菌 封装电路

时间:2020-05-22 09:58:21      来源:网络

为了让UVC LED技术成果更好地造福人类,作为UVC LED深紫外杀菌行业先行者,国星光电从封装端出发,特别推出UVC LED封装技术系列科普文章,直击技术门槛,分享解决方案,希望给予产业同仁更多的思路和参考,共同推进产业的有序、健康发展,为人类健康生活提供更多的技术实现途径。

写在前面

为了让UVC LED技术成果更好地造福人类,作为UVC LED深紫外杀菌行业先行者,国星光电从封装端出发,特别推出UVC LED封装技术系列科普文章,直击技术门槛,分享解决方案,希望给予产业同仁更多的思路和参考,共同推进产业的有序、健康发展,为人类健康生活提供更多的技术实现途径。

UVC LED的持续升温让市场变得火热起来。大家都知道UVC LED杀菌消毒效果显着,在一定剂量和距离下,只需要几秒到几十秒就能把常见的细菌杀灭。但大家不知道的是,随着市场的火热,市面上各种UVC LED应用产品应运而生,其中不乏以次充好,往往同等级别UVC LED产品,实质使用效果却是千差万别。

归根到底,是技术和工艺的差异。

UVC LED封装技术科普第一期,让我们先从关键词热管理出发,看看UVC LED封装技术背后的秘密。

热管理,提高UVC LED寿命的关键

像任何电子元器件一样,UVC LED对热敏感。

UVC LED的外量子效率(EQE)较低,在输入的功率中,大约只有1-3%被转换成光,而剩余的97%左右则基本被转换成热量。此时,如果不将热量快速去除,保持LED芯片低于其最大工作温度,将直接影响芯片的使用寿命,甚至不能使用。可以说,热管理是提高UVC LED使用寿命的关键。

做好热管理,重点在于降低焊接空洞率

由于UVC LED体积小的特点,大部分的热量无法从表面散热,因此LED背面成为了有效散热的唯一途径。此时,如何在封装关节做好热管理显得尤为重要。

说到封装环节上的热管理,离不开两个方面,一是材料,二是工艺。

在材料方面,经过多年的发展,目前市面上UVC LED基本以倒装芯片搭配高导热氮化铝基板的方案为主。氮化铝(AIN)具有优异的导热性(140W/mK-170W/ mK),能耐紫外线光源本身的老化,满足UVC LED高热管理的需求。

工艺方面,目前市场上存在几种固晶方式。第一种是采用银浆,这种方式结合力虽然不错,但容易造成银迁移,导致器件失效。第二种是采用锡膏焊接,这种方式由于锡膏熔点只有220度左右,在器件贴片后,再次过炉会出现再融现象,芯片容易脱落失效,影响UVC LED可靠性。因此,市面上多数采用的是第三种固晶方式:采用金锡共晶焊。与前两种固晶方式相比,其主要通过助焊剂进行共晶焊接,能有效提升芯片与基板的结合强度,导热率,更为可靠,有利于UVC LED的品质管控。

既然市面上UVC LED封装的材料和固晶工艺大多一样,为什么热管理的效果却相差那么大呢?

在这里,不得不提焊接空洞率。

焊接空洞率简单来说指的是LED芯片与基板焊接过程中,由于工艺等影响,导致部分区域无法焊接上,形成的缺陷,在外形上呈现为空洞的状态,是影响散热的重要指标。

为了更直观地呈现焊接空洞率对热管理的影响,我们分别取了国星UVC LED以及友商UVC LED作为实验对照样本进行了空洞率检测、热阻对比实验,以及产品寿命实验。两个样本均为采用相同LED进口芯片以及金锡共晶焊工艺。

图注:图中蓝绿色点为产品焊接空洞。

经检测计算,在同尺寸LED芯片下,国星UVC LED封装器件空洞率仅为9%,友商UVC LED封装器件空洞率为18%。

热阻实验中,由于国星UVC LED空洞率较低,与友商产品相比,产生的热阻也较低。

在0到480小时内,空洞率对光功率维持率的影响基本没有太大的变化;但从480小时后,国星UVC LED(空洞率9%)的光功率维持率与友商UVC LED(空洞率18%)相比,差距较明显。4000小时,友商UVC LED光功率维持率只剩60%左右,而国星UVC LED光功率维持率降幅较低,4000小时仍维持在80%左右。

通过是上述三个实验,我们得出结论,焊接空洞率越低,散热效果越好,产品寿命越长,品质越好。

值得注意的是,在降低UVC LED产品焊接空洞率上,国星光电已形成了一套较为领先和完善的工艺技术。目前,国星UVC LED产品总体空洞面积在10%以下,单颗最大空洞面积在2%以下,与市面同类产品空洞率15%-30%相比,处于行业领先水平,具有极佳的散热效果、较长的产品寿命以及优秀的产品品控。

降低焊接孔洞率,是做好产品热管理,提高UVC LED寿命的关键一步。

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