一種高輻射通量的UVC封裝結構研究

杜元寶，張日光，張耀華，劉永福

(1.寧波升譜光電股份有限公司，浙江 寧波 315000； 2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201)

引言

與傳統汞燈光源相比，UVC LED技術具有巨大的潛力，有望實現在顯著降低能耗的同時，提供所需的高輸出光效。2013年伴隨著《水俁公約》簽訂后，UVC LED 逐漸取代傳統紫外汞燈，成為紫外殺菌、固化的主要光源。隨著UVC LED應用技術的進一步滲透，目前應用市場主要集中于表面殺菌、 靜止水殺菌、流動水殺菌等方向。UVC LED技術目前還處于起步階段，現如今UVC LED 的芯片技術遠遠沒有達到白光 LED 的水平。 UVC LED 的量子阱效率還不足10%，甚至在 265nm 及更低的深紫外波段，LED的量子阱效率還不到5%，比起白光 LED的80%量子阱效率來說，仍然是任重道遠，需要不斷進行技術的創新攻關。我們要從提高UVC LED內量子效率和外量子效率兩方面同時著手，一方面從外延結構努力將更多的電能轉化為光能，提升UVC LED芯片的內量子效率，另一方面通過封裝結構的設計及優化盡可能將紫光光萃取出去，提升封裝器件的外量子效率。

作為一種新型的UVC LED光源技術，它具有非常廣泛的市場前景， 但是作為取代紫外汞燈的殺菌、凈水產品， 它的發光功率還遠遠不夠。因此，本文旨在通過封裝結構的設計優化，努力提高封裝器件的外量子效率來獲得適用于大功率紫外殺菌凈水的UVC LED光源。

1 新型UVC LED封裝結構的設計

圖1是目前市場主流的UVC LED封裝結構，該結構所使用的陶瓷基板是DPC陶瓷基板，陶瓷材質可以是氧化鋁和氮化鋁兩種。基板表面采用多次電鍍的方式在UVC 芯片周圍鍍一定高度的銅杯，銅杯一般至少高于UVC芯片。銅杯要嚴格垂直于陶瓷基板表面，不能有錯位、污漬等問題，銅杯表面再鍍一層金鍍層做保護，理論上鋁的反射效果會更好，如圖2所示，考慮到工藝及成本因素，目前市場都是采用電鍍金。UVC芯片采用共晶或者錫膏方式固定在基板中心，根據成本不同，二者工藝可以按客戶要求自由選擇，共晶工藝可靠性最高，但成本也相對較高。芯片上面通過有機樹脂或硅膠蓋一個石英玻璃片，玻璃片剛好卡在銅杯的臺階上。該封裝結構是目前市場上UVC LED的主要封裝結構，其缺點一個是器件光輻射通量低，另一個是DPC陶瓷基板銅杯是采用多次電鍍的方式生產，生產工藝十分復雜，銅杯高度及位置精度要求高、生產加工難度大、基板供應商良率不穩定，進而基板成本居高不下，這嚴重制約了UVC LED器件的廣泛使用[1-3]。

圖1 主流UVC LED封裝結構Fig.1 Mainstream UVC LED packaging structure

圖2 不同金屬材料光反射率情況Fig.2 Optical reflectivity of different metal materials

新型UVC LED封裝結構如圖3所示，陶瓷基板仍然是采用DPC氧化鋁或者氮化鋁陶瓷基板，基板表面的鍍層采用鍍鋁和鍍金相結合的工藝，芯片共晶區域采用鍍金工藝，芯片與石英透鏡之間采用鍍鋁工藝，UVC芯片上面的石英透鏡采用120°出光設計，這主要是基于UVC芯片的出光角度，石英玻璃透鏡與陶瓷基板采用有機硅樹脂或者硅膠進行粘接，這里需要說明粘接層的高度要比石英透鏡與UVC芯片之間的鋁鍍層和金鍍層高度要低，避免UVC長時間照射損傷粘接層[4-6]。

2 產品光輻射通量測試

2.1 新型UVC LED封裝結構典型配光曲線

圖4是新型UVC LED封裝結構的典型配光曲線，可以看出器件出光角度2θ1/2 為120°，與石英透鏡出光角度符合。理論上出光角度越小輻射通量 越集中、殺菌效果越好，實際上出光角度越小意味著更多的光功率的損失，出光角度越大，芯片本身的光才能得到最大限度的萃取及有效利用，同時出光角度大，UVC LED模組的間隔也可以適當拉大，這樣可以大幅度地降低模組成本[7，8]。

圖3 新型UVCLED封裝結構Fig.3 Packaging structure of new UVC LED

圖4 新型UVC LED封裝結構典型配光曲線Fig.4 Typical light distribution curve of new UVC LED package structure

圖5 兩種封裝結構不同電流下輻射通量對比Fig.5 Comparison of radiation flux under different current between the two package structures

2.2 新型UVC LED封裝結構輻射通量測試

實驗設計本著單一變量的原則，采用市場主流UVC封裝工藝作為對照組，UVC芯片采用臺灣光磊20×20 mil芯片，芯片型號：FC-020UVC-S，WP：274～275 nm，PO：5.5～6 mW，VF：5.95～6.5 V，基板采用3.5 mm×3.5 mm DPC陶瓷基板,表面鍍層為金，分別采用兩種封裝結構的設計，一種采用主流UVC封裝結構，另一種采用本文研究的新型UVC封裝結構，其他材料及工藝保持相同，區別僅僅在于封裝結構的差別。測試設備選用遠方紫外積分球測試設備，設備型號為：PCE-2000UV，實驗數據如圖5和圖6所示，在IF=60 mA時，新型UVC封裝結構比市場主流封裝結構，UVC輻射通量高22%左右；IF=120 mA時，新型UVC封裝結構比市場主流封裝結構輻射通量高35%左右。同時，可以看出在60 mA和120 mA電流下，兩種封裝結構的電壓基本保持不變。因此，新型UVC封裝結構能夠有效提高UVC封裝器件的光輻射通量，提升UVC芯片的外量子效率[9-12]。

圖6 兩種封裝結構不同電流下電壓對比Fig.6 Comparison of different current voltages between the two package structures

3 結論

本文設計了一種新型UVC LED封裝結構，該結構旨在提升UVC芯片的外量子效率，并設計一組對照組實驗進行研究。實驗測試結果表明，在UVC芯片相同的前提下，新的UVC LED封裝結構的輻射光功率比市場上主流封裝結構，測試電流60 mA時，光輻射通量提升22%；測試電流120 mA時，光輻射通量提升35%。