参考文献：梁仁瓅，AlInGaN基紫外LED封装技术研究【D】，华中科技大学，2019
紫外LED封装材料
紫外LED封装结构主要由基板、 紫外LED芯片、 固晶焊料、 围坝、 石英窗口及密 封剂等组成，如图2-1所示。其中， 基板是紫外LED芯片散热的最主要途径，其散热 能力直接影响到紫外LED器件的性能和可靠性。蓝白光LED封装中常用的环氧树脂覆铜基板σR-4）、环氧塑封料基板（EMC）和金属基板，其主要组成材料是有机树脂，抗紫外性差，且热导率［0.2～7W/(m•K）］偏低，热膨胀系数与芯片不匹配，极易使芯片开裂，并不适用于紫外LED器件的封装。与之相比，陶瓷是无机材料，具有绝缘性好、强度较高、热膨胀系数小平日导热性好等优点，很适合作为紫外LED的封装 基板材料。其中，AlN基板的绝缘性能更好，耐高温和酸碱腐蚀，理论热导率可达320 W/(m•k，是理想的紫外LED的封装基板。陶瓷基板又分为高温共烧陶瓷基板（high tempera阳re co-fired ceramic substrate,HTCC）、低血共烧陶瓷基板(low temperature cofired ceramic substrate,LTCC）、厚膜陶瓷基板（thick film ceramic substrate, TFC）、直接覆铜陶瓷基板（direct bond copper ceramic substrate, DBC）和直接镀铜陶瓷基板（direct plating copper ceramic substrate, DPC）等，其中DPC工艺图形精度高，工艺温度低，并且能够在表面多次电镀铜基国坝制备三维陶瓷基板，十分适合紫外LED的封装需求。
紫外LED芯片结构
常见的紫外LED芯片主要分为垂直结构、倒装结构和倒装垂直结构，如图2-2所示。垂直结构LED可以通过激光熔融蓝宝石衬底土的GaN缓冲层而剥离蓝宝石衬底，其p电极和n电极分别位于有源区的两侧，减少了电极遮光面积，可以提高有效发光面积。当驱动电流加在垂直结构器件上时，电流从p电极到n电极几乎全部垂直流过外延层，没有横向的分量。因此垂直结构不存在电流拥墙的情况，出光和热量分布也更加均匀，从而使得电光转换效率大大提高。因此在近紫外LED芯片领域，尤其是大功率近紫外LED均为垂直结构芯片。然而在深紫外LED领域，由于蓝宝石衬底上的 AlN缓冲层不吸收激光能量，无法剥离蓝宝石衬底制作垂直结构，所以深紫外LED只能使用倒装结构。此外，为了得到高效率的深紫外LED，倒装垂直结构的深紫外LED使用圆柱阵列n电极，可以有效提高电流的扩展能力，增加散热通道，从而提高了深紫外LED的内量子转化效率。同时，倒装垂直芯片的做阵列结构也能够有效提高深紫外LED的光提取效率，是未来大功率深紫外LED芯片的研究方向。
紫外LED圄晶工艺
无论采用垂直芯片或倒装芯片，芯片都要通过固晶焊料粘接到基板上。采用热导率更高的固晶焊料，同时减小固晶键合层的厚度，改善键合层填充状态，可以显着降低紫外LED器件的热阻，调控结温，增强紫外LED的可靠性与寿命。常见的LED固晶焊料有锡铅焊膏、锡银铜焊膏、导电银胶及金锡焊料等，表2-1列出了这些软硬焊料的物理性能。其中，锡铅合金（Sn-Pb）拥有熔融温度低、流动性、可焊性和润湿性好等诸多优点，被广泛作为锡膏的主要焊料。但随着人类对环境保护和自身健康的关注，含铅锡膏逐步被淘汰，LED产品固晶／贴装工艺也越来越趋向于使用无铅焊料。无铅焊料，如锡银铜合金焊料SAC305的熔点在217° C附近，其润湿性良好，抗热疲劳性能、化学性能基本能满是LED芯片等小尺寸器件的封装，能有效避免桥接等缺陷的出现，可获得与锡铅合金相比美的力学性能。此外，导电银胶也可作为替代SnPb焊料的固晶焊料。导电银胶主要由环氧树脂、潜伏型固化剂及促进剂、稀释剂、导电填料组成，并通过导电填料实现导电性 因其粘接温度低、操作性好、工艺简单、环保无毒，被广泛用于微电子组件封装制备工艺的粘接等领域。虽然锡银铜合金焊料和导电银胶已经广泛应用在LED封装工艺中，但要获得更好的固晶键合效果，满足器件的高可靠性标准，必须使用金锡共晶封装工艺。金锡共晶焊料是无铅硬焊料的一种，其组分通常为为：Au80wt%- Sn20wt%，共晶温度点为280°C，热导率57W/(m·K),拉伸强度高达2 75MPa，屈服强度0.22MPa，具有高度浸润性和表面张力，常用于无助焊剂烧焊和梯度烧焊中的首次烧焊。另外金锡共晶焊料具备很强的抗腐蚀性和稳定性，使之在高可靠性封装工艺中备受关注。图2-3 是金锡二元相图，由图可见，共晶点附近存在由金属问化合物组成的不同的相，这些相态会影响金锡焊料的机械、电学和化学性能。与其它常见共晶焊料相比，金锡共晶从单一液相向双相固相转变时，共晶固溶体将凝固为δ相AuSn和δ相Au5Sn，并以金属间化合物的形式存在。基于以上原因，金锡合金的性质与金、锡原子性质有较大区别，如金和锡热导率分别为30 W/(m·K）和67W/(m·K），而Au80Sn20合金的热导率却为57W/(m·K）。虽然金锡合金的热导率与锡铅合金焊料、锡银铜合金焊料的热导率相近，但由于金锡合金键合层仅有3微米厚，与其他固晶焊料相比，其纵向热量传递路径较短，所封装的LED灯珠总热阻更低，具有无可比拟的热管理优势。鉴于金锡共晶的技术优势，本文采用金锡共晶作为紫外LED的固晶封装工艺。
紫外LED气密封装
此外，为了实现紫外LED器件的气密封装，必须使用密封剂和石英窗口密封处理，如图2-1所示。传统的方法是采用有机粘结剂作为密封剂进行键合，如环氧树脂、有机硅胶等，胶粘密封需求温度较低、工艺简单、成本低廉、容易返修，是目前主流的紫外LED封装工艺，但存在抗剪切强度差、气密性一般、冷热循环失效等问题，无法真正形成可靠的紫外LED封装结构。尤其是在紫外线长时间辐射后，有机粘结剂会出现老化失效，容易导致石英窗口与紫外LED灯珠脱离，造成封装失效。针对以上问题，业界内更倾向于使用焊料键合。焊料键合的气密性好，且金属填料的热导率高，整个封装体的抗冷热冲击能力较强，被广泛应用在高可靠性微电子器件封装。常用的金属焊料有金锡合金（AuSn）、铜锡合金（CuSn）等，它们键合强度高，但所需要的键合温度较高（200°C-300°C）。石英窗口键合作为整个紫外LED封装工艺流程的最后一步，高温容易对芯片造成热损伤，影响紫外LED 器件的光热性能与可靠性，无法匹配紫外LED 灯珠封装工艺的梯度烧结要求，且成本和设备要求较高，不利于量产应用。而银铜纳米膏（20wt%Ag）的低熔点和高表面活性可有效降低烧结温度，满足工艺工程中低热预算和对某些温度敏感器件的封装需求。此外，为了实现石英窗口与陶瓷基板的焊料键合，要求陶瓷基板的围坝表面必须有金属镀层（常见镀层为金），以及石英窗口制作相对应的金属边框，以焊料层作为中间介质层，在加热加压的条件下，焊料层与上下面金属层原子相互扩散， 实现石英窗口与陶瓷基板的气密键合。因此，制备金属边框石英窗口是实现紫外LED 气密封装结构的关键。
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