2017年紫外深紫外LED封裝技術與發展.pdf

1、機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院紫外紫外/深紫外深紫外LED封裝技術與發展封裝技術與發展2017.6.10第第22屆廣州國際照明展屆廣州國際照明展 2017 阿拉丁論壇阿拉丁論壇機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院目目 錄錄1.前言前言2.紫外紫外 LED 封裝技術封裝技術3.深紫外深紫外 LED 封裝技術封裝技術4.紫紫外外/深紫外深紫外 LED 應用應用5.結束語結束語6.團隊介紹團隊介紹機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院1.1.前前 言（言（1 1）紫外光（紫外光（UV）波長

2、分布波長分布UV A:315-400 nmUV B:280-315 nmUV C:200-280 nmUV V:100-200 nm紫外（紫外（NUV）:300 nm以上以上深紫外（深紫外（DUV）:300 nm以下以下機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 UV-LED 外延層外延層外延材料：三族氮化物外延材料：三族氮化物InxGa1-xN(=0.7-3.4 eV)InxAl1-xN(=0.7-6.2 eV)AlxGa1-xN(=3.4-6.2 eV)UV-LED(365 nm):GaN/InGaN 量子阱量子阱UV-LED(80%80%光提取效率光提取效率

3、(LEE)80%60%50%1 W 50,000 h10,000 h價價格格較高較高很高很高機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 封裝材料封裝材料2.紫外紫外LED封裝技術（封裝技術（1）基板材料：基板材料：透鏡材料：透鏡材料：環氧環氧/硅膠硅膠/玻璃等（玻璃等（透光率、折射率、抗紫外老化透光率、折射率、抗紫外老化）金屬基板：金屬基板：鋁鋁 237 W/m.K,銅銅 400 W/m.K陶瓷基板：陶瓷基板：Al2O320 W/m.K,AlN 200 W/m.K石英玻璃石英玻璃硅硅膠膠T95%(200-400 nm)T85%(300 nm以上以上)機械科學與工程

4、學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 封裝結構與工藝封裝結構與工藝2.紫紫外外LED封裝封裝技術（技術（2）(a)硅膠透鏡直接封裝硅膠透鏡直接封裝(b)硅膠填充封裝硅膠填充封裝(d)玻璃蓋板粘接封裝玻璃蓋板粘接封裝(c)玻璃透鏡粘接封裝玻璃透鏡粘接封裝機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 技術技術特點特點2.紫外紫外LED封裝技術（封裝技術（3）可采用白光可采用白光 LED封裝技術封裝技術 可使用有機封裝材料（透鏡材料和粘接材料）可使用有機封裝材料（透鏡材料和粘接材料）可靠性問題：可靠性問題：材料老化、器件失效等材料老化、器件失效等對于

5、紫外對于紫外LED封裝，有機材料能滿足器件性能需求，但不利于在封裝，有機材料能滿足器件性能需求，但不利于在高溫、高濕等惡劣環境下使用高溫、高濕等惡劣環境下使用395 nm UV-LED 模組模組玻璃透鏡玻璃透鏡粘接封裝粘接封裝機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院2.紫外紫外LED封裝技術（封裝技術（4）紫外紫外 LED 激發白光激發白光 LED技術技術1)紫外紫外 LED+RGB熒光粉，消除藍光不利影響熒光粉，消除藍光不利影響2)熒光玻璃（熒光玻璃（PiG）技術）技術，提高器件可靠性，提高器件可靠性Yang Peng,et al.,Applied Optic

6、s,2016機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.深紫外深紫外LED封裝技術（封裝技術（1）有機硅膠中羧基有機硅膠中羧基(-COOH)等化學鍵在深紫外光照射下發生光解等化學鍵在深紫外光照射下發生光解現象，導致硅膠變性現象，導致硅膠變性1）出光材料（透鏡）；）出光材料（透鏡）；2）粘接材料）粘接材料禁止使用有機材料禁止使用有機材料 深深紫外紫外 LED器件（器件（300 nm）水蒸汽和氧氣水蒸汽和氧氣等等容易滲透到容易滲透到 LED芯片表面，直接影響器件性能芯片表面，直接影響器件性能與可靠性與可靠性1）氣密封裝材料（玻璃、陶瓷、金屬等）氣密封裝材料（玻璃、陶

7、瓷、金屬等）2）氣密封裝結構（含空腔）氣密封裝結構（含空腔）必須實現氣密封裝必須實現氣密封裝機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院3.深紫外深紫外LED封裝技術（封裝技術（2）深紫外深紫外LED全無機氣密全無機氣密封裝封裝深紫外深紫外LED封裝關鍵技術封裝關鍵技術1）氣密封裝：避免濕氣、氧氣等對深紫外）氣密封裝：避免濕氣、氧氣等對深紫外 LED芯片影響，提高可靠性芯片影響，提高可靠性2）低溫焊接：玻璃蓋板與陶瓷基板間，避免芯片熱損傷）低溫焊接：玻璃蓋板與陶瓷基板間，避免芯片熱損傷3）提高光效：降低玻璃蓋板表面光反射，提高出光效率）提高光效：降低玻璃蓋板表面光反

8、射，提高出光效率1）散熱：陶瓷基座（含凹腔）散熱：陶瓷基座（含凹腔）2）出光：石英玻璃蓋板）出光：石英玻璃蓋板3）焊接：金屬焊料）焊接：金屬焊料4）可靠性：氣密封裝）可靠性：氣密封裝機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 關鍵技術關鍵技術 1-氣密封裝氣密封裝（1）美國美國 SETi美國美國 SemiLED日本日本 Nichia日本日本 Stanley韓國首爾半導體韓國首爾半導體臺灣工研院臺灣工研院青島杰生電氣青島杰生電氣鴻利秉一科技鴻利秉一科技1）空腔結構；）空腔結構；2）氣密封裝（真空或惰性氣體保護，防止）氣密封裝（真空或惰性氣體保護，防止劣劣化化）機械科

9、學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 關鍵技術關鍵技術 1-氣密封裝氣密封裝（2）平面（二維）陶瓷基板平面（二維）陶瓷基板 現有三維陶瓷基板現有三維陶瓷基板TFC厚膜陶瓷基板厚膜陶瓷基板DBC直接鍵合陶瓷基板直接鍵合陶瓷基板DPC直接電鍍陶瓷基板直接電鍍陶瓷基板LTCC低溫共燒陶瓷基板低溫共燒陶瓷基板EPC易封裝陶瓷基板易封裝陶瓷基板粘結型三維陶瓷基板粘結型三維陶瓷基板機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 關鍵技術關鍵技術 2-低溫焊接低溫焊接（1）整體加熱封裝：整體加熱封裝：1）高溫對芯片熱損傷）高溫對芯片熱損傷2）高溫影響固

10、晶質量）高溫影響固晶質量局部加熱封裝技術：局部加熱封裝技術：平行縫焊技術平行縫焊技術激光局部加熱封裝激光局部加熱封裝高高 溫溫 熱熱 板板機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院感應局部加熱封裝深紫外感應局部加熱封裝深紫外 LED（1）關鍵技術關鍵技術 2-低溫焊接低溫焊接（2）1）非接觸加熱）非接觸加熱2）加熱速度快）加熱速度快3）對材料和結構具有選擇性）對材料和結構具有選擇性 鍵合強度大于鍵合強度大于 5MPa 滿足氣密性封裝要求滿足氣密性封裝要求玻璃蓋板（含金屬環）玻璃蓋板（含金屬環）陶瓷陶瓷管殼管殼深紫外深紫外LED模組模組Yang Peng,et al

11、.,IEEE T.CPMT,2016機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院通電通電6s后后，A、B兩點兩點溫度差超過溫度差超過1601）降低熱損傷）降低熱損傷2）提高光效）提高光效3）提高可靠性）提高可靠性 關鍵技術關鍵技術 2-低溫焊接低溫焊接（3）感應局部加熱封裝深紫外感應局部加熱封裝深紫外 LED（2）機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 透鏡直接鍵合技術透鏡直接鍵合技術（ADB、SAB）東北大學東北大學+日亞化學日亞化學Appl.Phys.Express,2016 關鍵技術關鍵技術 2-低溫焊接低溫焊接（4）折射率：

12、折射率：1.83透鏡直徑：透鏡直徑：3 mm 280 nm,350mA無透鏡：無透鏡：66.0mWADB透鏡：透鏡：125.8 mWSAB透鏡：透鏡：153.4 mW機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 提高出光效率提高出光效率-納米結構粗化納米結構粗化（1）玻璃表面納米結構粗化，抑制反射損耗，玻璃表面納米結構粗化，抑制反射損耗，提高出光效率提高出光效率技術原理技術原理 關鍵技術關鍵技術 3-提高光效提高光效（1）機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院 提高光提取效率提高光提取效率-納米結構粗化納米結構粗化（2）紫外光波段平

13、均透過率紫外光波段平均透過率從從90.1%增加到增加到97.2%表面粗化對表面粗化對光輸出功率影響光輸出功率影響 關鍵技術關鍵技術 3-提高光效提高光效（2）Yang Peng,et al.,J.Dis.Tech.,2016陳明祥等，專利申請號：陳明祥等，專利申請號：2016102889103機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院4.紫外紫外/深紫外深紫外LED應用（應用（1）1）紫外）紫外LED：光光固化固化、光催化、醫療美容、防偽、植物照明等光催化、醫療美容、防偽、植物照明等光固化系統光固化系統 占據紫外占據紫外LED市市場場80%以上以上 解決解決系統散

14、熱系統散熱、可靠性等難題可靠性等難題機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院4.紫外紫外/深紫外深紫外LED應用（應用（2）2）深紫外深紫外LED：殺菌消毒：殺菌消毒光功率密度：光功率密度：30mW/cm2（美國標準）（美國標準）關鍵技術：關鍵技術：流動水體、空氣凈化流動水體、空氣凈化（潛力巨大）（潛力巨大）重點應用：重點應用：a）嬰幼兒產品（奶瓶等）嬰幼兒產品（奶瓶等）b）空氣凈化器、空調、冰箱、消毒柜等）空氣凈化器、空調、冰箱、消毒柜等c）家用凈水器、洗衣機、洗碗機等）家用凈水器、洗衣機、洗碗機等機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學

15、與工程學院5.結束語（結束語（1）紫外紫外LED技術優勢明顯，技術優勢明顯，已已替代汞燈成為新一代紫外替代汞燈成為新一代紫外光光源源 淺淺紫紫外外LED可采用白光可采用白光 LED封裝技術（材料封裝技術（材料/結構結構/工藝），工藝），主要應用于主要應用于光光固化、光催化、防偽等領域固化、光催化、防偽等領域 深深紫紫外外LED必須采用全無機封裝材料，氣密必須采用全無機封裝材料，氣密封裝、低溫封裝、低溫焊接焊接與提高光效是其技術關鍵與提高光效是其技術關鍵 深深紫外紫外LED器件器件主要應用于主要應用于殺菌殺菌/消毒，消毒，在流動空氣在流動空氣與與水體水體凈化領域凈化領域前景前景廣闊廣闊 可靠性和

16、成本是影響深紫外可靠性和成本是影響深紫外LED應用的主要因素應用的主要因素機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院5.結束語（結束語（2）深紫外深紫外LED封裝技術發展封裝技術發展 封裝材料：研發新型抗紫外材料，降低成本，提高可靠性封裝材料：研發新型抗紫外材料，降低成本，提高可靠性 封裝結構：優化氣密封裝結構，提高光效封裝結構：優化氣密封裝結構，提高光效 封裝工藝：新型局部加熱封裝技術封裝工藝：新型局部加熱封裝技術日本名城大學日本名城大學 氟樹脂氟樹脂機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院6、團隊介紹（、團隊介紹（1）華中科技大

17、學華中科技大學工科較強，尤其機械、光電、電氣等工科較強，尤其機械、光電、電氣等 武漢光電國家實驗室武漢光電國家實驗室注重光電領域應用技術開發，包括激光注重光電領域應用技術開發，包括激光、光通信、半導體照明等、光通信、半導體照明等機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院先進電子封裝技術先進電子封裝技術團隊（團隊（1 1）研發團隊：多學科，國際領先研發團隊：多學科，國際領先1）機械、光學、熱學、材料、電子、力學、半導體等）機械、光學、熱學、材料、電子、力學、半導體等2）院士（）院士（C P Wong）、長江學者（劉勝）、國家杰青（羅小兵）等）、長江學者（劉勝）、國家

18、杰青（羅小兵）等 研究條件研究條件：LED 封裝工藝平臺封裝工藝平臺+光光/熱熱/電電/可靠性測試平臺可靠性測試平臺6、團隊介紹（、團隊介紹（2）研究基礎研究基礎1）12年年 LED 封裝研發經驗封裝研發經驗2）先后承擔各類科研課題）先后承擔各類科研課題 20多項，多項，包括國家科技重大專項、包括國家科技重大專項、973、863、廣、廣東省、湖北省、武漢市科技項目等東省、湖北省、武漢市科技項目等3）LED路燈、路燈、DPC陶瓷基板、微泵陶瓷基板、微泵等實現產業化等實現產業化4）國家技術發明二等獎（）國家技術發明二等獎（2016）機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工

19、程學院6、團隊介紹、團隊介紹（3）先進電子封裝技術團隊（先進電子封裝技術團隊（2 2）-陳明祥教授課題組陳明祥教授課題組 先后承擔科研先后承擔科研項目項目 20 余項，包括科技部余項，包括科技部“863計劃”、支撐計劃、計劃”、支撐計劃、國家基金、湖北國家基金、湖北省重大科技創新、廣東省產學研合作省重大科技創新、廣東省產學研合作等等 主要研發成果主要研發成果1）電鍍陶瓷基板（）電鍍陶瓷基板（DPC）制備技術）制備技術2）熒光玻璃（）熒光玻璃（PIG）制備與應用技術）制備與應用技術3）惡劣環境下電子封裝技術（如高溫、高濕、）惡劣環境下電子封裝技術（如高溫、高濕、深海等環境下）深海等環境下）機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院感感 謝謝 先進電子封裝技術團隊：劉勝、羅小兵、彭洋、程浩、陳珍等先進電子封裝技術團隊：劉勝、羅小兵、彭洋、程浩、陳珍等 武漢利之達科技股份有限公司：劉松坡、郝自亮武漢利之達科技股份有限公司：劉松坡、郝自亮 經費經費支持：國家支持：國家重點研發重點研發計劃、計劃、科技部中小企業創新基金科技部中小企業創新基金廣東省廣東省應用科技研發應用科技研發專項專項、湖北省湖北省技術創新技術創新重大項目重大項目機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院機械科學與工程學院