深紫外LEDパッケージ技術の現状と展望

发布时间：2021-12-16 11:20 来源：萤光创新

ディープ紫外発光ダイオード(deep-ultraviolet light-emitting diode,DUV-LED)環境にやさしく水銀がなく、寿命が長く、消費電力が低く、応答が速く、構造が軽量であるなど多くの優位性を持っている。近年、深紫外LED技術は急速な発展を遂げ、主に光効率と信頼性が絶えず向上していることを体現している。この面はチップ製造過程における窒化物材料のエピタキシャルとドーピング技術の進歩のおかげであり、一方で帰功深紫外LEDパッケージ技術の発展において。

華中科技大学彭洋博士、陳明祥教授と羅小兵教授は『発光学報』(EI、核心定期刊行物)で「深紫外LEDパッケージ技術の現状と展望」と題して発表した。の総説文です。この総説は重点的に深紫外LEDパッケージの肝心な技術に対して系統的な分析を行い、パッケージ材料の選択、パッケージ構造設計、パッケージプロセスの最適化、反射光損失の抑制及び有効な熱管理を含み、後続技術の発展に対して展望を行った。

深紫外LEDは殺菌消毒、生化学検査、医療健康、秘密通信などの分野で重要な応用価値を持っている。特に殺菌消毒の分野では、深紫外LEDは主に高エネルギー紫外線を利用して微生物を照射し、核酸構造を破壊し、微生物の滅活の目的を達成する。従来の殺菌消毒技術に比べて、深紫外LEDは殺菌効率が高く、適用性が強く、化学汚染物がなく、操作が簡単であるなどの利点があり、空気、水体、物体の表面消去に広く応用できる。新型コロナウイルス(COVID-19)の世界的な伝播に伴い、深紫外LED消毒は新型コロナウイルスを効果的に撲滅する方法と考えられ、公共の場所、交通機関、個人防護などの分野に用いられ、新型コロナウイルスの伝播を抑制するために科学技術のサポートを提供している。

図1深紫外LED消毒応用:(a)公共エレベーター;(b)飛行機の機内;(c)個人防護。

深紫外LEDパッケージのキーテクノロジー

（1）パッケージ材料選択

出光材料:LED出光構造は一般的に透明材料を採用して光出力と調節を実現し、同時にチップと線路層に対して保護作用を果たす。従来の有機材料は耐熱性が悪く、熱伝導率が低く、紫外分解などの問題があり、深紫外LEDパッケージの需要を満たすことが困難である。石英ガラスの物化性能は安定しており、深紫外帯域では高い透過率(>90%)を有し、機械的強度が高く、耐熱性がよく、紫外線抵抗と気密性が高く、深紫外LEDパッケージ用レンズ材料の有効な選択となっている。

放熱基板材料:セラミック系基板は機械強度が高く、絶縁性がよく、熱伝導性が高く、耐熱性がよく、熱膨張係数が小さいなどの多くの優位性があり、深紫外LEDパッケージ用放熱基板の良い選択である。

溶接結合材料：深紫外LED溶接材料はチップ固晶材料と基板溶接材料を含み、それぞれチップを実現するために用いられる。ガラスカバー（レンズ）セラミック基板との間の溶接。フリップチップは常に金錫共晶方式を採用してチップ固結晶を実現し、強度が高く、界面品質がよく、しかも結合層の熱伝導率が高く、LEDの熱抵抗を下げた。ガラスカバーとセラミック基板の間には溶接材料を採用して信頼性の高い結合を実現することが多いが、同時にガラスカバーとセラミック基板の表面に金属層を調製し、金属溶接の需要を満たす必要がある。

（2）パッケージ構造設計

環境中の水蒸気などの有害ガスは深紫外LEDチップや回路層に破壊されやすく、その使用寿命や信頼性に影響を及ぼす。このため、深紫外LEDパッケージには、主にTOパッケージと、三次元ガラスカバーまたは三次元セラミック基板を用いた表面貼り付けパッケージ構造とを含むキャビティを含むパッケージ構造が用いられることが多い。

（3）パッケージングプロセスの最適化

深紫外LEDパッケージプロセスは主に固晶、打線(または逆装共晶)とガラス蓋板溶接(結合)。その中で、ガラス蓋板結合はパッケージプロセス全体の重要な一環であり、チップが基板キャビティ内に貼り付けられているため、低温溶接プロセスを採用してガラス蓋板と三次元セラミック基板間の信頼性の高い結合を実現する必要がある。現在、主に低融点溶接材結合と低温結合の2つの方式がある。

（4）反射光損失抑制

ガラス上,下面にはFresnel反射損失が存在し,チップ上表面と側面にはFresnel反射損失と全反射損失が存在する。深紫外LEDの光効率を向上させるためには、フレネル反射を抑制するためのフィルムコーティング、ナノ構造など、全反射を抑制するための半球レンズ、表面粗化、ナノ粒子ドープパッケージ層などを含む反射損失を抑制する方法が必要である。

（5）接合温和熱管理

深紫外LEDの光効率は比較的低く、応用ニーズを満たすために、高光パワー深紫外LEDモジュールを得るために、マルチチップ集積パッケージ形式を採用することが多い。しかし、高い光パワー密度を追求すると同時に、単位面積当たりの熱流密度がより大きくなり、熱が凝集して深紫外LEDの結温が上昇する。このため、共晶結合、窒化アルミニウムセラミック基板、高熱伝導固結晶材料、受動放熱(放熱フィン等)及びアクティブ放熱(風冷、水冷等)を含む深紫外LEDの総熱抵抗を、パッケージ構造の最適化及び有効熱管理等の方法により低減することができ、深紫外LEDの放熱性能及び信頼性を向上させることができる。

見通し

現在、深紫外LED技術は大きな発展を遂げているが、近紫外と青色LEDに比べて、深紫外LEDは依然として光効率が低く、信頼性が悪く、コストが高いなどの問題に直面しており、大規模な応用需要を満たすことは難しい。深紫外LEDの光効率と信頼性をさらに向上させるために、深紫外LEDパッケージ技術には、以下を含むが、これらに限定されない多くの研究に値する方向がある。

(1)新型パッケージ材料とパッケージ構造の探索。耐紫外光、高紫外透過率と低温硬化のパッケージ材料を開発し、高熱伝導、高強度、低温結合高温服務の溶接材料を開発し、パッケージ構造設計と最適化手段を通じて高光抽出と高放熱の深紫外LEDパッケージ構造を開発し、それによって深紫外LEDデバイスの光熱性能を高める。

（2）高集積深紫外LEDパッケージ技術の開発。将来、深紫外LEDは必然的に大規模、マルチチップ、集積化、低コストなどの方向に発展し、チップからウエハ(C 2 W)、ウエハからウエハ(W 2 W)などの板級パッケージ技術を含む高集積深紫外LEDパッケージ技術を開発する必要がある。

（3）深紫外LEDパッケージ協同設計強化。現在、深紫外LED技術の各段階間は互いに独立しており、チップ設計、パッケージ技術とデバイス応用間の相互脱節を招き、最終的に深紫外LEDが応用過程における光学性能と信頼性の需要を満たすことが困難である。

原文は【中国光学】に転載

青島蛍光革新科学技術有限会社は、専門の博士後チームを持ち、紫外殺菌応用の研究に専念し、長年にわたって紫外業界を深く耕し、会社は多くの国の発明と実用新案特許を獲得した。現在、複数の殺菌モジュール類製品が市場に投入されている。詳細は、Webサイトwww.qdyingguang.を参照してください。comは会社に連絡して微信の公衆番号を請求したり注目したりします。