紫外LED具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、效率高、波長單一且可調(diào)等優(yōu)點,成為了含有害汞元素的紫外汞燈的理想替代品。然而,單顆的紫外LED芯片或燈珠很難滿足紫外應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咦贤夤饽芰棵芏鹊男枨?必須以多芯片或多燈珠模組的形式來封裝以提高封裝密度來提供更高的光能量輸出。板上芯片封裝(Chip on Board,COB)便是一種能將多顆芯片直接貼裝在基板上來提高封裝密度的一種成熟的封裝技術(shù)。然而,隨著芯片的增多,封裝密度也隨之增加,其中以熱管理和光學(xué)設(shè)計為基礎(chǔ)的散熱問題、可靠性問題和光斑、輻照度均勻性等問題又比較突出,加之單個紫外LED的電功率往往更大、量子效率也往往比可見光的低很多,很多材料也對紫外光有吸收等,使得這些問題變得更為突出,因此,急切需要對其進行系統(tǒng)的研究。而學(xué)界已在可見光LED領(lǐng)域的封裝技術(shù)取得長足進展,在紫外LED領(lǐng)域的封裝技術(shù)研究則比較少,有的也是往往集中在外延芯片方面的研究,在一定程度上制約了紫外LED行業(yè)的發(fā)展,很有必要對紫外LED封裝技術(shù)進行全面、系統(tǒng)的研究。本文先以倒裝紫外LED的COB封裝為載體,使用有限元仿真的方法研究了三種常見的COB封裝基板的熱性能,探討了在保證可靠性的前提下,盡可能提高器件的封裝密度。在基板尺寸為13×13×1 mm并保證可靠性的前提下,鋁基板不適宜應(yīng)用在大于0.38 W/mm~2以上的封裝密度;根據(jù)趨勢推測可知,氧化鋁陶瓷基板不能滿足0.94 W/mm~2以上封裝密度的封裝;而氮化鋁陶瓷基板則可滿足更高封裝密度的封裝要求,但是其高昂的價格是它大規(guī)模應(yīng)用需要考慮的一個重要因素,這些結(jié)論為進一步研究提供了重要的參考。然后,在綜合考慮成本、工藝等因素的情況下,以金屬基板為基礎(chǔ),通過有限元仿真、光學(xué)設(shè)計分析與實驗相結(jié)合的方法,全面、系統(tǒng)地研究了芯片間距與封裝結(jié)構(gòu)、基板和粘接劑材料、粘接劑封裝面積與孔洞率等不同因素對紫外LED COB模組散熱的影響,得到了實現(xiàn)高性能、高可靠、低熱阻的紫外LED COB模組的封裝結(jié)構(gòu)。

研究表明,在封裝結(jié)構(gòu)上,選擇2.5 mm左右的最佳芯片間距,可以獲得更低的結(jié)溫和更高的輻照度;引入高導(dǎo)熱的鋁隔板對封裝結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高散熱效果的有效途徑。在封裝材料選擇上,雖然更高導(dǎo)熱率的材料可以促進散熱,但當基板和粘接劑的導(dǎo)熱系數(shù)分別大于240 W/(m K)和60 W/(m K)時,基板和粘接劑導(dǎo)熱系數(shù)的增加對紫外LED COB模組散熱的影響幾乎可以忽略不計。此外,在封裝工藝上,當粘接劑面積(Sa)和芯片面積(Sc)的面積比(Sa/Sc)=0.9時,既能實現(xiàn)優(yōu)良的散熱,又能最大限度地減少粘接劑材料的使用,同時又避免了粘接劑材料阻擋出光和造成漏電;分散孔洞具有更好的散熱性能,因為分散孔洞有較大的接觸表面積增加了沿各個方向的散熱路徑;通過多次實驗探究,獲得了較優(yōu)化的回流焊工藝參數(shù),即當回流焊工藝的八個溫區(qū)溫度分別為100、130、160、190、230、255、255、215℃,回流焊的速度為0.65 m/min時,能獲得較好的固晶焊接質(zhì)量;值得一提的是,本文還通過制樣測試與所得的仿真結(jié)果進行對比,發(fā)現(xiàn)誤差約為3.2%,證實了本文所使用的研究方法和研究思路的可靠性和有效性。本文在實現(xiàn)高性能、高可靠、低熱阻的紫外LED封裝技術(shù)的研究取得了一定的成果,對推動紫外LED封裝技術(shù)的發(fā)展具有比較積極的意義。