紫外LED具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、效率高、波長(zhǎng)單一且可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),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(mǎn)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(lái)封裝以提高封裝密度來(lái)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(lái)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(jì)為基礎(chǔ)的散熱問(wèn)題、可靠性問(wèn)題和光斑、輻照度均勻性等問(wèn)題又比較突出,加之單個(gè)紫外LED的電功率往往更大、量子效率也往往比可見(jiàn)光的低很多,很多材料也對(duì)紫外光有吸收等,使得這些問(wèn)題變得更為突出,因此,急切需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。而學(xué)界已在可見(jiàn)光LED領(lǐng)域的封裝技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)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(duì)紫外LED封裝技術(shù)進(jìn)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(jiàn)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(shì)推測(cè)可知,氧化鋁陶瓷基板不能滿(mǎn)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(mǎn)足更高封裝密度的封裝要求,但是其高昂的價(jià)格是它大規(guī)模應(yīng)用需要考慮的一個(gè)重要因素,這些結(jié)論為進(jìn)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(guò)有限元仿真、光學(xué)設(shè)計(jì)分析與實(shí)驗(yàn)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(duì)紫外LED COB模組散熱的影響,得到了實(shí)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(duì)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)散熱,但當(dāng)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(shí),基板和粘接劑導(dǎo)熱系數(shù)的增加對(duì)紫外LED COB模組散熱的影響幾乎可以忽略不計(jì)。此外,在封裝工藝上,當(dāng)粘接劑面積(Sa)和芯片面積(Sc)的面積比(Sa/Sc)=0.9時(shí),既能實(shí)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(shí)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?yàn)榉稚⒖锥从休^大的接觸表面積增加了沿各個(gè)方向的散熱路徑;通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)探究,獲得了較優(yōu)化的回流焊工藝參數(shù),即當(dāng)回流焊工藝的八個(gè)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(shí),能獲得較好的固晶焊接質(zhì)量;值得一提的是,本文還通過(guò)制樣測(cè)試與所得的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)誤差約為3.2%,證實(shí)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(shí)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(duì)推動(dòng)紫外LED封裝技術(shù)的發(fā)展具有比較積極的意義。