紫外LED COB模组的封装结构设计与工艺优化

紫外LED具有节能环保、寿命长、效率高、波长单一且可调等优点,成为了含有害汞元素的紫外汞灯的理想替代品。然而,单颗的紫外LED芯片或灯珠很难满足紫外应用领域对高紫外光能量密度的需求,必须以多芯片或多灯珠模组的形式来封装以提高封装密度来提供更高的光能量输出。板上芯片封装(Chip on Board,COB)便是一种能将多颗芯片直接贴装在基板上来提高封装密度的一种成熟的封装技术。然而,随着芯片的增多,封装密度也随之增加,其中以热管理和光学设计为基础的散热问题、可靠性问题和光斑、辐照度均匀性等问题又比较突出,加之单个紫外LED的电功率往往更大、量子效率也往往比可见光的低很多,很多材料也对紫外光有吸收等,使得这些问题变得更为突出,因此,急切需要对其进行系统的研究。而学界已在可见光LED领域的封装技术取得长足进展,在紫外LED领域的封装技术研究则比较少,有的也是往往集中在外延芯片方面的研究,在一定程度上制约了紫外LED行业的发展,很有必要对紫外LED封装技术进行全面、系统的研究。本文先以倒装紫外LED的COB封装为载体,使用有限元仿真的方法研究了三种常见的COB封装基板的热性能,探讨了在保证可靠性的前提下,尽可能提高器件的封装密度。在基板尺寸为13×13×1 mm并保证可靠性的前提下,铝基板不适宜应用在大于0.38 W/mm~2以上的封装密度;根据趋势推测可知,氧化铝陶瓷基板不能满足0.94 W/mm~2以上封装密度的封装;而氮化铝陶瓷基板则可满足更高封装密度的封装要求,但是其高昂的价格是它大规模应用需要考虑的一个重要因素,这些结论为进一步研究提供了重要的参考。然后,在综合考虑成本、工艺等因素的情况下,以金属基板为基础,通过有限元仿真、光学设计分析与实验相结合的方法,全面、系统地研究了芯片间距与封装结构、基板和粘接剂材料、粘接剂封装面积与孔洞率等不同因素对紫外LED COB模组散热的影响,得到了实现高性能、高可靠、低热阻的紫外LED COB模组的封装结构。

研究表明,在封装结构上,选择2.5 mm左右的最佳芯片间距,可以获得更低的结温和更高的辐照度;引入高导热的铝隔板对封装结构进行结构优化是提高散热效果的有效途径。在封装材料选择上,虽然更高导热率的材料可以促进散热,但当基板和粘接剂的导热系数分别大于240 W/(m K)和60 W/(m K)时,基板和粘接剂导热系数的增加对紫外LED COB模组散热的影响几乎可以忽略不计。此外,在封装工艺上,当粘接剂面积(Sa)和芯片面积(Sc)的面积比(Sa/Sc)=0.9时,既能实现优良的散热,又能最大限度地减少粘接剂材料的使用,同时又避免了粘接剂材料阻挡出光和造成漏电;分散孔洞具有更好的散热性能,因为分散孔洞有较大的接触表面积增加了沿各个方向的散热路径;通过多次实验探究,获得了较优化的回流焊工艺参数,即当回流焊工艺的八个温区温度分别为100、130、160、190、230、255、255、215℃,回流焊的速度为0.65 m/min时,能获得较好的固晶焊接质量;值得一提的是,本文还通过制样测试与所得的仿真结果进行对比,发现误差约为3.2%,证实了本文所使用的研究方法和研究思路的可靠性和有效性。本文在实现高性能、高可靠、低热阻的紫外LED封装技术的研究取得了一定的成果,对推动紫外LED封装技术的发展具有比较积极的意义。