與傳統(tǒng)紫外光源相比，UV LED具有節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、功耗低和波長(zhǎng)可選等諸多優(yōu)勢(shì)。按照發(fā)光波長(zhǎng)的大小，UV LED可以分為長(zhǎng)波紫外UVA（315~400nm）、中波紫外UVB（280~315 nm）和短波紫外UVC（200~280 nm）。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)光波長(zhǎng)大于300 nm的屬于淺紫外，小于300 nm的屬于深紫外。按照封裝方式與集成度的不同，UV LED又可分為分立式器件與集成模組。

其中，集成模組可以分為COB（Chip On Board）和DOB（DeviceOn Board）。COB是將多顆LED芯片直接焊接在一塊基板上，而DOB是先將LED芯片封裝在器件內(nèi)再將多個(gè)器件焊接在一塊基板上。而在封裝物料方面，近紫外UV LED芯片基本為垂直結(jié)構(gòu)芯片，加之其加載的電功率較大，所以基本采用銀膠來(lái)固晶。在進(jìn)行器件貼裝時(shí)，常采用錫膏。因此，UV LED互聯(lián)層主要包括固晶銀膠層及錫膏層。

互聯(lián)層是影響LED可靠性最重要的因素之一。有研究表明，LED互聯(lián)層的互聯(lián)質(zhì)量對(duì)LED的出光效率[1]、總熱阻[2]和可靠性[3]有很大影響。其中，對(duì)于熱阻的影響，Amy S. Fleischer等人研究發(fā)現(xiàn)：多個(gè)隨機(jī)分布的小的空洞（總百分比V%）對(duì)器件總熱阻（Rjc）的影響關(guān)系為Rjc=0.007V%+1.4987，而多個(gè)比較大的空洞對(duì)器件總熱阻的影響關(guān)系為Rjc=1.427e0.015V% [4]。

因此，互聯(lián)層內(nèi)的空洞會(huì)增加器件的總熱阻，而使得器件的可靠性下降。尤其對(duì)于固晶層來(lái)說(shuō)，大面積的空洞會(huì)嚴(yán)重阻礙芯片的散熱。研究表明，器件的工作溫度每升高10℃，其失效率增加1倍[5]。

因此，為保障UV LED的性能和可靠性，互聯(lián)層的空洞率控制顯得至關(guān)重要。然而，目前各UV LED封裝公司的封裝技術(shù)水平不同，在互聯(lián)層空洞率的控制水平也不同。圖一所示為某家公司的UV LED芯片固晶層與器件貼裝錫膏層的X-RAY圖片，兩種互聯(lián)層的空洞率都高于20%。

當(dāng)然，我司在進(jìn)行大芯片（尺寸大于40 mil）固晶和器件貼裝時(shí)同樣會(huì)遇到互聯(lián)層空洞率偏高的問(wèn)題。因此，如何將互聯(lián)層空洞率控制在較低水平是整個(gè)行業(yè)面臨的難題。為此，本文分別從UV LED分立器件和UV LED集成模組兩個(gè)方面對(duì)固晶層和器件貼裝錫膏層的空洞率控制工藝進(jìn)行了研究與論述。

圖一 典型的UV LED的X-RAY掃描圖（左：器件；右：DOB模組）

UV LED分立器件

一般來(lái)說(shuō)，UV LED器件的散熱路徑主要有三個(gè)：①芯片-金線-線路層-碗杯-環(huán)境；②芯片-外封膠（氣體或空氣）-透鏡（蓋板）-環(huán)境；③芯片-固晶層-基板-環(huán)境。相比之下，路徑①和②的散熱能力很有限，路徑③是主要的散熱途徑。而路徑③內(nèi)，固晶層是芯片散熱的關(guān)鍵之處。

如上所述，UV LED分立器件的固晶層通常為銀膠。而目前行業(yè)內(nèi)固晶工藝主要有兩種，一種是粘膠式，一種是注膠式。粘膠式固晶是采用金屬或橡膠點(diǎn)膠頭在膠盤內(nèi)粘膠并轉(zhuǎn)移至基板上，而注膠式固晶是采用針頭將針筒內(nèi)的膠注射到基板上。

相比注膠式固晶工藝，粘膠式固晶工藝更為普遍。而且，對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)，小尺寸芯片固晶基本不會(huì)出現(xiàn)空洞，而大于40 mil（1 mm）的芯片固晶很難控制空洞率。因此，以1.8 mm×1.2 mm芯片為例，如果采用單頭點(diǎn)膠頭很容易出現(xiàn)圖一所示的空洞。

因此，為解決此問(wèn)題，從以下方面進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

1、點(diǎn)膠頭設(shè)計(jì)：參考SPT點(diǎn)膠頭設(shè)計(jì)原則，包括形狀、外形尺寸、點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)間距等；

2、點(diǎn)膠次數(shù)：包括單次點(diǎn)膠和兩次點(diǎn)膠，兩次點(diǎn)膠又包括同位點(diǎn)膠和錯(cuò)位點(diǎn)膠；

3、點(diǎn)膠后點(diǎn)膠頭抬起的延時(shí)時(shí)間：5 ms，25ms，50 ms；

4、點(diǎn)膠頭加溫：0℃，40℃，60℃，80℃。

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，最后獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)。而且，以此工藝進(jìn)行批量點(diǎn)膠，可將固晶層空洞率控制在3%以內(nèi)（如圖二所示）。

圖二 工藝優(yōu)化后典型的固晶效果

UV LED集成模組

如前所述，目前市面上常見(jiàn)的UV LED集成模組主要有COB和DOB兩種。COB與DOB的典型結(jié)構(gòu)及主要散熱路徑如圖三所示。對(duì)于COB來(lái)說(shuō)，控制固晶層的空洞率即可保障各芯片的散熱。

而對(duì)于DOB來(lái)說(shuō)，其散熱路徑上固晶層與錫膏層較為關(guān)鍵。在不考慮接觸熱阻和空洞率等理想情況下進(jìn)行DOB各層的熱阻計(jì)算，如表一所示。從表一可見(jiàn)，互聯(lián)層（包括固晶層和錫膏層）的熱阻對(duì)DOB總熱阻的占比較大。如果互聯(lián)層的焊接質(zhì)量不佳，例如焊料不足或空洞很多，其對(duì)總熱阻的影響將更大。

對(duì)于UV LED器件與基板間的焊料層，由于焊盤面積大、物料性能和工藝水平等問(wèn)題，不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣泡而形成空洞。目前行業(yè)內(nèi)DOB模組產(chǎn)品的錫膏層空洞率普遍在20%以上（如圖一的右圖所示）。

針對(duì)此問(wèn)題，我司進(jìn)行了以下方面的研究：

一、不同品牌的多種錫膏對(duì)比；

二、鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)：不同厚度、不同圖形形狀和不同圖形尺寸等；

三、回流爐工藝參數(shù)調(diào)整，包括溫度和時(shí)間等。

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，找到了最優(yōu)工藝，錫膏層的空洞率可100%控制在10%以內(nèi)（如圖四所示），且5%左右空洞率的占比在80%以上。采用此最優(yōu)工藝進(jìn)行DOB模組的器件貼裝，可實(shí)現(xiàn)低空洞率的互聯(lián)，從而較大程度地降低了空洞對(duì)UV LED器件的光熱特性和可靠性的影響。

（a）采用垂直結(jié)構(gòu)UV LED芯片的COB

 

（b）采用垂直結(jié)構(gòu)UV LED芯片的DOB

圖三 典型的COB與DOB模組結(jié)構(gòu)圖

 

表一 DOB的熱阻計(jì)算

總結(jié)

UV LED光源在應(yīng)用端通常會(huì)面臨各種挑戰(zhàn)，尤其是熱可靠性方面的挑戰(zhàn)。在高功率密度的場(chǎng)合，UV LED的散熱能力顯得更為重要。對(duì)于UV LED器件和DOB模組來(lái)說(shuō)，互聯(lián)層是其散熱的關(guān)鍵之處。

圖四 工藝優(yōu)化后典型的DOB模組的X-RAY掃描圖

針對(duì)目前行業(yè)內(nèi)固晶層和錫膏層空洞率難以控制的問(wèn)題，進(jìn)行了大量對(duì)比試驗(yàn)并獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)。在進(jìn)行批量固晶和器件貼裝時(shí)，固晶層的空洞率可基本控制在3%以內(nèi)，而錫膏層的空洞率可100%控制在10%以下，且5%左右空洞率的占比在80%以上。因此，較大程度地降低了互聯(lián)層對(duì)UV LED器件的光熱特性和可靠性等的影響。