三种紫外LED封装物料对比：谁最高效可靠？

　　紫外LED 具体积小、寿命长和效率高等优点，具有广泛的应用前景。目前紫外LED 的发光功率不高，除了芯片制作水平的提高外，封装技术对LED 的特性也有重要的影响。

　　目前，紫外LED 主要有环氧树脂封装和金属与玻璃透镜封装。前者主要应用于400 nm 左右的近紫外LED， 但紫外光对材料的老化影响较大。后者主要应用于波长小于380 nm 的紫外LED，由于GaN 和蓝宝石折射率分别为2.4和1.76，而气体折射率为1，较大的折射率差导致全反射对光的限制较为严重，封装后出光效率低。

　　封装材料是LED封装技术的另一个重要方面。LED封装材料主要有玻璃透镜、环氧树脂和硅树脂等。石英玻璃软化点温度为1 600℃，热加工温度为1 700~2000℃，从工艺的角度，石英玻璃不适合用来密封LED芯片；环氧树脂高温耐热性能一般，耐紫外光性能较差；硅树脂是近几年开始应用于LED 封装的材料，目前国内对硅树脂的透过率、耐热和耐紫外光特性研究较少，特别是对于硅树脂封装紫外LED 的特性还缺乏研究。

　　本文立足于波长小于380 nm 的紫外LED 的封装技术，对不同封装材料的透过率、耐紫外光和耐热性进行了对比，进而提出高出光效率、高可靠性的紫外LED封装结构。

　　实验

　　采用的紫外光LED 芯片峰值波长有395 和375 nm 2种，分别由在碳化硅和蓝宝石衬底上外延生长GaN 制备而成。在20 mA 注入电流下，碳化硅和蓝宝石衬底的L ED芯片工作电压分别为3.8 和3.4 V。

　　研究了石英玻璃、环氧树脂和硅树脂具有代表性的5种不同型号的封装材料。石英玻璃是厚度为2 mm 的JGS1 型材料；环氧树脂A 和B 分别为双酚A 型和脂环族环氧树脂；硅树脂A 和B 分别是弹性硅胶和树脂型硅胶。

　　光功率和峰值波长系在杭州远方公司PMS-50增强型紫外-可见-近红外光谱分析系统上测量得到。光学透过率的测量系统如图1 所示，单色仪为江苏维信科技公司的CM200 型，灯源为天津拓普公司的GY-10高压球形氙灯，信号采集和处理系统采用的是远方公司的紫外-可见光分析系统。

　　采用材料的光学透过率随时间的变化来评估其热稳定性。样品厚度为2 mm，放置于烘箱中恒温老化，温度为150℃。

　　紫外LED封装材料研究

　　1、材料光学透过率特性

　　石英玻璃、硅树脂和环氧树脂的透过率如图2 所示。硅树脂和环氧树脂先注入模具，高温固化后脱模，形成厚度均匀为5 mm 的样品。为了便于比较，根据Bouguer-Lam-bert 定律，把测量值都换算成mm-1厚度时的透过率。

　　可以看到，环氧树脂在可见光范围具有很高的透过率，某些波长的透过率甚至超过了95%，但环氧树脂在紫外光范围的吸收损耗较大，波长小于380nm 时，透过率迅速下降。硅树脂在可见光范围透过率接近92%，在紫外光范围内要稍低一些，但在320nm时仍然高于88%，表现出很好的紫外光透射性质；石英玻璃在可见光和紫外光范围的透过率都接近95%，是所有材料里面紫外光透过率最高的。

　　对于紫外LED封装，石英玻璃具有最高的透过率，硅树脂次之，环氧树脂较差。然而尽管石英玻璃紫外光透过率高，但是其热加工温度高，并不适用于LED芯区的密封，因此在LED封装工艺中石英玻璃一般仅作为透镜材料使用。由于石英玻璃的耐紫外光辐射和耐热性能已经有很多报道，仅对常用于密封LED芯区的环氧树脂和硅树脂的耐紫外光辐射和耐热性能进行研究。

　　2、耐紫外光特性

　　研究了环氧树脂A和B 以及硅树脂A和B 在封装波长为395 nm 和375 nm 的LED芯片时的老化情况，如图3所示。实验中，每个LED的树脂涂层厚度均为2 mm。

　　可以看到，环氧树脂材料耐紫外光辐射性能都较差，连续工作时，紫外LED输出光功率迅速衰减，100h后输出光功率均下降到初始的50% 以下；200h后，LED的输出光功率已经非常微弱。对于脂环族的环氧树脂B，在375nm 的紫外光照射下衰减比395nm 时要快，说明对紫外光波长较为敏感，由于375 nm 的紫外光光子能量较大，破坏也更为严重。

　　双酚类的环氧树脂A 在375nm和395nm的紫外光照射下都迅速衰减，衰减速度基本一致。尽管双酚类的环氧树脂A 在375nm和395nm 时的光透过率要略高于脂环族类的环氧树脂B，但是由于环氧树脂A含有苯环结构，因此在紫外光持续照射时，衰减要比环氧树脂B 要快。测量老化前后LED芯片的光功率，发现老化后LED 的光功率基本上没有衰减。

　　这说明，光功率的衰减主要是由紫外光对环氧树脂的破坏引起的。环氧树脂是高分子材料，在紫外线的照射下，高分子吸收紫外光子，紫外光子光子能量较大，能够打开高分子间的键链。因此，在持续的紫外光照射下，环氧树脂的主链慢慢被破坏，导致主链降解，发生了光降解反应，性质发生了变化。实验表明，环氧树脂不适合用于波长小于380 nm 的紫外LED芯片的封装。

　　相对环氧树脂，硅树脂表现出了良好的耐紫外光特性。经过近1500h老化后，LED输出光功率虽然有不同程度的衰减，但是仍维持在85%以上，衰减低于15%。这可能与硅树脂和环氧树脂间的结构差异有关。硅树脂的主要结构包括Si 和O，主链Si-O-Si是无机的，而且具有较高的键能（422.5 kJ/mol） ；而环氧树脂的主链主要是C-C或C-O，键能分别为356kJ/mol 和344.4 kJ/ mol。由于键能较高，硅树脂的性能相对要稳定。因此，硅树脂具有良好的耐紫外光特性。

　　3、耐热性

　　LED 封装对材料的耐热性提出了更高的要求。从图3可以看出，环氧树脂B 和硅树脂B 具有较好的承受紫外光辐照的能力。因此，对其热稳定性进行了研究。图4 表示这两种材料在高温老化后mm-1厚度时透过率随时间的变化情况。可以看到，环氧树脂的耐热性较差，经过连续6days 的高温老化后，各个波长的透过率都发生了较大的衰减，紫外光范围的衰减尤其严重，环氧树脂样品颜色从最初的清澈透明变成了黄褐色。

　　硅树脂表现出了优异的耐热性能。在150℃的高温环境下，经过14 days 的老化后，可见光范围的样品mm-1厚度时透过率只有稍微的衰减，在紫外光范围也仅有少量的衰减，颜色仍然保持着最初的清澈透明。与环氧树脂不同，硅树脂以Si-O-Si键为主链，由于Si-O键具有较高的键能和离子化倾向，因此具有优良的耐热性。

　　高出光效率、高可靠性紫外LED封装

　　根据实验结果，结合硅树脂和石英玻璃材料，提出了一种新的紫外LED封装方法，如图5所示。

　　封装结构共有3 层。里层采用硅树脂A 进行密封，因为硅树脂A 的折射率为1.53，有利于充分提高LED 的提取效率，而且固化后为弹性硅胶，较低的机械强度有利于保护芯片和电极引线。中间层是硅树脂B，作为石英玻璃透镜和硅树脂A 层间的过渡层，而且硅树脂B 透过率较高，折射率为1.51；固化后硬度大、粘接性强，能很好地固定玻璃透镜。外层是高透过率的JGS1型石英玻璃透镜，折射率为1.46，用于光的导出，并形成一定的光场分布，其极高的紫外光透过率减少了光在激射过程中的损失。

　　在整个结构中，为了尽可能减少硅树脂对紫外光的吸收损耗，树脂层厚度都较薄。同时，折射率逐层递减的3 层结构有利于减少光在传播过程中的菲涅尔损耗。

　　下表给出了不同封装结构的紫外LED封装前后的光功率。

　　可以看到，在LED芯片峰值波长一样、裸片功率相近的情况下，新封装结构的紫外LED，出光功率提高了60%以上，出光效率是金属与玻璃透镜封装的2.7倍。相对于环氧树脂封装的紫外LED，新封装结构的紫外LED 出光效率要低，但是稳定性要远好于环氧树脂封装的LED。老化实验表明，环氧树脂封装的紫外LED发光功率在不到100h内已经衰减到50%以下。而新封装结构的紫外LED 具有良好的稳定性，连续工作800h后发光功率依然维持在95%以上，发光功率衰减低于5%。

　　结论

　　硅树脂比环氧树脂具有更高的紫外光透过率、更优异的耐紫外光和耐热特性，是密封紫外LED芯片很好的材料。设计了使用硅树脂与石英玻璃透镜封装的紫外LED封装方法。

　　新封装结构的紫外LED出光效率是金属外壳与玻璃透镜封装LED的2.7倍；同时具有良好的稳定性，连续工作800h，发光功率衰减低于5% 。

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