CN110400860A - 一种uv led全无机密封结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种UV LED全无机密封结构，包括基板、芯片、封盖，所述芯片固定在所述基板的中间，所述封盖包括固定在所述基板上且包围所述芯片的金属框和设置在所述金属框上端内侧的玻璃盖板，所述玻璃盖板的横截面积在远离基板的方向逐渐增大，所述金属框与所述玻璃盖板紧密配合。本发明还提供了一种UV LED全无机密封结构的制备方法，该方法工艺简单，可操作性强。本发明的密封结构不但能有效解决紫外高能辐射产生的材料老化脆化问题，还可以解决封装结构透湿透氧造成的湿应力及气密性差等问题，从而增强UV LED封装结构的稳定性和可靠性，提高UV LED的工作寿命。
Description
技术领域
本发明属于LED封装技术领域，尤其涉及一种UV LED全无机密封结构及其制备方法。
背景技术
传统的紫外光源UV一般是采用汞蒸气放电利用汞的激发态来产生紫外线，具有功耗高、发热量大、寿命短、反应慢、有安全隐患等诸多缺陷。新兴的紫外光源采用LED发光原理，称为“UV LED”，与传统汞灯紫外光源拥有以下优点：1、因紫外LED是全固态照明器件，机械结构稳定，便携，耐冲击，工作电压小，且无需复杂的驱动电路；2、紫外LED响应速率高即开即用，无需预热等复杂操作，使用方便；3、传统汞灯多谱线发光，紫外LED发光峰单一，且发光波长连续可调；4、紫外LED材料中不含对环境有害的物质，同时，紫外LED节约高达70％的能源，是真正的环保节能光源；5、紫外LED寿命在5000 小时以上，远远超过汞灯的寿命。UV LED包括100nm～400nm之间的所有电磁辐射波长，应用市场目前根据其发光波长可以分为UVA(315nm～400nm，也称为“长波紫外线”)、UVB (280nm～315nm，也称为“中波紫外线”)和UVC(100nm～280nm，也称为“短波紫外线”) 波段，广泛于医疗应用、印刷、紫外光空气清净、高解析度光学应用、荧光粉反射、UV胶固化、特种照明等。
UV LED在实际环境中的应用通常会面临多方面的挑战，其中可靠性问题尤为突出。大功率高端应用的UV LED芯片，如用于医疗器械、印刷、高解析度光学应用等，由于其光照强度大，要求更为严格，则必须要求UV LED芯片具备较高的可靠性及工作寿命。要提高UVLED的可靠性，从封装材料或封装结构上去改进是一种非常有效的方式。目前市场上存在的UV LED的封装材料主要沿用可见光的封装材料，即不同程度地采用树脂类的有机材料进行封装，而有机材料抗紫外辐射性能差、热膨胀系数大、透湿透氧率高的特性，会造成紫外光辐射致胶体黄化光源衰减、热应力脆化及湿应力杂质入侵的劣性，将大幅降低UV LED的可靠性。因此，封装时尽量减少甚至完全不用有机材料可避免现有UV LED存在的问题。同时，在封装结构上，现有UV LED封装技术的问题在于：1、盖板安装于支架表面，易碰撞损坏；2、盖板竖直镶嵌于支架内导致侧面密封性能差。所以需要开发一种提高UV LED芯片的可靠性和工作寿命的抗紫外辐射密封结构。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种UV LED全无机密封结构，其特征在于，包括基板、芯片、封盖，所述芯片固定在所述基板的中间，所述封盖包括固定在所述基板上且包围所述芯片的金属框和设置在所述金属框上端内侧的玻璃盖板，所述玻璃盖板的横截面积在远离基板的方向逐渐增大，所述金属框与所述玻璃盖板紧密配合。
优选地，所述玻璃盖板的侧面为倾斜的平面状、倾斜的曲面状、阶梯状或凹槽状中的一种或多种组合。
优选地，所述玻璃盖板与所述金属框之间设有密封层，所述密封层厚度为0.01μm～ 50μm。
优选地，所述密封层材料为Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Ru或Pt中的一种或几种的合金。
优选地，所述芯片为垂直结构、倒装结构、或水平结构。
优选地，所述芯片为单颗或多颗，所述芯片以串联或并联方式排布。
本发明还提供了一种UV LED全无机密封结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1在基板上安装芯片；
S2采用模压技术或者光刻图形转移技术处理玻璃盖板侧面，使所述玻璃盖板的横截面积逐渐增大，采用模压技术或者光刻图形转移技术处理所述金属框上端内表面，使所述金属框与所述玻璃盖板紧密配合；
S3在包围所述芯片的所述基板上固定金属框；
S4在所述金属框上端内侧固定所述玻璃盖板。
优选地，将S2所述玻璃盖板侧面采用模压技术或者光刻图形转移技术处理为倾斜的平面状、倾斜的曲面状、阶梯状或凹槽状中的一种或多种组合。
优选地，采用原子层沉积、真空溅镀、电子束蒸发或电镀的方式在步骤S4所述玻璃盖板和所述金属框之间形成密封层。
优选地，步骤S4所述金属框与所述玻璃盖板采用金属键合方式固定，步骤S3所述金属框采用共晶焊或金属键合方式固定于所述基板上。
本发明的密封结构采用全无机材料，与采用有机材料封装方式相比，无机材料抗紫外能力强、热膨胀系数小，不易老化脆化，封装结构更稳定；本发明的密封结构，特别是玻璃盖板与金属框的结构设计，使得和部件之间结合强度更高，封装体密闭性佳，透湿透氧率非常低。
因此，本发明提供的UV LED密封结构不但能有效解决紫外高能辐射产生的材料老化脆化问题，还可以解决封装结构透湿透氧造成的湿应力及气密性差等问题，从而增强UVLED 封装结构的稳定性和可靠性，提高UV LED的工作寿命。
附图说明
图1实施例1中UV LED全无机密封结构剖视图；
图2实施例1中UV LED全无机密封结构俯视图；
图3 UV LED全无机密封结构仰视图；
图4实施例2中UV LED全无机密封结构剖视图；
图5实施例3中UV LED全无机密封结构剖视图；
其中，1为基板，101为电极对，102为焊盘对，103为金属连接层，104为热电分离结构； 2为芯片；3为金属框；4为玻璃盖板；401为密封层。
具体实施例
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更为清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1、图2，一种UV LED的全无机密封结构，包括基板1、芯片2和封盖，其中封盖包括金属框3和玻璃盖板4，玻璃盖板4的剖面为等腰梯形，其侧面为倾斜的平面，金属框3的上端内侧与玻璃盖板4紧密配合。金属框3与玻璃盖板4之间设有密封层401，密封层的材料为Au，金属框3材料为Cu,金属框3外表面为金，芯片2为3颗倒装UV LED 芯片。
本实施例的UV LED全无机密封结构制备步骤如下：
S1选择氧化铝基片为基板1，在基板1上采用雷射钻孔方式形成一对通孔，采用溅镀的方式在通孔内填充铜，并在基板1上、下表面各形成厚度为100μm的铜层，用黄光微影方式，将光阻覆盖在基板1上、下表面，并曝光、显影、蚀刻、去膜、电镀厚度5μm 的金锡合金层，在基板1上表面与所述通孔对应处形成焊盘对102，包围焊盘对102的区域形成连接层103，在基板1下表面与所述通孔对应的下表面形成电极对101，电极对101 之间形成热电分离结构104(见图3)，所述焊盘对102与所述电极对101通过通孔内的铜实现电性连接。
芯片2为UV LED芯片，3颗倒装UV LED芯片为并联且为倒装结构。
倒装UV LED芯片与基板1的固定方式：将常温锡膏点在焊盘对102上，将倒装UVLED 芯片电极压于锡膏上，然后将得到的基板1放置回流焊炉中进行回流焊，使倒装UV LED芯片与焊盘对102结合。
S2选择石英玻璃为玻璃盖板4，采用模压技术处理玻璃盖板4侧面，使玻璃盖板4的横截面积逐渐增大，且玻璃盖板4的剖面为等腰梯形，其侧面为倾斜的平面，采用模压技术处理所述金属框3上端内表面，使金属框3与玻璃盖板4紧密配合。
S3金属框3外表面电镀厚度为5μm的金层，将助焊剂置于金属框3下表面与金属连接层103之间，放入共晶炉中在氮气或氩气的保护下进行共晶焊接，使金属框3与基板1 结合。
S4在玻璃盖板4与金属框3结合处，采用原子层沉积(ALD)、真空溅镀、电镀或电子束蒸发技术多次沉积厚度为0.01μm密封层401。将带有密封层401的玻璃盖板4的侧面与金属框3上端内侧紧密贴合，放置于热压设备内，加热温度300～360℃，施加1～8kg/cm2压力，施压时间60min～90min，即可实现金属框3与玻璃盖板4的结合。
实施例2：
如图4，一种UV LED的全无机密封结构，包括基板1、芯片2和封盖，其中封盖包括金属框3和玻璃盖板4，玻璃盖板4的侧面为阶梯状，阶梯状具体为坡面和水平面交替结构，金属框3的上端内侧与玻璃盖板4紧密配合。金属框3与玻璃盖板4之间设有密封层 401，密封层401的材料为Cu，金属框3材料为Al,金属框3外表面为金，芯片2为单颗正装UV LED芯片。
本实施例的UV LED全无机密封结构制备步骤如下：
S1选择氧化铝基片为基板1，在基板1上采用深反应性离子刻蚀方式形成一对通孔，采用溅镀的方式在通孔内填充铜，并在基板1上、下表面各形成厚度为1000μm的铜层，用黄光微影方式，将光阻覆盖在基板1上、下表面，并曝光、显影、蚀刻、去膜、电镀厚度50μm的金锡合金层，在基板1上表面与所述通孔对应处形成焊盘对102，包围焊盘对 102的区域形成连接层103，在基板1下表面与所述通孔对应的下表面形成电极对101，电极对101之间形成热电分离结构104(见图3)，所述焊盘对102与所述电极对101通过通孔内的铜实现电性连接。
芯片2为UV LED芯片，且为正装结构。
正装UV LED芯片与基板1的固定方式：将正装UV LED芯片通过固晶胶固定在两焊盘中间，用超声波热压法进行打线，将正装UV LED芯片电极与焊盘对102通过导电线材相连，导电线材为金线、银镀金合金线、铜镀钯合金线、银线或铝线。
S2选择石英玻璃为玻璃盖板4，采用光刻图形转移技术处理玻璃盖板4侧面，使玻璃盖板4的横截面积逐渐增大，且玻璃盖板4的侧面为阶梯状，阶梯状具体为坡面和水平面交替结构，采用光刻图形转移技术处理所述金属框3上端内表面，使金属框3与玻璃盖板 4紧密配合。
S3将金属框3下表面与金属连接层103对应，然后放置于热压设备内，加热温度300～ 360℃，施加1～8kg/cm2压力，施压时间40min～70min，实现金属框3与基板1的结合。
S4在玻璃盖板4与金属框3结合处，先采用原子层沉积2μm厚度的Cu后再电镀Cu，使Cu的厚度达到50μm，完成密封层401的制备。
将带有密封层401的玻璃盖板4的侧面与金属框3上端内侧紧密贴合，放置于热压设备内，加热温度300～360℃，施加1～8kg/cm2压力，施压时间60min～90min，即可实现金属框3与玻璃盖板4的结合。
实施例3：
如图5，一种UV LED的全无机密封结构，包括基板1、芯片2和封盖，其中封盖包括金属框3和玻璃盖板4，玻璃盖板4的侧面为阶梯状，阶梯状具体为2个曲面凹槽，金属框3的上端内侧与玻璃盖板4紧密配合。金属框3与玻璃盖板4之间设有密封层401，密封层401的材料为Ag和Au合金，金属框3材料为Fe,金属框3外表面为金，芯片2为四颗垂直UV LED芯片。
本实施例的UV LED全无机密封结构制备步骤如下：
S1选择氮化铝基片为基板1，在基板1上采用深反应性离子刻蚀方式形成一对通孔，采用溅镀的方式在通孔内填充铜，并在基板1上、下表面各形成厚度为650μm的铜层，用黄光微影方式，将光阻覆盖在基板1上、下表面，并曝光、显影、蚀刻、去膜、电镀厚度10μm的金锡合金层，在基板1上表面与所述通孔对应处形成焊盘对102，包围焊盘对 102的区域形成连接层103，在基板1下表面与所述通孔对应的下表面形成电极对101，电极对101之间形成热电分离结构104(见图3)，所述焊盘对102与所述电极对101通过通孔内的铜实现电性连接。
芯片2为UV LED芯片，4颗UV LED芯片串联且为垂直结构。
垂直UV LED芯片与基板1的固定方式：将垂直UV LED芯片的正电极通过回流焊或共晶焊方式固定在焊盘对102中的正焊盘上，用超声波热压法进行打线，将垂直UV LED芯片负电极与负焊盘相连，使垂直UV LED芯片与基板1结合。
S2选择石英玻璃为玻璃盖板4，采用光刻图形转移技术处理玻璃盖板4侧面，使玻璃盖板4的横截面积逐渐增大，采用光刻图形转移技术处理所述金属框3上端内表面，使金属框3与玻璃盖板4紧密配合。
S3金属框3外表面电镀厚度为10μm的金层，将助焊剂置于金属框3下表面与金属连接层103之间，放入共晶炉中在氮气或氩气的保护下进行共晶焊接，使金属框3与基板 1结合。
S4在玻璃盖板4与金属框3结合处，采用原子层沉积(ALD)技术多次沉积厚度为10μm密封层401。将带有密封层401的玻璃盖板4的侧面与金属框3上端内侧紧密贴合，放置于热压设备内，加热温度300～360℃，施加1～8kg/cm2压力，施压时间60min～90min，即可实现金属框3与玻璃盖板4的结合。
本发明使用了全无机材料封装，抗紫外能力强、热膨胀系数小，不易老化脆化，封装结构更稳定。本发明的全无机密封结构制备方法简单，操作性强，可进行工业化生产。
本发明各实施例的UV LED全无机密封结构中玻璃盖板的横截面积在远离基板的方向逐渐增大，金属框上端包围玻璃盖板并与玻璃盖板紧密配合，一方面可以有效保护玻璃盖板，防止玻璃盖板侧面因碰撞而损坏；另一方面由于玻璃盖板自身重力的作用，在UVLED 全无机密封结构的制备过程中，玻璃盖板对金属框的压应力使得两者贴合更加紧密，在使用过程中，玻璃盖板对金属框存在压应力，可以增强玻璃盖板与金属框之间的密封性。实施例2和实施例3中金属框和玻璃盖板之间呈阶梯状，可以加大水或气侵入密封结构的难度，从而提高器件的密封性，增加器件的稳定性和寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种UV LED全无机密封结构，其特征在于，包括基板、芯片、封盖，所述芯片固定在所述基板的中间，所述封盖包括固定在所述基板上且包围所述芯片的金属框和设置在所述金属框上端内侧的玻璃盖板，所述玻璃盖板的横截面积在远离基板的方向逐渐增大，所述金属框与所述玻璃盖板紧密配合。
2.根据权利要求1所述的一种UV LED全无机密封结构，其特征在于，所述玻璃盖板的侧面为倾斜的平面状、倾斜的曲面状、阶梯状或凹槽状中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种UV LED全无机密封结构，其特征在于，所述玻璃盖板与所述金属框之间设有密封层，所述密封层厚度为0.01μm～50μm。
4.根据权利要求3所述的一种UV LED全无机密封结构，其特征在于，所述密封层材料为Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Au、Ru或Pt中的一种或几种的合金。
5.根据权利要求1所述的一种UV LED全无机密封结构，其特征在于，所述芯片为倒装结构、正装结构或垂直结构。
6.根据权利要求1所述的一种UV LED全无机密封结构，其特征在于，所述芯片为单颗或多颗，所述芯片以串联或并联方式排布。
7.权利要求1-6任一项所述的UV LED全无机密封结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1在基板上安装芯片；
S2采用模压技术或者光刻图形转移技术处理玻璃盖板侧面，使所述玻璃盖板的横截面积逐渐增大，采用模压技术或者光刻图形转移技术处理所述金属框上端内表面，使所述金属框与所述玻璃盖板紧密配合；
S3在包围所述芯片的所述基板上固定金属框；
S4在所述金属框上端内侧固定所述玻璃盖板。
8.根据权利要求7所述的UV LED全无机密封结构的制备方法，其特征在于，将S2所述玻璃盖板侧面采用模压技术或者光刻图形转移技术处理为倾斜的平面状、倾斜的曲面状、阶梯状或凹槽状中的一种或多种组合。
9.根据权利要求7所述的UV LED全无机密封结构的制备方法，其特征在于，采用原子层沉积、真空溅镀、电子束蒸发或电镀的方式在S4所述玻璃盖板和所述金属框之间形成密封层。
10.根据权利要求7所述的UV LED全无机密封结构的制备方法，其特征在于，S3所述金属框采用共晶焊或金属键合方式固定于所述基板上，S4所述金属框与所述玻璃盖板采用金属键合方式固定。
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