CN111640845A - 深紫外led光源及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于LED封装工艺技术领域，具体涉及一种深紫外LED光源及其封装方法。该深紫外LED光源的封装方法包括如下步骤：提供基板，所述基板上设置有围坝和LED芯片，所述LED芯片位于所述围坝内；在所述围坝上涂布硅烷偶联剂溶液，进行加热反应，形成连有硅烷氧基的围坝；在所述连有硅烷氧基的围坝上涂布胶粘剂，然后将透镜置于所述胶粘剂上施压，进行固化处理形成粘接层，得到封装后的深紫外LED光源。该封装方法可以提高胶粘剂的粘接强度，增强围坝与粘接层之间的粘接性，从而增加深紫外LED光源的封装气密性，最终提高器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于LED封装工艺技术领域，具体涉及一种深紫外LED光源及其封装方法。
背景技术
深紫外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是杀菌消毒中的一把利器，具有高效、光谱、节能、环保等优点，是近年来市场关注的焦点。随着《水俣公约》的推进，使用第三代半导体AlGaN作为发光材料的深紫外LED将逐步取代汞灯，成为深紫外光源的主力光源。
但是，由于深紫外光的波长较短，深紫外LED发射光的光子能量高，对于封装材料的选择提出了很高的要求。常用的封装材料，如硅胶或环氧树脂，如直接被高能的紫光照射，有机元素间的成键会断裂而导致材料失效。目前多采用石英透镜作为封装窗口，因其不仅在深紫外区域具有良好的透光性，并且化学性质非常稳定不易失效。但是石英玻璃的加工温度极高，无法直接熔固于支架上；常用的金属焊料操作温度至少需要300℃，对于深紫外LED芯片而言有降低性能甚至失效的风险。采用高分子层将石英透镜粘接固定于基板和围坝上是一个很好的选择。但是高分子材料通常固化后粘接力较弱，长时间工作的条件下容易发生粘接失效，进而导致LED芯片受到外界污染物的作用导致衰减。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深紫外LED光源及其封装方法，旨在解决现有深紫外LED的封装效果不理想的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种深紫外LED光源的封装方法，包括如下步骤：
提供基板，所述基板上设置有围坝和LED芯片，所述LED芯片位于所述围坝内；
在所述围坝上涂布硅烷偶联剂溶液，进行加热反应，形成连有硅烷氧基的围坝；
在所述连有硅烷氧基的围坝上涂布胶粘剂，然后将透镜置于所述胶粘剂上施压，进行固化处理形成粘接层，得到封装后的深紫外LED光源。
本发明提供的深紫外LED光源的封装方法，先在围坝上用硅烷偶联剂进行处理，从而使围坝表面连接硅烷氧基，然后将胶粘剂涂布在连有硅烷氧基的围坝上固化形成粘接层，这样的封装方法可以提高胶粘剂的粘接强度，增强围坝与粘接层之间的粘接性，从而增加深紫外LED光源的封装气密性，最终提高器件的使用寿命。
本发明另一方面提供一种深紫外LED光源，包括基板、透镜、以及设置在所述基板上的围坝和LED芯片，所述LED芯片位于所述围坝内，所述透镜通过粘接层与所述围坝无缝连接，所述围坝表面连接有硅烷氧基，所述粘接层由胶粘剂与所述围坝表面的硅烷氧基交联固化得到。
本发明提供的深紫外LED光源，在透镜和围坝无缝连接的粘接层由胶粘剂与围坝表面的硅烷氧基交联固化得到，这样可以提高胶粘剂的粘接强度，增强围坝与粘接层之间的粘接性，从而增加该深紫外LED光源的封装气密性，最终提高器件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的深紫外LED光源的结构正视图；
图2为本发明实施例提供的深紫外LED光源的结构俯视图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种深紫外LED光源的封装方法，包括如下步骤：
S01：提供基板，所述基板上设置有围坝和LED芯片，所述LED芯片位于所述围坝内；
S02：在所述围坝上涂布硅烷偶联剂溶液，进行加热反应，形成连有硅烷氧基的围坝；
S03：在所述连有硅烷氧基的围坝上涂布胶粘剂，然后将透镜置于所述胶粘剂上施压，进行固化处理形成粘接层，得到封装后的深紫外LED光源。
本发明实施例提供的深紫外LED光源的封装方法，先在围坝上用硅烷偶联剂进行处理，从而使围坝表面连接硅烷氧基，然后将胶粘剂涂布在连有硅烷氧基的围坝上固化形成粘接层，这样的封装方法可以提高胶粘剂的粘接强度，增强围坝与粘接层之间的粘接性，从而增加深紫外LED光源的封装气密性，最终提高器件的使用寿命。
本发明实施例通过对粘接层进行相应的结构设计和分子改性，胶粘剂高分子固化后可以得到具有很好的气密性、粘接力强的固化体，并且可以在相对较低的温度下进行固化，因此，对于芯片的高温影响极大地减轻。因此本发明实施例提供一种操作条件温和、可靠性好、成本低廉的封装方法，可以显著提高深紫外LED的应用。
上述步骤S01中，基板可以是氮化铝陶瓷基板，围坝可以包括两级台阶结构；基板上还有线路(形成导电的功能区)和导通柱，构成电路；台阶和线路表面可以具有镀金层；围坝和线路的功能区材质可以为纯铜，表面镀金层可以是电镀一定厚度的镍金或镍钯金组成，导通柱的材质可以为纯铜或纯银。这样的基板构成陶瓷支架。
其中，基板上的LED芯片可以为UVC LED芯片，可以为倒装结构，可以设置有两个焊盘，通过芯片底部发光；焊盘通过锡膏回流焊的方式与基板上的线路镀金层相连，构成导通电路；该LED芯片的发射光峰值波长为250-300nm。
上述步骤S02中，所述硅烷偶联剂溶液包含硅烷偶联剂和溶解硅烷偶联剂的溶剂。其中，硅烷偶联剂的质量分数为0.5-1.5％；硅烷偶联剂溶液中的溶剂选自乙醇、异丙醇、叔丁醇中的一种或多种。上述条件下，硅烷偶联剂分散更佳均匀。
进一步地，所述硅烷偶联剂一端含有硅烷氧基，另一端含有氨基、环氧基、酰氧基、巯丙基中的一种或多种。硅烷偶联剂一端的氨基、环氧基、酰氧基、巯丙基等活性官能团与围坝表面充分反应，使围坝表面附着与胶粘剂本体更易结合的硅烷氧基，该硅烷氧基基团可以参与后续胶粘剂的固化，与胶粘剂本体更易结合。更进一步地，所述围坝表面为镀金层。镀金层可以是Ni-Au层，其中外表面是Au，NiAu起保护围坝防止腐蚀的作用，而且镀金层可以更好地与硅烷偶联剂进行反应。进一步地，所述加热反应的温度为60-80℃，该温度条件下硅烷偶联剂可以和围坝表面充分反应。
上述步骤S03中，选用的胶粘剂可以是AB硅胶，该AB硅胶为双组分加成型硅胶，在固化过程中不会放出小分子，且反应过程空间均匀，具有固化均匀、气密性好的特点。AB硅胶中A组分和B组分的质量比可以是1：1；其中，A组分可以是甲基乙烯基硅油、MQ硅树脂、催化剂和增粘剂；B组分可以是甲基乙烯基硅油、甲基含氢聚硅氧烷、交联剂、抑制剂。将胶粘剂的A组分和B组分按照比例加入至容器中，采用行星式真空搅拌器同时完成充分混匀和排泡的过程。随后涂布在围坝上，由于重力和表面张力的作用，粘性体将逐渐在围坝上流平。
进一步地，所述固化处理包括：80-100℃，烘烤2-3h，然后升温至130-150℃，烘烤2-3h。在加压条件下，按照上述条件进行烘烤，完成胶粘剂的固化，而且对于芯片的高温影响极大地减轻。这样，胶粘剂自身固化成为高交联度的固体，具有较好的剪切强度和良好的气密性；同时通过硅烷偶联剂的使用，使围坝台阶表面富集硅烷氧基，增强了围坝与粘接层之间的相互作用，使两者间的粘接性更好。固化完成后，即得到深紫外LED光源的封装产品。
在一个实施例中，围坝可以包括两层台阶，第一台阶的平面高于第二台阶，且第二台阶位于围坝内靠近LED芯片。将硅烷偶联剂涂布在第二台阶的表面，在60-80℃下处理1h。然后将胶粘剂涂布在处理过的第二台阶上，并将透镜盖置且施加一定的压力，排出围坝内空腔多余的气泡，然后固化形成粘接层。该围坝可以呈四边形(如正方形)或圆形，然后硅烷偶联剂和胶粘剂可以依次点在第二台阶的四个角上，静置使粘性体在第二台阶上流平，然后盖置透镜。所述透镜为石英透镜，所述透镜在250-300nm波段的透光率≥98％。
与单独只用有机材料封装的深紫外LED光源封装产品相比，本发明实施例的封装方法，1000小时紫外光辐射通量维持率从50％以下上升至95％以上；与无机封装技术相比，本发明实施例的老化光衰性能相当，并且操作温度低，操作简单。
另一方面，本发明实施例还提供了一种深紫外LED光源，包括基板、透镜、以及设置在所述基板上的围坝和LED芯片，所述LED芯片位于所述围坝内，所述透镜通过粘接层与所述围坝无缝连接，所述围坝表面连接有硅烷氧基，所述粘接层由胶粘剂与所述围坝表面的硅烷氧基交联固化得到。
本发明实施例提供的深紫外LED光源，在透镜和围坝无缝连接的粘接层由胶粘剂与围坝表面的硅烷氧基交联固化得到，这样可以提高胶粘剂的粘接强度，增强围坝与粘接层之间的粘接性，从而增加该深紫外LED光源的封装气密性，最终提高器件的使用寿命。
进一步地，该深紫外LED光源中，所述围坝表面为镀金层；所述胶粘剂为AB硅胶。详细内容参见上文。
进一步地，所述LED芯片的发射光峰值波长为250-300nm；所述透镜在250-300nm波段的透光率≥98％。基板可以是氮化铝陶瓷基板，围坝可以包括两级台阶结构；基板上还有线路(形成导电的功能区)和导通柱，构成电路；台阶和线路表面可以具有镀金层；围坝和线路的功能区材质可以为纯铜，表面镀金层可以是电镀一定厚度的镍金或镍钯金组成，导通柱的材质可以为纯铜或纯银。这样的基板构成陶瓷支架。
进一步地，上述深紫外LED光源由本发明实施例的上述深紫外LED光源的封装方法进行封装。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，一种深紫外LED光源，由基板1、第一级台阶2、第二级台阶3(第一级台阶2和第二级台阶3组成围坝)、线路4、UVC LED芯片5、导通柱6和石英透镜7构成；其中，基板1的材质为氮化铝；第一级台阶2、第二级台阶3和线路4的材质为纯铜，表面电镀镍金或镍钯金；导通柱6的材质为纯铜或纯银。UVC LED芯片5为倒装，其发射波长峰值为276nm，尺寸为15mil，辐射强度为10mW/60mA，通过锡膏焊接方式与线路4焊连，构成导电回路；石英透镜7在250-300nm处的透光率大于98％，其尺寸大于第一级台阶但小于第二级台阶，通过粘接层8固定于围坝上。
该深紫外LED光源的封装方法包括如下步骤：
(1)将氨基硅烷偶联剂溶液均匀地涂覆在第二级台阶3上，然后在在温度80℃下放置1小时，氨基硅烷偶联剂与第二级台阶3表面的镀金层充分反应，使镀金层表面附上硅烷氧基，而溶剂在这个过程中全部挥发；
(2)将胶粘剂的A组分和B组分按照质量比1：1的比例加入至容器中，采用行星式真空搅拌器将混合物进行充分混合均匀并排泡，得到胶粘剂；将胶粘剂滴加到第二级台阶3上，静置使其在重力和表面张力的作用下流平；将石英透镜7盖在第二级台阶3上，并施加压力；在一定的压力下在80℃烘烤2h，然后在150℃烘烤2h，完成胶粘剂的固化，得到粘接层。以上步骤全部完成后，得到封装好的深紫外LED光源。
实施例2
如图1和图2所示，一种深紫外LED光源，由基板1、第一级台阶2、第二级台阶3(第一级台阶2和第二级台阶3组成围坝)、线路4、UVC LED芯片5、导通柱6和石英透镜7构成；其中，基板1的材质为氮化铝；第一级台阶2、第二级台阶3和线路4的材质为纯铜，表面电镀镍金或镍钯金；导通柱6的材质为纯铜或纯银。UVC LED芯片5为倒装，其发射波长峰值为276nm，尺寸为15mil，辐射强度为10mW/60mA，通过锡膏焊接方式与线路4焊连，构成导电回路；石英透镜7在250-300nm处的透光率大于98％，其尺寸大于第一级台阶但小于第二级台阶，通过粘接层8固定于围坝上。
该深紫外LED光源的封装方法包括如下步骤：
(1)将氨基硅烷偶联剂溶液均匀地涂覆在第二级台阶3上，然后在在温度80℃下放置1小时，环氧基硅烷偶联剂与第二级台阶3表面的镀金层充分反应，使镀金层表面附上硅烷氧基，而溶剂在这个过程中全部挥发；
(2)将胶粘剂的A组分和B组分按照质量比1：1加入至容器中，采用行星式真空搅拌器将混合物进行充分混合均匀并排泡，得到胶粘剂；将胶粘剂滴加到第二级台阶3上，静置使其在重力和表面张力的作用下流平；将石英透镜7盖在第二级台阶3上，并施加压力；在一定的压力下在80℃烘烤2h，然后在150℃烘烤2h，完成胶粘剂的固化，得到粘接层。以上步骤全部完成后，得到封装好的深紫外LED光源。
实施例3
如图1和图2所示，一种深紫外LED光源，由基板1、第一级台阶2、第二级台阶3(第一级台阶2和第二级台阶3组成围坝)、线路4、UVC LED芯片5、导通柱6和石英透镜7构成；其中，基板1的材质为氮化铝；第一级台阶2、第二级台阶3和线路4的材质为纯铜，表面电镀镍金或镍钯金；导通柱6的材质为纯铜或纯银。UVC LED芯片5为倒装，其发射波长峰值为276nm，尺寸为15mil，辐射强度为10mW/60mA，通过锡膏焊接方式与线路4焊连，构成导电回路；石英透镜7在250-300nm处的透光率大于98％，其尺寸大于第一级台阶但小于第二级台阶，通过粘接层8固定于围坝上。
该深紫外LED光源的封装方法包括如下步骤：
(1)将氨基硅烷偶联剂溶液均匀地涂覆在第二级台阶3上，然后在在温度80℃下放置1小时，酰氧基硅烷偶联剂与第二级台阶3表面的镀金层充分反应，使镀金层表面附上硅烷氧基，而溶剂在这个过程中全部挥发；
(2)将胶粘剂的A组分和B组分按照质量比1：1加入至容器中，采用行星式真空搅拌器将混合物进行充分混合均匀并排泡，得到胶粘剂；将胶粘剂滴加到第二级台阶3上，静置使其在重力和表面张力的作用下流平；将石英透镜7盖在第二级台阶3上，并施加压力；在一定的压力下在80℃烘烤2h，然后在150℃烘烤2h，完成胶粘剂的固化，得到粘接层。以上步骤全部完成后，得到封装好的深紫外LED光源。
实施例4
如图1和图2所示，一种深紫外LED光源，由基板1、第一级台阶2、第二级台阶3(第一级台阶2和第二级台阶3组成围坝)、线路4、UVC LED芯片5、导通柱6和石英透镜7构成；其中，基板1的材质为氮化铝；第一级台阶2、第二级台阶3和线路4的材质为纯铜，表面电镀镍金或镍钯金；导通柱6的材质为纯铜或纯银。UVC LED芯片5为倒装，其发射波长峰值为276nm，尺寸为15mil，辐射强度为10mW/60mA，通过锡膏焊接方式与线路4焊连，构成导电回路；石英透镜7在250-300nm处的透光率大于98％，其尺寸大于第一级台阶但小于第二级台阶，通过粘接层8固定于围坝上。
该深紫外LED光源的封装方法包括如下步骤：
(1)将氨基硅烷偶联剂溶液均匀地涂覆在第二级台阶3上，然后在在温度80℃下放置1小时，巯丙基硅烷偶联剂与第二级台阶3表面的镀金层充分反应，使镀金层表面附上硅烷氧基，而溶剂在这个过程中全部挥发；
(2)将胶粘剂的A组分和B组分按照质量比1：1加入至容器中，采用行星式真空搅拌器将混合物进行充分混合均匀并排泡，得到胶粘剂；将胶粘剂滴加到第二级台阶3上，静置使其在重力和表面张力的作用下流平；将石英透镜7盖在第二级台阶3上，并施加压力；在一定的压力下在80℃烘烤2h，然后在150℃烘烤2h，完成胶粘剂的固化，得到粘接层。以上步骤全部完成后，得到封装好的深紫外LED光源。
对比例1
如图1和图2所示，一种深紫外LED光源，由基板1、第一级台阶2、第二级台阶3(第一级台阶2和第二级台阶3组成围坝)、线路4、UVC LED芯片5、导通柱6和石英透镜7构成；其中，基板1的材质为氮化铝；第一级台阶2、第二级台阶3和线路4的材质为纯铜，表面电镀镍金或镍钯金；导通柱6的材质为纯铜或纯银。UVC LED芯片5为倒装，其发射波长峰值为276nm，尺寸为15mil，辐射强度为10mW/60mA，通过锡膏焊接方式与线路4焊连，构成导电回路；石英透镜7在250-300nm处的透光率大于98％，其尺寸大于第一级台阶但小于第二级台阶，通过粘接层8固定于围坝上。
该深紫外LED光源的封装方法包括如下步骤：
将胶粘剂的A组分和B组分按照质量比1：1加入至容器中，采用行星式真空搅拌器将混合物进行充分混合均匀并排泡，得到胶粘剂；将胶粘剂滴加到第二级台阶3的四个角落上，静置使其在重力和表面张力的作用下流平；将石英透镜7盖在第二级台阶3上，并施加压力；在一定的压力下在80℃烘烤2h，然后在150℃烘烤2h，完成胶粘剂的固化，得到粘接层。以上步骤全部完成后，得到封装好的深紫外LED光源。
对比例2
如图1和图2所示，一种深紫外LED光源，由基板1、第一级台阶2、第二级台阶3(第一级台阶2和第二级台阶3组成围坝)、线路4、UVC LED芯片5、导通柱6和石英透镜7构成；其中，基板1的材质为氮化铝；第一级台阶2、第二级台阶3和线路4的材质为纯铜，表面电镀镍金或镍钯金；导通柱6的材质为纯铜或纯银。UVC LED芯片5为倒装，其发射波长峰值为276nm，尺寸为15mil，辐射强度为10mW/60mA，通过锡膏焊接方式与线路4焊连，构成导电回路；石英透镜7在250-300nm处的透光率大于98％，其尺寸大于第一级台阶但小于第二级台阶，通过粘接层8固定于围坝上。
该深紫外LED光源的封装方法包括如下步骤：
将银铜纳米膏加到第二级台阶3上，然后将石英透镜7盖在第二级台阶3上，并施加压力；在一定的压力下在300℃进行烧结，银铜纳米膏发生反应生成金属层，将第二台阶3上的镀金层与石英透镜进行气密性焊接，得到粘接层。以上步骤全部完成后，得到封装好的深紫外LED光源。
性能测试
上述实施例和对比例的所得到的灯珠在透镜推力测试中的测试结果如下表1所示。
表1
| 序号 | 室温(25℃)推力 | 高温(100℃)推力 |
| 实施例1 | 233.7N | 183.5N |
| 实施例2 | 246.1N | 195.2N |
| 实施例3 | 244.7N | 186.7N |
| 实施例4 | 228.6N | 180.8N |
| 对比例1 | 148.8N | 101.5N |
| 对比例2 | >300N | >300N |
上述实施例和对比例的所得到的灯珠在环境温度25℃的条件下进行通电老化测试，在工作1000小时后测试灯珠的光电参数，结果如下表2所示。
表2
| 序号 | 老化前辐射通量 | 老化后辐射通量 | 辐射通量维持率 |
| 实施例1 | 10.11mW | 9.64mW | 95.35％ |
| 实施例2 | 10.06mW | 9.68mW | 96.22％ |
| 实施例3 | 9.95mW | 9.60mW | 96.48％ |
| 实施例4 | 10.03mW | 9.65mW | 96.21％ |
| 对比例1 | 9.98mW | 4.41mW | 44.19％ |
| 对比例2 | 10.04mW | 9.67mW | 96.31％ |
从表1可知：实施例1-4采用的封装方法，与传统使用有机材料封装方法的对比例1相比，透镜推力明显上升；从表2可知：实施例1-4采用的封装方法，1000小时紫外光辐射通量维持率从50％以下上升至95％以上；与现有无机封装技术对比例2相比，本发明实施例的方案老化光衰性能相当，并且操作温度低，操作简单。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深紫外LED光源的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供基板，所述基板上设置有围坝和LED芯片，所述LED芯片位于所述围坝内；
在所述围坝上涂布硅烷偶联剂溶液，进行加热反应，形成连有硅烷氧基的围坝；
在所述连有硅烷氧基的围坝上涂布胶粘剂，然后将透镜置于所述胶粘剂上施压，进行固化处理形成粘接层，得到封装后的深紫外LED光源。
2.如权利要求1所述的深紫外LED光源的封装方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂溶液中硅烷偶联剂的质量分数为0.5-1.5％；和/或，
所述硅烷偶联剂溶液中的溶剂选自乙醇、异丙醇、叔丁醇中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的深紫外LED光源的封装方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂一端含有硅烷氧基，另一端含有氨基、环氧基、酰氧基、巯丙基中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的深紫外LED光源的封装方法，其特征在于，所述围坝表面为镀金层。
5.如权利要求1所述的深紫外LED光源的封装方法，其特征在于，所述胶粘剂为AB硅胶。
6.如权利要求1-5任一项所述的深紫外LED光源的封装方法，其特征在于，所述LED芯片的发射光峰值波长为250-300nm；和/或，
所述透镜在250-300nm波段的透光率大于98％。
7.如权利要求1-5任一项所述的深紫外LED光源的封装方法，其特征在于，所述加热反应的温度为60-80℃；和/或，
所述固化处理包括：80-100℃，烘烤2-3h，然后升温至130-150℃，烘烤2-3h。
8.一种深紫外LED光源，包括基板、透镜、以及设置在所述基板上的围坝和LED芯片，所述LED芯片位于所述围坝内，所述透镜通过粘接层与所述围坝无缝连接，其特征在于，所述围坝表面连接有硅烷氧基，所述粘接层由胶粘剂与所述围坝表面的硅烷氧基交联固化得到。
9.如权利要求8所述的深紫外LED光源，其特征在于，所述围坝表面为镀金层；和/或，
所述胶粘剂为AB硅胶。
10.如权利要求8所述的深紫外LED光源，其特征在于，所述深紫外LED光源由权利要求1-7任一项所述的深紫外LED光源的封装方法进行封装。
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