CN113659054B - 一种uvc led封装器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种UVC LED封装器件及其制备方法，属于LED封装结构技术领域，该UVC LED封装器件，包括UVC芯片和封装支架，UVC芯片包括衬底，衬底正面的中部和外周分别设置功能区和隔离区，衬底的背面设置增透层；封装支架与隔离区共融焊接相连，封装支架的中部与功能区压紧接触相连，本发明的有益效果是，本发明采用了全无机封装，整体结构稳定可靠，布置合理，封装成本低，避免了UVC长期照射对器件性能的影响，减少了全反射损失，提高了光线传输效果和封装器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装结构技术领域，尤其涉及一种UVC LED封装器件及其制备方法。
背景技术
随着UVC紫外线杀菌技术的不断提高和成本的逐渐降低，UVC LED必将得到广泛的应用，现有的UVC LED的封装形式都是采用单颗UVC芯片或者多颗UVC芯片封装。目前UVCLED的封装形式分为有机封装、半无机封装(也称“近无机封装”)以及全无机封装。有机封装采用硅胶、硅树脂或者环氧树脂等有机材料，主要包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等产品，整体技术比较成熟，但抗紫外性能还需要进一步提高。半无机封装采用有机硅材料搭配玻璃等无机材料。全无机封装则全程避开使用有机材料，通过激光焊、波峰焊、电阻焊等方式来实现透镜和基板的结合，完全减少有机材料带来的光衰问题以及湿热应力导致的失效问题，能准确有效提高UVC LED器件的稳定性和可靠性。
目前半无机封装产品仍是国内市场主流，主要由陶瓷基板、芯片、支架和石英玻璃构成，将芯片放置在陶瓷基板上，芯片的正负极通过线路与支架连接，支架的上端涂覆有机胶水后与石英玻璃相连。其中的石英玻璃、陶瓷基板和支架之间围成容置腔，在容置腔内有空气填充，惰性气体填充或非气体填充。
目前的半无机封装产品存在以下缺点：1、光线传输效果差：当容置腔内为空气填充和惰性气体填充时，容置腔的折射率均接近1，而UVC LED芯片常用的蓝宝石衬底折射率为1.7，石英玻璃的折射率为1.4～1.6，因而从UVC LED芯片发出的紫外光进入腔体，再从腔体进入石英玻璃的过程中存在较多的全反射损失，从而会影响光线的传输；其中的支架的上端涂覆有机胶水，有机胶水在UVC长期照射下会存在变质问题，使容置腔内的气体外漏，影响光线的传输。2、产品封装成本高：当容置腔内为有机聚合物填充时，由于有机物材料在UVC长期照射下会存在变质问题从而影响光线的传输，因此要求有机物可以抗UVC的辐射并且不能吸收紫外线，其材料价格提高，大大增加了生产成本。3、结构稳定性差，空间布置不合理：支架通过有机胶水与石英玻璃相连，石英玻璃与基板之间相隔较大的距离，使石英玻璃形成悬臂梁结构，无法保证整体结构的稳定性，由于石英玻璃与基板之间相隔较大的距离与支架之间形成容置腔，容置腔内含连接线路，使空间布置不合理，而且连接线路的设置存在线路脱落的风险，会使整个封装产品失效。
如何对现有的UVC LED封装结构进行改进来解决上述问题，是目前UVC LED封装行业面临的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种UVC LED封装器件及其制备方法，采用了全无机封装，整体结构稳定，布置合理，封装成本低，避免了UVC长期照射对器件性能的影响，减少了全反射损失，提高了光线传输效果。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述UVC LED封装器件，包括UVC芯片和封装支架，所述UVC芯片包括衬底，所述衬底正面的中部和外周分别设置功能区和隔离区，所述衬底的背面设置增透层；所述封装支架与所述隔离区共融焊接相连，所述封装支架的中部与所述功能区压紧接触相连。
所述增透层通过光学镀膜的方式形成在所述衬底的背面，所述增透层由高折射率膜层和低折射率膜层依次交替层叠形成。
所述增透层在波长为260～280nm的透射率为99.5％～100％，所述低折射率膜层的厚度设置为50～140nm，所述高折射率膜层的厚度设置为40～80nm。
所述封装支架包括绝缘基板，所述绝缘基板上端的中部连接有齐纳管，所述绝缘基板底端两侧分别设置金属电极，所述绝缘基板内穿接有导电件，所述导电件的一端与所述齐纳管和所述功能区的电极电相连，所述导电件的另一端与对应的金属电极相连。
所述绝缘基板的外周连接有金属支架，所述金属支架上表面镀金，所述隔离区设置有金属焊盘，所述金属焊盘的材料为AuSn合金，所述金属焊盘与所述金属支架表面共融焊接相连。
所述封装支架中部通过弹性压紧组件与所述功能区压紧接触相连。
所述弹性压紧组件设置有多组，所述弹性压紧组件的底端与所述导电件和齐纳管相连，所述弹性压紧组件的上端与所述功能区电极接触相连。
所述弹性压紧组件包括金属块及其上连接的伸缩导电件，所述金属块的底端与所述导电件和所述齐纳管相连，所述金属块的上端通过所述伸缩导电件与所述功能区电极弹性接触相连。
一种所述的UVC LED封装器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备UVC芯片，在衬底正面制备功能区；在功能区外围刻蚀出隔离区，并在隔离区上镀AuSn合金形成金属焊盘；在衬底背面制备增透层；切割成芯片状；
步骤2：制备封装支架，在绝缘基板的外围连接金属支架，在绝缘基板中部连接齐纳管，在绝缘基板底端嵌入金属电极，在绝缘基板内嵌入导电件，使导电件伸出绝缘基板底端后与金属电极相连；
步骤3：在封装支架上连接弹性压紧组件，导电件伸出绝缘基板上端后通过金属块与齐纳管焊接相连，在金属块内嵌入伸缩导电件；
步骤4：将封装支架与UVC芯片相连，在金属支架上表面镀金，将金属支架表面与金属焊盘共融焊接相连，同时使伸缩导电件与功能区电极电性接触相连。
所述步骤1中，在衬底上制备功能区的过程是，在衬底上生长外延层，在外延层依次层叠生长出外延层缓冲层ALN、N型AlGaN区、发光区和P型AlGaN区、P-GaN；所述步骤4中，将金属支架表面与金属焊盘共融焊接相连的温度设置为220℃～280℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在UVC芯片的背面设置增透层，增透层由高折射率膜层和低折射率膜层依次交替层叠形成，替代了现有的石英玻璃，可保证在波长在UVC的波长范围内时的透射率接近100％，减少了全反射损失，提高了光线的传输效果。
2、本发明通过在金属支架的表面镀金，在衬底外周的隔离区上镀AuSn合金形成金属焊盘，在一定温度下使金属支架表面的金与金属焊盘共融焊接，替代了现有的有机胶水，避免了在UVC长期照射下存在变质的问题，保证了封装器件整体的性能，提高了封装器件的使用寿命。
3、本发明通过将UVC芯片的外周通过金属支架与绝缘基板相连，将UVC芯片中部的功能区通过弹性压紧组件与齐纳管相连，弹性压紧组件再通过导电件与金属电极连接，使UVC芯片中部与绝缘基板支撑相连，一方面，使UVC芯片的中部和外周与绝缘基板之间支撑相连，使封装结构布置更加合理，使整个封装结构更稳定，另一方面，在绝缘基板上设置的齐纳管起到了静电泄放的作用，提高了整个封装结构的抗静电指标。
4、本发明通过在齐纳管和导电件上端上连接金属块，金属块通过伸缩导电件与UVC芯片功能区上的电极接触相连，使UVC芯片与金属块之间压紧接触，提高了UVC芯片与金属电极电性连接的可靠性。
综上，本发明采用了全无机封装，整体结构稳定可靠，布置合理，封装成本低，避免了UVC长期照射对器件性能的影响，减少了全反射损失，提高了光线传输效果和封装器件的使用寿命。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为UVC LED封装器件的结构示意图；
图2为封装器件中增透层的结构示意图；
图3为封装器件中增透层在不同波长范围的透射率的曲线图；
图4为UVC LED封装器件的制备流程图；
上述图中的标记均为：1.UVC芯片，11.衬底，12.功能区，13.隔离区，2.增透层，21.高折射率膜层，22.低折射率膜层，3.绝缘基板，4.齐纳管，5.金属电极，6.导电件，7.弹性压紧组件，71.金属块，72.伸缩导电件，8.金属支架，9.金属焊盘。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明具体的实施方案为：如图1所示，一种UVC LED封装器件，包括UVC芯片1和封装支架，该UVC芯片1包括衬底11，衬底11正面的中部和外周分别设置功能区12和隔离区13，衬底11的背面设置增透层2，作用是通过增透层2设置在衬底11背面来代替现有的石英玻璃，而且通过调节增透层2的结构来提高UVC的透射率；其中的封装支架与隔离区13共融焊接相连，代替了现有的有机胶水，避免了在UVC长期照射下存在变质的问题，保证了封装器件整体的性能，提高了封装器件的使用寿命；其中的封装支架的中部与功能区12压紧接触相连，提高了UVC芯片1与封装支架电连接的可靠性。
具体地，其中的增透层2通过光学镀膜的方式形成在衬底11的背面，该增透层2由高折射率膜层21和低折射率膜层22依次交替层叠形成，其中的高折射率膜层21可运用氧化钛、氧化钽等镀膜形成，其中的低折射率膜层22可由氟化鎂、氧化硅、氧化铝等镀膜形成，其中的低折射率膜层22的厚度设置为50～140nm，高折射率膜层21的厚度设置为40～80nm，可根据膜层的材料和厚度来设置高折射率膜层21和低折射率膜层22的层数，上述结构的增透层2使UVC(波长在260～280nm)的透射率为99.5％～100％，减少了UVC芯片1光线的全反射损失，提高了光线的传输效果。
具体地，其中的封装支架包括绝缘基板3，绝缘基板3上端的中部连接有齐纳管4，绝缘基板3底端两侧分别嵌入金属电极5，绝缘基板3内穿接有导电件6，导电件6的一端与齐纳管4和功能区12的电极电性相连，导电件6的另一端与金属电极5相连，使齐纳管4和UVC芯片1均与金属电极5电连接，给金属电极5通电后可使齐纳管4和UVC芯片1正常工作。
其中的绝缘基板3的外周连接有金属支架8，金属支架8上表面镀金，隔离区13设置有金属焊盘9，金属焊盘9的材料为AuSn合金，金属焊盘9与金属支架8表面共融焊接相连，使金属支架8与UVC芯片1连接更牢固稳定，而且上述共融焊接的方式替代了现有的有机胶水，避免了在UVC长期照射下存在变质的问题，保证了封装器件整体的性能，提高了封装器件的使用寿命。
具体地，其中的封装支架中部通过弹性压紧组件7与功能区12压紧接触相连，减少了固定连接的加工工序，降低了加工成本，而且通过压紧接触的方式保证了UVC芯片1与封装支架电性连接的可靠性。
为了使UVC芯片1与绝缘基板3之间的连接结构更加稳定，其中的弹性压紧组件7设置有多组，弹性压紧组件7的底端与导电件6和齐纳管4相连，弹性压紧组件7的上端与功能区12上的电极接触相连。
弹性压紧组件7的具体结构包括金属块71及其上连接的伸缩导电件72，金属块71的底端与导电件6和齐纳管4焊接相连，金属块71的上端通过伸缩导电件72与功能区12上的电极弹性接触相连，该伸缩导电件72可设置为弹簧等弹性件，实现了UVC芯片1与金属块71的弹性压紧接触，提高了UVC芯片1与金属电极5电性连接的可靠性。
本发明通过将UVC芯片1的外周通过金属支架8与绝缘基板3相连，将UVC芯片1中部的功能区通过弹性压紧组件7与齐纳管4相连，弹性压紧组件7再通过导电件6与金属电极5连接，使UVC芯片1中部与绝缘基板3支撑相连，一方面，使UVC芯片1的中部和外周与绝缘基板3之间支撑相连，使封装结构布置更加合理，使整个封装结构更稳定，另一方面，在绝缘基板3上设置的齐纳管4起到了静电泄放的作用，提高了整个封装结构的抗静电指标。
上述UVC LED封装器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备UVC芯片1
首先，在衬底11正面制备功能区12，即在衬底11上生长出符合UVC波段的外延层，包括外延层缓冲层ALN、N型AlGaN区、发光区和P型AlGaN区、P-GaN。通过光刻以及干刻蚀的方法刻穿外延至N型AlGaN区制作出芯片N区，用电子束蒸发机台制作N型电极TI/AL/NI/AU，并在氮气环境中快速退火使其形成欧姆接触，再通过光刻在表面做出P区，用电子束蒸发机台制作P型电极NI/AU，并在大气环境中退火使其形成欧姆接触；
其次，在衬底11正面功能区的外围通过隔离蚀刻将外延层全部刻蚀完后形成隔离区13，将芯粒分开，再利用PECVD机台沉积SIO2保护UVC芯片1表面以及侧面，再利用蒸发机台在隔离区13制作焊电，利用光刻、蒸发方式在隔离区13处镀AuSn合金形成金属焊盘9；
然后，在衬底11背面交替层叠镀高折射率膜层21和低折射率膜层22而制备增透层2，保证在波长为260～280nm的透射率为99.5％～100％；
最后，利用切割机台将晶圆切割成芯片状。
步骤2：制备封装支架
首先，在绝缘基板3中部通过嵌入方式连接齐纳管4，在绝缘基板3底端嵌入多个金属电极5，在绝缘基板3内嵌入多个导电件6，使导电件6伸出绝缘基板3底端后与对应的金属电极5相连；
然后，在绝缘基板3的外围设置多个金属支架8，通过在绝缘基板3上设置定位槽，在定位槽内涂覆一层金属层，使金属支架8的底端与对应的定位槽焊接相连，通过卡接后焊接的方式提高了金属支架8与绝缘基板3之间连接的牢固性。
步骤3：在封装支架上连接弹性压紧组件7
导电件6伸出绝缘基板3上端后通过金属块71与齐纳管4上的电极焊接相连，在金属块71内嵌入伸缩导电件72，使伸缩导电件72的一端外漏。
步骤4：将封装支架与UVC芯片1相连
在金属支架8上表面镀金，将金属支架8表面与金属焊盘9在220℃～280℃的温度下共融焊接相连，同时使伸缩导电件72与功能区12电极电性接触相连。
综上，本发明采用了全无机封装，整体结构稳定可靠，布置合理，封装成本低，避免了UVC长期照射对器件性能的影响，减少了全反射损失，提高了光线传输效果和封装器件的使用寿命。
以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。
Claims (4)
1.一种UVC LED封装器件，其特征在于，包括UVC芯片和封装支架，所述UVC芯片包括衬底，所述衬底正面的中部和外周分别设置功能区和隔离区，所述衬底的背面设置增透层；所述封装支架与所述隔离区共融焊接相连，所述封装支架的中部与所述功能区压紧接触相连；
所述封装支架包括绝缘基板，所述绝缘基板上端的中部连接有齐纳管，所述绝缘基板底端两侧分别设置金属电极，所述绝缘基板内穿接有导电件，所述导电件的一端与所述齐纳管和所述功能区的电极电相连，所述导电件的另一端与对应的金属电极相连；
所述封装支架中部通过弹性压紧组件与所述功能区压紧接触相连；所述弹性压紧组件设置有多组，所述弹性压紧组件的底端与所述导电件和齐纳管相连，所述弹性压紧组件的上端与所述功能区电极接触相连；
所述弹性压紧组件包括金属块及其上连接的伸缩导电件，所述金属块的底端与所述导电件和所述齐纳管相连，所述金属块的上端通过所述伸缩导电件与所述功能区电极弹性接触相连；
所述增透层通过光学镀膜的方式形成在所述衬底的背面，所述增透层由高折射率膜层和低折射率膜层依次交替层叠形成；所述增透层在波长为260~280nm的透射率为99.5%~100%，所述低折射率膜层的厚度设置为50~140nm，所述高折射率膜层的厚度设置为40~80nm。
2.根据权利要求1所述的UVC LED封装器件，其特征在于：所述绝缘基板的外周连接有金属支架，所述金属支架上表面镀金，所述隔离区设置有金属焊盘，所述金属焊盘的材料为AuSn合金，所述金属焊盘与所述金属支架表面共融焊接相连。
3.一种如权利要求1或2所述的UVC LED封装器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备UVC芯片，在衬底正面制备功能区；在功能区外围刻蚀出隔离区，并在隔离区上镀AuSn合金形成金属焊盘；在衬底背面制备增透层；切割成芯片状；
步骤2：制备封装支架，在绝缘基板的外围连接金属支架，在绝缘基板中部连接齐纳管，在绝缘基板底端嵌入金属电极，在绝缘基板内嵌入导电件，使导电件伸出绝缘基板底端后与金属电极相连；
步骤3：在封装支架上连接弹性压紧组件，导电件伸出绝缘基板上端后通过金属块与齐纳管焊接相连，在金属块内嵌入伸缩导电件；
步骤4：将封装支架与UVC芯片相连，在金属支架上表面镀金，将金属支架表面与金属焊盘共融焊接相连，同时使伸缩导电件与功能区电极电性接触相连。
4.根据权利要求3所述的UVC LED封装器件的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，在衬底上制备功能区的过程是，在衬底上生长外延层，在外延层依次层叠生长出外延层缓冲层ALN、N型AlGaN区、发光区和P型AlGaN区、P-GaN；所述步骤4中，将金属支架表面与金属焊盘共融焊接相连的温度设置为220℃~280℃。
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