电子束蒸发沉积高硼硅玻璃封装发光二极管（LED）可行性探讨

2022-09-16朱福文

玻璃 2022年9期

朱福文

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司秦皇岛 066001）

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每年照明电能消耗占全部电能消耗的12%～15%。发光二极管（LED），与传统照明光源相比具有功耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力强、使用寿命长、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等优点，成为目前世界上替代传统光源的新一代光源。

半导体照明产业链由衬底制备、外延生长、芯片制造、LED封装和照明应用等环节组成。其中，LED封装材料要求透光率高，热稳定性好，抗老化（耐紫外光、耐热，耐黄变），应力小，吸湿性低等。环氧树脂和有机硅树脂具有优良的粘结性、电绝缘性能，是目前LED主要的封装材料［1］，但环氧树脂脆性大、耐冲击性能差，使用温度一般不超过150 ℃［2］。有机硅材料具有较好的耐热性能和耐紫外线性能，同时与芯片的相容性好，是目前理想的封装材料。但是，随着LED的亮度和功率的不断提高，对LED的封装材料亦提出更高的要求，如高透光率、高导热性、耐紫外和热老化能力及低的热膨胀系数等。有机材料难以满足大功率LED封装的散热、可靠性和稳定性要求。图1为目前封装效果比较好的封装结构。

图1 具有代表性的LED透镜封装结构

如果将图1中透镜的封装材料由目前的有机材料更换成无机玻璃，则可满足大功率LED封装对耐热、可靠性和稳定性的要求。而目前的无机玻璃透镜是通过光学玻璃模压成型，然后加装在LED上的，无法阻隔安装缝隙透入的氧气和湿气。透镜只是经过简单模压成型的大尺寸透镜来实现聚光，增加了空气和玻璃界面，光损耗高。

1 高硼硅玻璃用作封装LED微透镜的优势

高硼硅玻璃，也称为硬质玻璃和国外品牌名Pyrex 玻璃，将之用作LED封装微透镜封装材料具有以下特点：

①其膨胀系数a（20～300 ℃）为（3.3±0.1）×10-6· K-1，与硅或氮化硅基片的热膨胀系数相近，弹性模量小，与基材结合强度高。

②导热性好，平均热导率（20～200 ℃）为1.2 W·m-1· K-1，有利于散热。

③具有很低的吸湿性和透气性。

④耐酸（氢氟酸和磷酸除外）、耐碱、耐溶剂，硬度高，抗刮擦划痕。

⑤抗紫外，耐黄变，很高的温度耐受能力和良好的应力特性。

⑥在可见光范围内无明显吸收峰而呈无色，可见光透过率高，折射率1.47，而现用的有机硅折射率为1.43，易于获得更高的出光效率。

⑦原位沉积，成本低，可靠性高，对出光道设计提供更多的选择。

⑧低温沉积封装工艺保证了芯片等元件不再受其它高温封装方式的损害。

高硼硅玻璃具有优异物理化学性能、光学性能、散热性能和电绝缘性能，是非常理想的半导体或电子元器件的封装材料，但其高熔点限制了其在很多方面的应用。

2 电子束蒸发沉积LED的高硼硅玻璃微透镜的可行性

本文提出用电子束蒸发沉积LED的高硼硅玻璃作为图1中透镜封装材料。高硼硅玻璃熔融制备温度大于1650 ℃，由于LED芯片、引线等无法耐高温，显然不能用熔融法制备，只能低温制备高硼硅玻璃态封装材料。目前只有德国MSG Lithoglas AG公司Juergen Leib［3］提出等离子体辅助沉积玻璃钝化层用于半导体封装材料。阙立志等［4］将轻冕玻璃（QK3）基片加温至230 ℃，恒温3 h后，然后打开电子枪，交替蒸发TiO2和SiO2两种高熔点材料。刘学丽等［5］用电子束蒸发沉积重掺硅薄膜，在普通玻璃基片上制备了低辐射玻璃。这些研究证明了用电子束蒸发沉积制备高熔点硼硅玻璃的可行性。尤其是U. Hansen等［6］明确指出，可以用电子束蒸发沉积制备气密封装的硼硅玻璃膜。

典型的高硼硅玻璃，即美国Corning公司推出的商品牌号Prex玻璃的质量百分组成为：SiO280.6%，B2O312.5%，Na2O 4.2%，Al2O32.2%。由于硅硼的熔点极高，其组成中4.2%的Na2O是玻璃熔制过程中为了降低熔制温度加入的助熔剂Na2C O3或硼砂引入的，用电子束沉积高硼硅玻璃不用引入助熔的Na2O，设计的玻璃组成为：SiO285%，B2O315%。采用双坩埚，以高纯SiO2和B2O3为原料，电子枪采用不同的加速电压、蒸发束流、蒸发源合理配比、离子源辅助沉积等技术方法，可以解决控制硼硅比的问题；通过实验寻求合适的沉积速率、控制基片的温度来保证所沉积的膜层为非晶态。这样，就可以在较低温度制备LED微透镜的高硼硅玻璃态封装材料。