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【极智课堂】鸿利秉一吴乾:紫外发光二极管封装及应用探讨

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-03-03 08:24   来源:中国半导体照明网  浏览次数:2763
 当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到广州市鸿利秉一光电科技有限公司总经理吴乾带来了“紫外发光二极管封装及应用探讨”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、紫外封装技术

(一)传统紫外光源特点回顾

1.发展了100多年,技术成熟、但是进步空间很小。

2.光谱成分固定,可塑性差,新应用很吃力。

3.UVA部分技术上UV LED完胜,UVC部分技术上UV LED差距大。

4.光源形式固定,UV LED光源可按照需要设计。

(二)决定封装技术主要因素

封装行业处于产业的中游,在产业发展中起到桥梁连接作用。

决定紫外发光二极管的封装技术的因素:

1.应用端的需求(光谱、发光角度、寿命要求、使用环境等)

2.上游的限制(光子能量、芯片结构、芯片工作氛围要求等)

3.封装设备的开发和利用(激光封焊设备)

4.封装工艺的发掘(全无机封装)

5.应用解决方案的需要

6.封装材料的限制(透光率、抗紫外性能、老化性能、热膨胀性能)

在UV里面封装材料有非常大的限制,特别对UVC部分,无论是透光的,反光的,抗UV性能的,热膨胀系数的材料,可选范围很小,比如说透光材料,只能选择石英。反射材料,原有的镀金工艺、镀银工艺,几乎在UV LED里已经不太适应。虽然UVC封装使用镀金工艺,但镀金工艺的反射性能很差。

UV LED与可见光LED大不相同,UVB、UVC和UVA封装也有差别。

(三)紫外封装技术现状

当期很多厂商都在积极的改变封装形式,越来越多地采用无机材料封装。越来越少的采用有机材料去封装。有些有机材料,在UV里面,在某些领域里可以使用,但在有些领域比较困难,比如可靠性要求高,功率比较大的情况下,是不太适合的。

(四)紫外封装技术发展方向

1.现有封装技术的痛点

(1)光萃取效率不高

(2)光窗材料透过率不高

(3)反射材料的 性能不高

(4)低成本小角度产品光学结构困难

(5)不同散热方式对封装要求不同(冷凝水)

2.紫外发光二极管封装技术发展方向

(1)新型光学结构

(2)新型透光材料的研发及使用

(3)新型反射材料及工艺的研发

(4)高效率低成本非球面石英、玻璃透镜

(5)风冷方式对封装提出新的要求

(6)更短波段真空封装

二、应用发展探讨

1.紫外发光二极管应用分类


根据波段可以分为UVA、UVB、UVC,不同波段有不同的用途。目前来看,本次疫情空气传播为主,表面和空气杀菌对疫情影响比较大。分析检测部分,可以把紫外线作为发射光源,利用它的吸收光谱,在传感器上有很多用途。另外,作为探测器或是探测元器件,在国防通讯上有些新的运用。

2.紫外光应用的基本原理


3. 紫外发光二极管应用端特点

(1)UV LED与可见光LED区别很大

① UV LED效果需要作用对象来验证,固化效果与油墨、涂料相关;杀菌效果与微生物状态有关等,行业细分就是因为作用对象不同。

②照明效果是连续的,UV LED大部分应用有阈值存在。UV固化存在阈值、消毒杀菌也存在阈值(动态平衡)。需要注意。

③因为光子能量大,UV LED到作用对象中间的介质和界面的影响作用不可忽略,能量越大影响越大。

(2)UV行业内泾渭分明

UVA与UVC所面对的市场完全不一样。

UVA与UVC外延材料不同(InGaN 、AlGaN)。

UVA与UVC芯片结构不同(垂直、倒装)。

UVA与UVC封装方式不同(全无机、半无机)

UVA与UVC应用重点不同(工业级固化、消费级杀菌消毒)

4.传统紫外光源替代方案

随着技术进步的成本的下降UV LED将逐步替代传统紫外光源。替代方案将分为:光源替代、系统改造。对于UVC LED将主要是光源替代,对于UVA LED将主要是系统改造。

三、行业发展预测

1.行业发展特点

(1)原有UV行业规模不大,国际企业也不大(IST、Philips、Osram、雪莱特)。

(2)细分应用领域多,容易形成市场的小霸主。

(3)2019年UV LED封装全球产值仅2亿多美金。今年疫情影响会有大的增长,但是基数太小总量仍不乐观,目前UVC LED在对疫情影响大的空气杀菌上基本上无用武之地。

(4)UV LED特别是UVC LED难以有主干市场支撑起基本盘。不像照明,杀菌消毒除特殊场合不是刚性需求。人本来是细菌共生的,UV LED杀菌的广谱性可能会影响人类健康。

(5)UV LED的新应用值得探索。比如对农业、健康、化工合成等新领域。

2.行业发展方向

(1)UV LED作为一个发射器件将更多与传感器件配合。

(2)UV LED的发展更依靠多学科融合的过程。

(3)UV LED行业还有很多基本工作未完成(比如标准)。

(4)从上下游分工看,垂直整合策略无成功先例,分工合作才是王道。

(5)行业将依据技术进步,逐渐渗透规模稳步扩大。

(6)疫情将吸引更多关注,市场规模将瞬间增大,但长久影响有限,市场竞争将会加剧。

(7)封装企业将各有所长。

(8)传统汞灯光源欠缺光谱成分甚多,UV LED将有望填补空白。

四、鸿利秉一简介





感谢极智课堂让大家聚在一起,一起探讨交流,关于UV LED封装及应用,也希望与行业同仁更多交流。

问答环节

1.目前UVC LED器件寿命多少?是否必须气密封装?

吴乾:UVC的应用环境大都是消费级产品,所以不建议做气密性封装,成本也非常高。另外,当前芯片寿命大概5000~10000小时,如果气密性封装可以到30年,功率很小的情况下,意义不大。

纯粹从技术角度,气密性封装对LED器件寿命有帮助,但目前芯片寿命的情况,特别是做消费级产品。气密性封装意义不大,但是在工业级的使用中,比如在芯片寿命达到的情况下,用UVC做光固化、精细化工加工、光分解、废气、污水的处理需要寿命很长,这种情况适合使用气密性封装。

2.目前鸿利秉一上述几款器件都是否批量供货,公司产能有多少?

吴乾:目前,鸿利秉一的产品当中,6868、3535的产品,特别是带球头的已经大量在供应, UVC产品平面跟球头系列产品,也可以大量供应,都是批量生产的产品。

不过,2525的UVC产品还在开发当中,6868的平面系列也在开发当中,都是根据客户要求在开发。

产能方面,鸿利秉一UVA与UVC的产能是不重合的,UVA的产能是每月3KK,UVC的设计产能是每个月2KK。

3.鸿利秉一目前UVC封装是采用真空吗?如何坚持封装器件不含氧?

吴乾:UVC封装目前不是真空封装,UVA的全无机封装是氮气封装,里面是排除氧气的,但是UVC没有用真空封装,因为成本太高,而且芯片的寿命支撑不起现在那么长的封装寿命。现在是芯片的寿命低于封装寿命上面,用真空封装是没有意义的。

对于一些功率比较大、可靠性要求比较高、波段比较低(低于243nm)的情况,一定要用真空封装,至少把氧气排除掉。

4.目前鸿利秉一在UVA产品上有半无机封装及全无机封装,两者在同等条件下,寿命是否会有差别?

吴乾:同等条件下,我们没有把这两个封装形式放在同一款产品里使用,比如3535的产品,可能会选择大尺寸的芯片,或是波段低一点的芯片做全无机封装。其他小尺寸的芯片做半无机封装。

寿命方面,在我们与同行竞争的时候,客户有两方面感受,一是鸿利秉一的透镜可能需要老虎钳才能弄下来,而有些公司的产品可能手摸一摸就可以掉,在半无机封装中会存在这样的情况。二是365nm产品表现比较突出,有些产品一个星期就会老化、黄化,会影响到封装寿命,封装寿命降低的话,等于整个元器件的寿命降低。

因为我们UVA半无机封装开发出来时间还不长,我们也在做M-80的老化实验,一旦出结果,一定会在中国半导体照明网上发表文章,将结果公布给大家,到时候大家如果对这两个封装形式感兴趣,可以把那个报告分享出来。

5.目前UVC产品70%光功率维持率在多长时间?

吴乾:大概5000个小时左右,因为芯片不一样,封装还有区别,但主要还是芯片的问题,也有认为是1万个小时,我们的感受是5000个小时左右。事实上,5000个小时看起来很短,其实在有些UV的应用中,已经足够了,比如市场上比较火的杀菌包包,在小空间里杀菌,就是隔一段时间用一下,比如一个小时用上五分钟,5000小时可以用很长时间。

6.如何检测器件中已经没有氧气了?

吴乾:事实上,用的过程中,不是靠检测,而是靠环境里氮气程度控制,比如会采用五个九的氮气去做这件事,不太好检测,因为没有类似的实验条件控制。我们可以控制的是腔体里用的是五个九的氮气,我们可以通过时间,包括抽真空的时间去控制,也可以测试一下里面氮气的程度,就可以知道里面氧气的程度是什么样子。

7.一般认为UVC LED贴片封装的焊料等是否会引入附加电阻,电容?即芯片本身电容为50pF,封装后电容变化。或芯片本身6V开启,封装后为6.2V开启。

吴乾:封装肯定会增加电阻,也会增加电容。如果芯片是6V,封装后为6.2V,建议去检测陶瓷的导电性能,明显是有问题的, 6.2V太高了,电容肯定也会增加,做高频电路设计时,电容也确实是需要考虑的。

8.UVC消毒光对哪些物品不要直接照射消毒?

吴乾:对人来说,特别是人的眼睛、皮肤等等,这些不能直接接触到。对于物品,如果光强度太强,对于一些塑料材料。胶材料,有机材料、家具等都会有影响,需要评估物品老化性能。

9.UV LED的封装与UV photo detector的封装有无共通性?

吴乾:这两个封装之间有共通性,大部分的工艺方法是相通的。

(文字根据直播内容编辑整理,略有删减)

 
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