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UV标准专题一:材料、装备、芯片及封装标准现状分析
信息来源:材料深一度 发布日期:2020-03-30 阅读次数:1391
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    一、材料及设备标准现状分析

    1、单晶及衬底

    单晶、衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石,不同的衬底材料决定了外延片的生长技术、芯片加工技术和器件封装技术,衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。目前生产上用的衬底有蓝宝石、碳化硅、硅,正在研究中潜在衬底材料有GaN、AlN。衬底相关标准明细表见下表。

    表1 单晶及衬底现有标准明细表

    2、紫外LED外延片

    紫外LED外延片基于(In/Al)GaN合金的PN结,外延层生长在衬底上,由下往上包括缓冲层、n型扩展层、有源区、p型扩展层等;缓冲层用来缓解衬底和InAlGaN晶格的不匹配;Si作为n型施主掺杂,而Mg作为P型受主掺杂;有源区(UV发射层)通常不掺杂,含有多个量子阱。 外延片相关的标准汇总表见表。

    表2 外延片现有标准明细表


    3、半导体设备

    紫外LED相关的半导体生产、封装设备标准较少,因为制造设备本身供应商较少,我国半导体生产制造设备很多为进口,国产化数量比较少。现有相关标准明细表见表。

    表3 半导体设备现有标准明细表


    4、原材料

    UV LED生产涉及的原材料包括高纯金属有机化合物、特种气体材料等,这方面国产化比例较高,如电子级三甲基镓、电子级三甲基铟、电子级三甲基铝、电子级三乙基镓、电子级二茂镁等已经制定国家标准。

    表4 原材料现有标准明细表

    二、芯片及封装标准现状分析

    1、紫外LED芯片

    紫外LED外延片经过光刻、刻蚀、淀积、退火等半导体制作工艺,形成可以切割、分离的芯片。如果衬底是不导电的蓝宝石,P电极通过淀积合适的金属材料形成,而n电极需要腐蚀p型层和有源区,淀积电极材料形成平面结构的正装芯片;其他如平面结构的倒装芯片、转移衬底的垂直结构芯片等,芯片相关的标准汇总表见附件表。

    表5 紫外LED芯片现有标准明细表


    2、紫外LED封装

    紫外LED封装技术与可见光LED工序类似,现在的主要两个问题是热管理和光提取。产品封装形式比较多样化,根据封装材料的类型,可以分为有机封装,半无机封装以及全无机封装。有机封装与传统封装一样,采用硅胶、硅树脂或者环氧树脂等有机材料进行封装,技术相对比较成熟,包括Lamp、SMD、陶瓷Molding等产品。密封材料和光学材料需要增加抗UV的材料。

    半无机封装采用有机硅材料搭配玻璃等无机材料,通过在基板四周涂覆胶水来实现透镜的放置。若环氧树脂透镜被玻璃透镜取代,寿命可以从5000小时提高到2万小时(研发水平),因为紫外光加速了环氧树脂材料的老化,玻璃的耐久性和可靠性相对好一些。另外一个选择是玻璃透镜和硅胶封装组合,可以承受更高的密度,更高的光效,但是寿命相对短,理论上只有15000小时-20000小时。相比有机封装,半无机封装方式的优势在于极大程度地减少了有机材料的比例,减少了有机材料带来的光衰问题以及湿热应力导致的失效问题,稳定性和可靠性得到了大幅度的提升。

    全无机封装则是不使用有机材料,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,完全避免了有机材料的存在。当然目前已经存在了抗UVC波段的氟树脂材料,并随着材料的发展,未来紫外器件封装在部分领域还是有回归到有机封装当中的可能。

    图2-2  紫外LED不同封装形式图例

    紫外LED随着波长的降低,寿命会降低。目前395nm比较好的寿命L70基本30000小时左右,而UVC的寿命L70目前国内外参差不齐,好的能到15000小时以上,而差的只有2000小时不到,这和LED外延层的缺陷有关,此时无机封装对寿命的提升效果有限。

    正在制定中的器件相关电子行业标准《半导体紫外发射二极管第一部分:测试方法》(2018-0137T-SJ)、《半导体紫外发射二极管第二部分:芯片规范》(2018-0138T-SJ)、《半导体紫外发射二极管第三部分:器件规范》(2018-0139T-SJ)。

    表6 紫外封装现有标准明细表


    3、封装相关材料

    封装相关材料涉及散热基底、石英玻璃透镜、封装粘结材料等。

    文章来源:国家半导体照明工程研发及产业联盟标准化委员会(CSAS)正式发布《紫外LED标准化体系分析报告》,参编单位:

    中国科学院半导体研究所

    复旦大学

    佛山市国星光电股份有限公司

    晶能光电(江西)有限公司

    北京智创华科半导体研究院有限公司

    杭州远方光电信息股份有限公司

    广东粤能净环保科技有限公司

    武汉优炜星科技有限公司

    山西中科潞安半导体技术研究院有限公司

    广州和光同盛科技有限公司

    五邑大学

    河北奥特维力医疗器械有限公司

    深圳市蓝巨科技有限公司