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1、华中科技大学 硕士学位论文 紫外LED封装技术研究 姓名：马伟 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：汤自荣 2011-01-17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 I 摘摘 要要 紫外发光二极管（UV-LED）相比传统紫外光源具有发光效率高、寿命长、节能、 环保、反应速度快、体积小等特点，近年来紫外 LED 芯片技术和封装技术得到了快速 发展，使其在油墨固化等行业具有巨大的市场前景。多个国家和地区都争相投资研发紫 外 LED 光源，这也将进一步推动相关的光电子、材料、能源、半导体芯片制程及封装 等行业的发展。 目前紫外 L
2、ED 的光辐射功率较低，除了芯片制作水平需要提高之外，封装技术对 紫外 LED 的辐射特性也有重要的影响。 本文主要工作是围绕紫外 LED 的封装工艺研究， 在理论计算和仿真的基础上，进行了紫外 LED 封装的总体设计，提出了一种光、热管 理良好的紫外 LED 封装结构。具体包括以下内容： 首先，介绍了课题研究背景和目前国内外紫外 LED 芯片和封装技术的最新进展， 同时分析了紫外 LED 的发展趋势和市场应用前景，最后给出了目前紫外 LED 封装研究 中的一些问题。 接着，从理论出发，建立了紫外 LED 封装中两个重要的光学管理问题的理论基础。 一是 LED 透镜的光路原理， 二是平面和弧面
3、多芯片阵列 LED 面光源的光辐射空间分布。 前者可用来指导 LED 透镜的结构设计，后者可用来优化 LED 面光源的设计。最后通过 光学仿真详细讨论了 LED 各封装结构参数对光辐射的影响，为 LED 面光源的优化设计 指明了方向。 再次，在理论设计和仿真的基础上，结合紫外 LED 高能量和热流密度的实际情况， 选用合理的封装材料，设计了一种具有良好热管理的紫外 LED 封装结构。同时给出了 空间弧形机械结构的设计实例和探讨。 最后，对所制得的紫外 LED 封装样品围绕光辐射和封装结构温度进行了光学、热 学系列测试，并对测试结果进行了分析。测试量包括温度、光辐射强度、辐射波长等。 这些测试紧
4、密围绕所设计的封装结构进行，探讨了封装结构对 LED 模块的光、热性能 表现的影响。 本课题力求解决在紫外 LED 封装中遇到的实际问题，因此本文具有重要的实用价 值。 关键词：关键词： 紫外发光二极管 封装 多芯片阵列 光学仿真 热管理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 II Abstract With the rapid development of chip and packaging technology of the ultraviolet light emitting diodes (UV-LED), UV-LED has
5、been a hot spot due to its high luminous efficiency, long lifetime, energy saving, green for environment, instant-on/off and compact structure comparing with traditional UV light sources, making it a great potential market in industries such as curing. Some countries and regions have invested heavil
6、y to UV-LED R the other is the fundamental calculating approach for both planar and arc-shaped light radiation. Both of the two fundamentals belong to light management. Then computation is implemented and a detailed discuss is followed in an effort to make it clear how the packaging configurations a
7、ffect the illuminant performance. Thirdly, a well designed UV-LED packaging structure with heat sink is presented based on the previous calculation and UV-LEDs own feature, that is, high energy and heat density. In the packaging experiment, a selective of packaging materials is employed due to their
8、 excellent performances. Additionally, an arc-shaped UV-LED frame structure has been discussed and revised designs are determined. Finally, a few tests regarding light and thermal management of LED packaging are described. These tests are specially designed in order to check the packaging structure
9、in terms of LED modules light and thermal performance. This research is to cope with the problems emerging during UV-LED packaging application; therefore this paper lays its great value on practice. Keywords: UV-LED, packaging, multi-chip array, optical computation, thermal management 独创性声明 本人声明所呈交的
10、学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编
11、本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 概述概述 1.1.1 课题来源课题来源 国家自然科学基金（No.50875103）和武汉光电国家实验室创新基金(No.080005)。 1.1.2 课题背景课题背景 发光二极管（light emitting diode，LED）是一类可直接将电能转化为可见光和辐射 能的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发
12、光效率高，发光响应时间极短，光色纯， 结构牢固，抗冲击，耐振动，性能稳定可靠，重量轻，体积小，成本低，无威胁、对环 境没有污染（不含水银，铅）等一系列特性，发展突飞猛进，现已能批量生产整个可见 光谱段各种颜色的高亮度、 高性能产品。 2008 年全球 LED 芯片市场规模约为 69 亿美元， 其中高亮度和超高亮度 LED 市场规模达 16 亿美元。同年我国半导体照明总产值近 700 亿元，其中 LED 芯片产值达到 19 亿元，LED 封装产值达到 185 亿元，应用产品产值 450 亿元。2010 年中国整个 LED 产业的产值将超过 1500 亿元。 随着可见光领域的日趋成熟，研究人员把研
13、究重点逐渐向短波长的紫外光转移，紫 外光在丝网印刷、聚合物固化、环境保护、白光照明以及军事探测等领域都有重大应用 价值1-5 正因为具有以上诸多优点，UV-LED 近十年来成为世界各大公司和研究机构新的研 究热点之一。 在增加 UV-LED 的光输出方面， 研发不仅限于通过改变材料内的杂质数量、 晶格缺陷和位错来提高内量子效率，同时，UV-LED 芯片输入功率的不断提升给封装技 术提出了更为严峻的挑战。如何改善管芯及内部封装结构，增强 UV-LED 内部产生光子 。 紫外光根据波长可分为近紫外UVA （320 nm400 nm） 、 UVB （275 nm320 nm） 和远紫外UVC（100
14、 nm275 nm） 。随着LED技术的快速发展和LED芯片的发光效率与封 装技术的不断提高，近年来短波长紫外LED（UV-LED）巨大的应用价值引起了人们的 高度关注，成为了全球半导体领域研究和投资的新热点。UV-LED是新近发展起来的固 体光源，其光谱波段集中在紫外范围内，相比传统紫外光源，拥有独一无二的优势，包 括功耗低、发光响应快、可靠性高、辐射效率高、寿命长、对环境无污染、结构紧凑等 诸多优点，最优希望取代现有的紫外高压水银灯成为下一代的紫外光光源。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 2 出射的几率，提高光效，解决散热问题，进
15、行取光和热流优化设计，改进光学性能，加 速表面贴装化进程，也是 UV-LED 研发的重要方向。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 对于LED的研究和开发，国际著名的照明公司均给予了其足够的重视，并斥巨资投 入研究与开发，研究的焦点主要集中在新发光材料、封装材料等的开发，以期在这一新 世纪光源领域占领制高点。1998 年，一种InGaN/A1InGaN MQW 结构的紫外LED芯片 在美国Sandia国家实验室由Mary H. Crawford课题组6研制出来。该芯片辐射峰值波长为 386 nm，辐射功率大于 1 mW，开启了新一代短波长紫外光领域的大门
16、。此后众多研究 者致力于此，在外延层质量、p型掺杂、欧姆接触、光学设计等关键工艺水平方面都取 得了很大的提高。M. Iwaya7在舍弃传统的蓝宝石基底，另辟蹊径提出一种ZrB2的外延 生长基底，辐射峰值波长为 350.9nm。辐射峰值波长为 380nm430nm的AlGaIn量子阱结 构的UV-LED芯片也由Joachim Wagner8等人开发，可用于激发RGB荧光粉。由日本理化 学研究所与崎玉大学合作组成的研究团队开发出波长 227.5 nm、输出 0.15mW的紫外 LED。由RIKEN与崎玉大学组成的研究团队在制备UV-LED时使用的是AlGaN半导体材 料，先在蓝宝石衬底上形成AlN层，然后再依次叠加n型AlGaN层、AlGaN发光层（三量 子阱结构） 和p型AlGaN层。 另外日本山口大学的Tsunemasa Taguchi等人2 在 UV-LED 的封装研究方面， 近紫外波段是主要研究对象，紫外固化是其主要的 应用领域。如何制得辐射功率高、辐射均匀度高的的紫外 LED 是各公司所要
