朱福文

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

每年照明電能消耗占全部電能消耗的12%～15%。發(fā)光二極管（LED），與傳統(tǒng)照明光源相比具有功耗低、驅(qū)動(dòng)特性好、響應(yīng)速度快、抗震能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保以及不斷快速提高的發(fā)光效率等優(yōu)點(diǎn)，成為目前世界上替代傳統(tǒng)光源的新一代光源。

半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈由襯底制備、外延生長(zhǎng)、芯片制造、LED封裝和照明應(yīng)用等環(huán)節(jié)組成。其中，LED封裝材料要求透光率高，熱穩(wěn)定性好，抗老化（耐紫外光、耐熱，耐黃變），應(yīng)力小，吸濕性低等。環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)硅樹(shù)脂具有優(yōu)良的粘結(jié)性、電絕緣性能，是目前LED主要的封裝材料［1］，但環(huán)氧樹(shù)脂脆性大、耐沖擊性能差，使用溫度一般不超過(guò)150 ℃［2］。有機(jī)硅材料具有較好的耐熱性能和耐紫外線性能，同時(shí)與芯片的相容性好，是目前理想的封裝材料。但是，隨著LED的亮度和功率的不斷提高，對(duì)LED的封裝材料亦提出更高的要求，如高透光率、高導(dǎo)熱性、耐紫外和熱老化能力及低的熱膨脹系數(shù)等。有機(jī)材料難以滿足大功率LED封裝的散熱、可靠性和穩(wěn)定性要求。圖1為目前封裝效果比較好的封裝結(jié)構(gòu)。

圖1 具有代表性的LED透鏡封裝結(jié)構(gòu)

如果將圖1中透鏡的封裝材料由目前的有機(jī)材料更換成無(wú)機(jī)玻璃，則可滿足大功率LED封裝對(duì)耐熱、可靠性和穩(wěn)定性的要求。而目前的無(wú)機(jī)玻璃透鏡是通過(guò)光學(xué)玻璃模壓成型，然后加裝在LED上的，無(wú)法阻隔安裝縫隙透入的氧氣和濕氣。透鏡只是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單模壓成型的大尺寸透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)聚光，增加了空氣和玻璃界面，光損耗高。

1 高硼硅玻璃用作封裝LED微透鏡的優(yōu)勢(shì)

高硼硅玻璃，也稱為硬質(zhì)玻璃和國(guó)外品牌名Pyrex 玻璃，將之用作LED封裝微透鏡封裝材料具有以下特點(diǎn)：

①其膨脹系數(shù)a（20～300 ℃）為（3.3±0.1）×10-6· K-1，與硅或氮化硅基片的熱膨脹系數(shù)相近，彈性模量小，與基材結(jié)合強(qiáng)度高。

②導(dǎo)熱性好，平均熱導(dǎo)率（20～200 ℃）為1.2 W·m-1· K-1，有利于散熱。

③具有很低的吸濕性和透氣性。

④耐酸（氫氟酸和磷酸除外）、耐堿、耐溶劑，硬度高，抗刮擦劃痕。

⑤抗紫外，耐黃變，很高的溫度耐受能力和良好的應(yīng)力特性。

⑥在可見(jiàn)光范圍內(nèi)無(wú)明顯吸收峰而呈無(wú)色，可見(jiàn)光透過(guò)率高，折射率1.47，而現(xiàn)用的有機(jī)硅折射率為1.43，易于獲得更高的出光效率。

⑦原位沉積，成本低，可靠性高，對(duì)出光道設(shè)計(jì)提供更多的選擇。

⑧低溫沉積封裝工藝保證了芯片等元件不再受其它高溫封裝方式的損害。

高硼硅玻璃具有優(yōu)異物理化學(xué)性能、光學(xué)性能、散熱性能和電絕緣性能，是非常理想的半導(dǎo)體或電子元器件的封裝材料，但其高熔點(diǎn)限制了其在很多方面的應(yīng)用。

2 電子束蒸發(fā)沉積LED的高硼硅玻璃微透鏡的可行性

本文提出用電子束蒸發(fā)沉積LED的高硼硅玻璃作為圖1中透鏡封裝材料。高硼硅玻璃熔融制備溫度大于1650 ℃，由于LED芯片、引線等無(wú)法耐高溫，顯然不能用熔融法制備，只能低溫制備高硼硅玻璃態(tài)封裝材料。目前只有德國(guó)MSG Lithoglas AG公司Juergen Leib［3］提出等離子體輔助沉積玻璃鈍化層用于半導(dǎo)體封裝材料。闕立志等［4］將輕冕玻璃（QK3）基片加溫至230 ℃，恒溫3 h后，然后打開(kāi)電子槍，交替蒸發(fā)TiO2和SiO2兩種高熔點(diǎn)材料。劉學(xué)麗等［5］用電子束蒸發(fā)沉積重?fù)焦璞∧?，在普通玻璃基片上制備了低輻射玻璃。這些研究證明了用電子束蒸發(fā)沉積制備高熔點(diǎn)硼硅玻璃的可行性。尤其是U. Hansen等［6］明確指出，可以用電子束蒸發(fā)沉積制備氣密封裝的硼硅玻璃膜。

典型的高硼硅玻璃，即美國(guó)Corning公司推出的商品牌號(hào)Prex玻璃的質(zhì)量百分組成為：SiO280.6%，B2O312.5%，Na2O 4.2%，Al2O32.2%。由于硅硼的熔點(diǎn)極高，其組成中4.2%的Na2O是玻璃熔制過(guò)程中為了降低熔制溫度加入的助熔劑Na2C O3或硼砂引入的，用電子束沉積高硼硅玻璃不用引入助熔的Na2O，設(shè)計(jì)的玻璃組成為：SiO285%，B2O315%。采用雙坩堝，以高純SiO2和B2O3為原料，電子槍采用不同的加速電壓、蒸發(fā)束流、蒸發(fā)源合理配比、離子源輔助沉積等技術(shù)方法，可以解決控制硼硅比的問(wèn)題；通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求合適的沉積速率、控制基片的溫度來(lái)保證所沉積的膜層為非晶態(tài)。這樣，就可以在較低溫度制備LED微透鏡的高硼硅玻璃態(tài)封裝材料。

3 結(jié)語(yǔ)

高硼硅玻璃具有優(yōu)異物理化學(xué)性能、光學(xué)性能、散熱性能，是非常理想的半導(dǎo)體或電子元器件的封裝材料，但其高熔點(diǎn)限制了其在很多器件上的應(yīng)用，本文提出用電子束蒸發(fā)沉積制備高硼硅玻璃層，作為L(zhǎng)ED微透鏡的封裝材料，分析認(rèn)為技術(shù)路線可行，是作為L(zhǎng)ED光源提高各方面性能的有效技術(shù)路徑之一。