Überprüfung der Entwicklung von Deep Ultraviolett -LED -Verpackung

Jichen Shen ¹, Tianqi Wu ¹, Jun Zou ¹,*, Peng Wu ² und Yitao Liao²

1 School of Science, Shanghai Institute of Technology, China

2 Liyu Advanced Technology Co.Ltd, China

Abstrakt:

Das Deep UV-LED-Paket ist ein Hotspot von wachsenden Sorge für Forschungswissenschaftler. Durch die LED-Halbleiter-Leuchttätigkeitsgeräte werden UVC-Bande-Ultraviolett (typische Wellenlänge 260 ~ 280 nm) ausgestrahlt. Im Vergleich zu traditionellen UV-Lichtquellen ist eine neue Art von gesunder künstlicher Lichtquelle, und das traditionelle UV-Licht-Mercury-Mercury-Lampen, das Tiefe-uv-LED-LED-LED-LED-LED-LED-A-Waveleng von wagelg. Aufgrund der energiestarken UV-Strahlungsfähigkeit hat es einen starken bakteriziden und inaktivierten Effekt auf Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen. In den letzten Jahren wurden mit dem kontinuierlichen Fortschritt der tiefen Verpackungstechnologie die optische Effizienz und Zuverlässigkeit von tiefen UV -LEDs erheblich verbessert. Dieses Papier fasst die Schlüsseltechnologien der Deep-Ultraviolett-Verpackung, die Leistung von Deep-Ultraviolett-LEDs und die Anwendung von Deep-Ultraviolett-LEDs zusammen. Durch das Verständnis der Verpackungsmaterialien, der Verpackungsstruktur, des Verpackungsprozesses usw., um die Leistung von Deep-Ultraviolett-LEDs zu verbessern, so dass es besser ist, sich auf den Markt anzuwenden, was zu erkennen ist, dass die Deep-Ultraviolett-LEDs eine große Aussicht auf die Entwicklung haben.

Schlüsselwörter: Deep Ultraviolette LED, Kapselung, Eigenschaft

*Korrespondierender Autor: Jun Zou, School of Science, Shanghai Institute of Technology, China. E -Mail: zoujun@sit.edu. CN

1. Einführung

Deep Ultraviolet (DUV) LED ist eine neue gesunde künstliche Lichtquelle, eine tiefe UV -LED und eine herkömmliche UV -Lichtquelle im Vergleich zu Quecksilberlampen. Es gibt viele Vorteile wie eine präzise Wellenlängenkontrolle, grünen Umweltschutz und so weiter. [1], und es hat weit verbreitete Aufmerksamkeit in den Bereichen Desinfektion, chemische Zersetzung, Wasser- und Luftreinigung und Kontrolle der Lebensmittelsicherheit erhalten [2]. Die Herausforderung von DUV-LEDS in praktischen Anwendungen bleibt jedoch die Effizienz bei geringer Licht.

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden LEDs in zwei Führungsvorrichtungen, ähnlich wie kleine Glühbirnen, eingekapselt und mit stark transparenten Epoxidharzen versiegelt. Mit dieser herkömmlichen Kapselungsmethode gibt es jedoch mehrere Probleme. Aufgrund des Epoxidharzes ist es anfällig für UV-Alterung, was zum Riss des eingekapselten Querschnitts führt [3]. Daher wird die Quarzkapselung normalerweise verwendet, um dieses Problem zu lösen, aber aufgrund des enormen Unterschieds im Brechungsindex verursacht die Kapselung mit Quarzglas Fresnel-Reflexionsverluste an der Glas-Luft- und Chip-Luft-Schnittstellen. Diese Reflexionsverluste verursachen die Reflexionsverletzung und verringern die Lichtvergünstigung, was zu einer Abnahme der optischen Ausgangskraft der optischen Ausgangsleistung führt. Als Reaktion auf dieses Phänomen haben Forscher auch neue Lösungen vorgeschlagen, wie die Verbesserung des Quarzglasmaterials und der Einkapselung mit amorphem Fluorharz.

Unterschiedliche Substratmaterialien haben auch einen großen Einfluss auf die phototherme Leistung von LEDs von Deep-Ultraviolett. Da das traditionelle DUV-LEDS-Paket Saphir mit einem hohen Brechungsindex hat, erfolgt die gesamte interne Reflexion leicht. Spätere DUV-LEDs werden unter Verwendung eines aluminium-Nitrid-Keramik-Substrats (ALN) verpackt. Das Substrat im Ultraviolettband hat eine hohe Absorptionsphotonen, die vom Aluminum-Nitrid-Keramik-Substrat absorbiert werden, das den LEE von DUV-LEDs reduziert [5]. Als Reaktion auf dieses Problem haben einige nachfolgende Forscher SI-PKG vorgeschlagen, was seine Lichtextraktionseffizienz verbessert. Andererseits haben verschiedene Substratmaterialien unterschiedliche Wärmeableitungsfähigkeiten, und die Auswirkung von thermischen Problemen kann verhindern, dass LEDs ihr wahres Potenzial erkennen [6].

Unabhängig davon, ob in praktischen Anwendungen unterschiedliche Einkapselungsmethoden verwendet werden können, kann der Kapselungsprozess nicht ignoriert werden. Wenn der Vorgang im Einkapselungsprozess nicht geeignet ist, ist es einfach, Hohlräume zu produzieren, und die Hauptfaktoren, die die Bildung von Hohlräumen beeinflussen, sind das Lötmaterial und die Reflow -Prozessbedingungen sowie die Lage und Größe der Lötverbindungen. Als Reaktion auf dieses Problem haben Forscher und Wissenschaftler auch viele Programme vorgeschlagen, um es zu lösen.

Trotz der rasanten Entwicklung der LED -Technologie in Bezug auf Leuchtmitteleffizienz und -kosten ist die Paketzuverlässigkeit immer noch eine der Hauptherausforderungen für LED -Systeme. Die Entstehung verschiedener neuer Verpackungsmethoden bietet neue Möglichkeiten zur Verbesserung der LED -Leistung und -zuverlässigkeit.

2. Schlüsseltechnologien der tiefen UV -Verpackung

2.1. Auswahl der Verpackungsmaterialien

Zunächst einmal sind tiefe UV-lichtemittierende Diodenprobleme der Lichtextraktion, der optischen Leistungsbeschränkung und des mechanischen Schutzes im Einkapselungsprozess. Herkömmliche Einkapselungsmaterialien (Kieselgel oder Epoxidharz) sind aufgrund der durch DUV-licht induzierten molekularen Dissoziation leicht zu altern und zerstört zu werden. Für organische E-dekapselende Materialien haben einige Wissenschaftler bewiesen, dass das einzige organische Material, das zur Einkapselung von DUV-LEDs verwendet werden kann, als polymerisierte Perfluor (4-Ethenoxy-1-Butene) (P-BVE) mit den CF3-Endgruppen von 1,35, die nur organische Materialien verwendet werden können, als p-bves verwendet werden können. CF3-terminierte polymerisierte Perfluor (4-Vinyloxy-1-Buten) (P-BVE) [7].

Wenn nicht organische Materialien verwendet werden, sind einige Forscher und Wissenschaftler durch Experimente in 20 mA, 25 ℃ nach 500 -Stunden -Alterungstest die Verwendung einer quarzhermetischen Einkapselung der Strahlungsstromwartungsrate als die Verwendung von Kieselgelkapselung um 13% höher als die der Intensität der LED -Intensität mit der Achtzeitzeit und der signifikanten Anziehung [8]. Die Lichtextraktionseffizienz unter Verwendung der Glaseinkapselung ist jedoch begrenzt und der Einkapselungsprozess kompliziert.

Um dieses Problem anzugehen, haben einige Forscher amorphes Fluorharz als Einkapselungsmaterial für DUV-LEDs vorgeschlagen, das die Lichtextraktionseffizienz aufgrund seiner Nichtabsorptionseigenschaften im DUV-Wellenlängenregion verbessert und auch das Problem des tiefen Ultravioletten-Alterns und -schadens vermeidet. In dieser Hinsicht haben einige Forscher und Wissenschaftler DUV-LEDS-Kapselungsgeräte mit unterschiedlichen Dicken von Fluorkohlenwasserstoffharzbeschichtungen und unterschiedlichen Ausgangsleistungen erstellt, indem sie die Drop-Coating-Methode anwenden und ihre Eigenschaften testeten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ausgangsleistung von 4,95 MW auf 5,44 MW bei 40 mA unter Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffharzfilmverpackungen steigt.

Für die Einkapselung von Fluororesin-Dünnfilm-Abnahmen wurde auch gezeigt, dass Fluorores auch Potential als Bodengefüllungs- und Einkapselungsmaterialien aufweisen, vorhandene Harze jedoch nur für Wellenlängen von mehr als 330 nm geeignet sind. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher unter Verwendung von Fluorose mit unten gefüllter Füll- und Kapselungsmethoden untersucht und optisch isotrope und stabile amorphe Fluororese vorgeschlagen und versucht, sie für die Kapselung zu verwenden. Die amorphe Fluorosestruktur ist in Abbildung 1 dargestellt. Es wurde der Schluss gezogen, dass ein geeignetes Harz für die DUV-LEDS-Kapselung ein mit Trifluormethyl beklagter Fluororesin ist. Dieses amorphe Harz vom Typ S-Typ wird als ausreichend langlebig und wirksam als Grundfüllermaterial angesehen, um Kurzschaltungen zu vermeiden, was es ideal für die DUV-LEDS-Kapselung macht [10].

Abbildung 1

Absorptionsspektren amorpher Fluorharze zwischen 200 und 400 nm. Die Harzstrukturen sind im Einschub gezeigt

Insgesamt sind Kapselungstechnologie und Materialauswahl für tiefe Ultraviolette lichtemittierende Dioden (DUVs) für die Verbesserung der Lichtleistung und der optischen Leistung von entscheidender Bedeutung. Amorphe Fluorharzfilmkapselung und Fluor-Harzkapselung sind zwei vielversprechende Einkapselungsmethoden zur Verbesserung der Lichtextraktion und der optischen Leistung. Weitere Forschungen und Verbesserungen sind jedoch weiterhin erforderlich, um die Probleme der Fluorose wie Zerfall und hohen Kosten zu lösen.

2.2. Optimierung von Verpackungsmaterialien

Fluoropolymere sind ein Kandidatenverkapselungsmaterial, bei dem amorphe Fluoropolymere eine hohe UV -Transparenz und UV -Resistenz aufweisen. Reine Fluoropolymere verringern jedoch die Lichtextraktionseffizienz von DUV-LEDs. Um die Effizienz der Lichtextraktion zu verbessern, schlugen die Forscher einen neuen Ansatz vor, der auf Fluoropolymer -Einkapselungsschichten mit Aluminiumnitrid dotiert wurde. Es wurden Ergebnisse erzielt, um zu zeigen, dass die Methode tatsächlich eine verbesserte Lichtextraktionseffizienz und langfristige optische Stabilität von DUV-geführten COB-Modulen erzielen kann. [11]. Ein anderer Forscher schlug eine Aluminium-Nitrid-Kapselungsmethode (Dotierende, mit Silica gefüllte Chip-Seite) vor, bei der experimentell gezeigt wurde, dass sie den Seitenlichtverlust verringert und die Strahlungseffizienz von tiefen Ultraviolett-Lichtdioden (DUV-LEDS) verbessert [12].

Darüber hinaus untersuchten die Forscher für die Verpackung von tief-ultravioletten LEDs auf Algan-basierten LEDs die Hauptkettenstruktur von optisch isotropen amorphen Fluorharzen. Es wurde festgestellt, dass für Harze mit zwei Sauerstoffatomen im Ring die sichtbare Schädigung der Elektrode und der signifikante Anstieg des Leckstroms durch Photolyse des durch tiefen UV -Lichtbestrahlung induzierten Rings verursacht werden. Im Gegensatz dazu wurden bei Harzen mit einem einzelnen Sauerstoffring keine Elektrodenschäden und eine erhöhte Leckage beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die monooxygenierten Harze besser zur Einkapselung von DUV-LEDS geeignet sind. [13].

Darüber hinaus schlugen einige Forschungswissenschaftler eine Mikromachining-Methode für Quarzlinsen vor, die gleichzeitig die inneren und äußeren Oberflächen der Linsen entwerfen kann, um den optischen Weg und eine gleichmäßige Beleuchtung von Lichtdioden (LEDs) besser zu kontrollieren. Sie verwendeten die Monte -Carlo -Methode, um das UV -Licht zu verfolgen, und führten numerische Simulationen durch, um den Effekt verschiedener Array -Mikroprozessungsstrukturen auf das UV -Licht unter Verwendung einer strengen Methode für gekoppelte Wellen zu analysieren [14].

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Intensität von 265-nm-UVC-LEDs durch Verwendung von Mikromatherin-Arrays signifikant verbessert werden kann. Mit zunehmender Größe der internen Quarzmikromachination nimmt der Verbesserungseffekt der Linse auf das UV -Licht zu. Darüber hinaus kann die Mikromachinierung die Lichtkonzentration verbessern und die Intensität des UV -Lichts effektiv erhöhen. Simulations- und Rechenergebnisse zeigen, dass die Erleuchtungsgleichmäßigkeit erheblich verbessert werden kann und der minimale Fresnelverlust von nur 7,67% durch dieses Design mit freien Formlinsen erreicht werden kann [14].

Es kann der Schluss gezogen werden, dass die Forscher durch die Mikromaschiningmethode der Freiform-Linsen eine bessere Lichtpfadregelung und ein gleichmäßiger Beleuchtungseffekt erreicht haben. Dies ist von großer Bedeutung für die Entwicklung hochwertiger UV-LED-Beleuchtung und bringt neue Möglichkeiten für die Beleuchtungsbranche. Diese Forschung sind jedoch nur numerische Simulations- und Simulationsergebnisse, und es sind weitere experimentelle Überprüfungs- und technische Anwendungen erforderlich. Wie in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2

(a) Siliziumdioxidglasstruktur für externe Mikroprozessor -Arrays (B) interne Mikroprozessor -Arrays

Als Reaktion auf die Verbesserung des Quarzglasmaterials schlug ein anderer Forscher und Wissenschaftler festes Flüssig-Hybridgel (SLHG) vor, um die von DUV geführte organische Linse herzustellen, die die Effizienz der tiefen UV-Lichtextraktion erheblich verbessert. Ein Feststoff-Hybridgel wurde unter Verwendung eines festverletzten Netzwerks von Polydimethylsiloxanen strukturiert, um die flüssige Komponente des Silikonöls aufrechtzuerhalten, und zeigte eine hervorragende Form, DUV-Transparenz (über 90% Transparenz im UVC-Bereich und über 90% Lichtübertragung) und thealer Stabilität. Es wurde schließlich der Schluss gezogen, dass die Verwendung von SLLHG-Bio-Objektiven die optische Leistung von DUV-LEDS erheblich verbessern würde. [15].

Zusammenfassend können die Lichtextraktionseffizienz, die optische Stabilität und die Wirksamkeit von DUV-LEDs verbessert werden, indem verschiedene Einkapselungsmaterialien und -techniken wie Quarzglasabdeckungen, Aln-dotierte Fluoropolymere, amorphe Fluorharze mit bestimmten Strukturen und das Ändern des Materialiens des Quarz-Linsen geändert werden. Weitere Forschung und Entwicklung sind jedoch noch erforderlich, um optimierte Verpackungslösungen zu finden.

2.3. Verpackungssubstrate verschiedener Materialien

Da ein einzelner Chip die Bedingungen für die tatsächliche Sterilisation und Desinfektion von tiefen UV-LEDs nicht erfüllen kann, ist Chip-on-Board (COB) eine ausgereifte Technologie, die derzeit von Forschern verwendet wird, um mehrere Chips direkt auf ein einzelnes Substrat zu verpacken und die Desinfektions- und Sterilisationsanforderungen von UVC-LEDs zu erfüllen [16]. Daher müssen die Forscher in praktischen Anwendungen COB -Substrate für tiefe UV -LED -Verpackungen aus verschiedenen Verpackungsdichten gemäß industriellen Anwendungen auswählen. Einige Studien haben gezeigt, dass aufgrund des Vorhandenseins einer Isolierschicht die thermische Leitfähigkeit von Aluminiumsubstraten gering ist, sodass sie eine maximale Paketdichte von 0,38 W/mm2 aufnehmen können. Alumina -Keramik -Substrate können jedoch Paketdichten von 0,94 W/mm2 aufnehmen. Aluminium -Nitrid -Keramik -Substrate können höhere Paketdichten aufnehmen [17].

Ein Aluminium-Nitrid-Keramikpaket (ALN-PKG) kann die thermische Leistung von Deep-Ultraviolett-LED aufgrund seiner guten thermischen Stabilität und niedrigen thermischen Widerstand effektiv verbessern, obwohl es gegenwärtig häufig verwendet wird, ist die Aln-PKG selbst teuer, und die Verwendung von poliertem Surface-Aln-Ceramic-Basis erhöht auch die Gesamtkosten der Geräte [18]. Daher haben Forscher Algan/Aln -epitaxiale Schichten vorgeschlagen, die auf normalen Saphir -Substraten angebaut werden, um das Problem der hohen Kosten von ALN ​​zu lösen, was auch im Mittelpunkt der Forschung der Wissenschaftler steht.

Die Auswahl der Materialien für das Substrat wird jedoch ebenfalls ständig revolutioniert, und in den letzten Jahren wurde auch eine neue Art von SI -Paket mit einer volumetrischen optischen Leistungsdichte von 13,6 MW/mm3 untersucht [19]. Wie in Abbildung 3 für das ALN-Paket und das SI-Paket zu sehen ist, kann das horizontale Licht am Boden des Hohlraums durch die anisotropisch geätzten Seitenwände der SI-PKG reflektiert werden, was die Lichtausgangsrate erhöht.

Abbildung 3

ALN-PKG gegen SI-PKG

Durch die Verwendung eines Siliziumbasis-Pakets können DUV-LEDs dank der Integration mit hoher Dichte, einer dünnen Paketschicht, der Festigkeit und Steifheit und einer guten thermischen Leistung eine kleinere Größe erreichen. Diese Vorteile machen das Siliziumbasispaket idealer, insbesondere für die Notwendigkeit von Miniaturisierung und hoher Leistung der tiefen Ultravioletten -Lichtquellenanwendungen, sodass die Verwendung des SI -Pakets auch die Kosten für die Verpackung senken kann.

Einige Probleme müssen jedoch mit SI-Paketen gelöst werden, wie z. B. das Durchloch-Design und die Chip-Lötmethode, die bei der Zusammenhänge von DUV-LEDS-Chips mit SI-PKGs geändert werden müssen [20]. Durch die Verbesserung der aktuellen Probleme ist zu hoffen, dass das Problem der Zusammenhänge von DUV-geführten Chips mit SI-PKGs gelöst werden kann und dass SI-Pakete voraussichtlich in Kürze teure ALN-Pakete ersetzen sollen [21].

Einige Forscher und Wissenschaftler haben sogar 3D-Keramik-Substratpakete vorgeschlagen, die durch Bindung von Quarzkappen an dreidimensionale (3D) Keramik-Substrate bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Die Bindungsschicht wird durch einen anorganischen Bindemittel gebildet, der einen zuverlässigen und dichten Zustand darstellt. Keramische Substrate sind thermisch stabil und können die Stabilität von LED -Geräten effektiv verbessern. Die Herstellung von 3D-Keramik-Substraten ist jedoch sehr energieintensiv und die Kupferbeschichtung ist ineffizient und kostspielig [22].

Obwohl die Auswahl des richtigen Substratmaterials die Leistung von Deep-Ultraviolet-LED verbessert, ist die Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit von LED-Paketen immer noch eine fortlaufende Herausforderung [23]. Mit der kontinuierlichen Entwicklung von Technologie und Forschung wird angenommen, dass innovativere Lösungen auftreten werden, um eine bessere Leistung für LED -Verpackungen zu erzielen.

3.. Deep UV -LED -Leistung

3.1. Das Design der Paketstruktur verbessert die tiefe thermische UV -Leistung

Trotz des erheblichen Fortschritts und der Kommerzialisierung von tiefen UV -LEDs bleiben viele Herausforderungen [24]. Zum Beispiel ist die Light Extraction Efficiency (LEE) von DUV -LEDs recht niedrig und die Effizienz ist immer noch viel niedriger als die von blauen LEDs [25]. Lichtextraktionseffizienz ist eine wichtige Herausforderung bei der Entwicklung von DUV-LEDs mit hoher Leistung, während auch die thermische Leistung verbessert werden muss [26]. Dies war ein Katalysator für die laufende Forschung.

Um die Merkmale der Wärmeableitungen von LED -Paketen zu verbessern, haben mehrere Forscher verschiedene Ansätze verfolgt. In einer der Studien wurden Keramikbarrierenrippen zwischen den LED-Chips eingeführt, die mit einer Flir T-250-Infrarotkamera gemessen wurden und die obere Oberflächentemperatur des Pakets und die Übergangstemperatur verringern, wodurch die Wärmeabteilung verbessert wurde [27]. In einer anderen Studie wurde die Verwendung von Flüssigverkapselungsstrukturen zur Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz und zur Verringerung des thermischen Widerstands untersucht. Die Studie verwendete Silikonöl als Einkapselungsmaterial und führte Experimente an planarer und verleumderter 281 nm Deep-Ultraviolett-LEDs durch, und die Ergebnisse zeigten, dass die Flüssigverkapselung die optische Kraft signifikant erhöhen kann und die Flüssigkeitskapselungstruktur mit Differenzwellenlängen, die die Flüssigkeitskapselungstruktur reduzieren kann, die Thermalfestigkeit verringern kann und die Thermalresistenz weiter verbessert und die Thermalfestanz und weitere Verbesserung der Leistung der LEDS-LEDS. Aufgrund der Unreife der aktuellen Technologie kann die Flüssigverkapselung jedoch einen gewissen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Geräteversiegelung haben. Bei Hochleistungslichtquellen kann ihre Lebensdauer auch in gewissem Maße beeinflusst werden.

Zusätzlich zur Verbesserung der thermischen Leistung wurden viele Anstrengungen unternommen, um Lee in den letzten Jahrzehnten zu verbessern, darunter die Nanostruktur -Strukturierung einer der am häufigsten untersuchten und angewandten Techniken [29]. Eine spezifische Studie wurde vorgeschlagen, um die Lichtextraktionseffizienz von DUV-LEDs mithilfe einer NPA-Verpackungsmethode (Doppelschicht-Nanoperated-Array) zu verbessern. Diese Methode moduliert das Grenzflächenlichtfeld, um die Lichtextraktion von LEDs signifikant zu verbessern, indem hochwertige Polymermaterialien und Nanoarray-Strukturen kombiniert werden. Der physikalische Mechanismus wurde durch theoretische Simulationen für Finite -Elemente -Analysen verifiziert, und es wurde nachgewiesen, dass bei der Methode die Vorteile von niedrigen Kosten, direkten Prozessen und eine effektive Verbesserung der Effizienz der Lichtextraktion aufweist [30]. Einige Forscher und Wissenschaftler haben auch herausgefunden, dass Aluminium (Aluminium) ein Material mit guten reflektierenden Eigenschaften ist, um die Lichtextraktionseffizienz der tiefen UV -LED zu verbessern, und das Reflexionsvermögen im gesamten UV -Spektralbereich liegt bei etwa 0,92. Durch die Optimierung der charakteristischen Dimensionen des Reflektors wie Winkel, Höhe und innerer Radius kann der Lichtextraktionseffekt der Seitenwandemission der DUV-LEDs verbessert werden. Die Forscher etablierten ein optisches Modell der DUV-LEDS und ferabierten optimierte Reflektoren mit unterschiedlichen Reflexionsfunktionen, die dann auf die Verpackung der DUV-LEDS angewendet wurden. Wie in Abbildung 4 gezeigt [31]

Abbildung 4

(a) geometrisches und (b) optisches Modell des von Al Reflector gepackten DUV-LED-Packs

Später verwendeten einige Forschungswissenschaftler auch zwei Arten von Hochspannungs-Flip-Chip-Deep-Ultraviolett-Licht-emittierenden Dioden (HV-FC DUV-LEDs), die aus 2 × 2 bzw. 3 × 3-Zellen bestehen, wobei jede Zelle aus Tilted Sidewalls besteht, die von SiO2/Al bedeckt sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die Struktur von geneigten Seitenwänden für die Extraktion von transversalem magnetisch polarisiertem Licht günstiger ist. Infolgedessen können die aus 3 × 3-Zellen bestehenden HV-FC-DUV-LEDs eine höhere optische Leistung erzielen [32]. Für diese Schlussfolgerung schlug ein anderer Forscher und Gelehrter eine Innovation vor und stellte fest, dass die Lichtextraktionseffizienz von Algan-basierten Duv-LEDs durch Integration eines Fernreflektors und einer Lufthöhle in die geneigte Seitenwand integriert werden könnte, und die Fernreflexion wurde realisiert, indem ein Lufthöhle-Extraktor basierend auf einem Remote-Metall-Reflektor verwendet wurde. Die Fernreflexion vermeidet leichte Absorption und unterstützt auch zusätzliche leichte Fluchtkanäle, um den LEE im Vergleich zu den herkömmlichen tiefen UV -LEDs zu verbessern, die durch gekippte Seitenwände mit metallischen Aluminiumreflektoren gebildet werden [33].

In Bezug auf das Problem der Effizienz der Extraktion mit geringer Licht der traditionellen Quarzglasabdeckung haben einige Forschungswissenschaftler das optische Modell der Deep-Ultraviolett-LEDs ermittelt und die optische Leistung der Deep-Ultraviolett-LEDs durch optische Simulation und Schlussfolgerung, dass die Duv-Luts mit traditionellen Quarz-Lensen mit traditionellen Quarz-Lenzen mit traditionellen Quarz-Lenzen mit traditionellen Quarz-Lensen als mit traditionellen Quarz-Lensen als mit traditionellem Quarz-Lesen als mit traditionellem Quarz-Lesen als mit traditionellen Quarz-Läsern als mit traditionellen Daugleis-Ladern untersucht wurden, untersucht. Dies wurde auf die signifikant verstärkte Lichtextraktion zurückgeführt, die aus den Seitenwänden des DUV-LEDS-Chips emittiert wurde [34]. Ein anderer Forscher schlug vor, den Lee von DUV-LEDS durch Nanolithographie und Nano-Objektivarrays (NLAs) zu verbessern, die durch eine nasse Ätztechnik hergestellt wurden, und verifizierte seine theoretische Machbarkeit durch Monte-Carlo-Strahlenverfolgung und Finite-Elemente-Analyse, die sowohl Licht- als auch elektrische Feldverteilungen durch die NANO-LENSS-Argumentenanalyse verbessert wurden.

Zusammenfassend wird erwartet, dass durch die oben genannten technischen Forschung und Innovation das phototherme Managementproblem von tiefen UV -LEDs und die leuchtende Effizienz und Zuverlässigkeit von UVC -LEDs verbessert werden. Trotz der Schwierigkeiten bieten diese Fortschritte mehr Möglichkeiten und Entwicklungsraum für zukünftige UVC -LED -Anwendungen.

3.2. Bildung und Auswirkungen von Hohlräumen

Lötläder sind ein wichtiges Problem mit der Zuverlässigkeit in gepackten elektronischen Geräten im Chip-Maßstab. Die Hauptfaktoren, die die Bildung von Hohlräumen beeinflussen, sind das Lötmaterial und die Reflow -Prozessbedingungen sowie die Lage und Größe der Lötverbindungen. Nach der Größe der Hohlräume können sie in Makrovoids und Mikrovoids eingeteilt werden, deren Formation hauptsächlich von den Lötprofilen, der Menge an Lötpaste, der Zusammensetzung der Flüsse und ihrer Dosierung beeinflusst wird; Makrovoids werden durch Verdunstung des Flussabschnitts des Lötprozesses gebildet. Wenn sie während der flüssigen Phase der Legierung nicht den Verbindungsbereich verlassen dürfen, sind sie in den Gelenkhohlräumen gefangen [36]. Hohlräume können die Qualität der Schweißverbindung und die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Verbindung beeinflussen. Ein großer Hohlraumbereich kann auch die thermische Leitfähigkeit des Gelenks negativ beeinflussen, was normalerweise zu Wärmeverlust und Kühlproblemen für überhitzte Komponenten führt. Daher können Hohlräume einen enormen Einfluss auf die thermische Leistung von tiefen UV -LEDs haben [36].

Es wurde gezeigt, dass die Morphologie von Hohlräumen einen Einfluss auf den thermischen Widerstand der gepackten Elektronik im Chipmaßstab hat. Durch die Einführung einer dreidimensionalen Finite-Elemente-Analyse bewerteten die Forscher die Wirkung zylindrischer und sphärischer Hohlräume. Die Ergebnisse zeigen, dass der thermische Widerstand von aggregierten Hohlräumen für denselben Prozentsatz an Hohlräumen stärker zunimmt. In der Zwischenzeit erhöhen die Hohlräume durch die gesamte Dicke der Lötschicht und nahe am hitzebetzeugenden Bereich des Chips den Wärmewiderstand und die Temperatur des Pakets erheblich [37].

Einige Forscher und Wissenschaftler haben auch vorgeschlagen, die Wärmeübertragung zwischen dem Chip und dem Kühlkörper zu verbessern, indem eine dünne Schicht aus thermischem Grenzflächenmaterial (TIM), dh eine Chip -Bindungsschicht, eingeführt wird. Tim unterdrückt interstitielle Luftlücken und stellt sicher, dass die Wärme effizient übertragen werden kann. TIM kann entweder auf Polymerbasis oder Lötmittel basieren, und das Materialdachmaterial der Löthermie-Grenzfläche wurde gegenüber dem Material auf Polymerbasis bevorzugt, da es eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist. Bei der Verwendung von Löten als thermisches Grenzflächenmaterial können sich jedoch während des Herstellungs-/Reflodenprozesses, insbesondere in Bleilöttern, leicht bilden. Das Vorhandensein von Hohlräumen reduziert den effektiven Lötquerschnittsbereich, was zu einem erhöhten thermischen Widerstand und höheren Spitzen-Chip-Temperaturen führt, was möglicherweise temperaturaktivierte Versagensmechanismen auslöst. Die Entleerung bleibt ein wichtiges Problem der Zuverlässigkeit [38].

Um dieses Problem anzugehen, verwendeten die Forscher auch Analyse der 3D -Finite -Elemente, um verschiedene Hohlräume zu untersuchen. In der Zwischenzeit erhöhen Hohlräume, die die gesamte Dicke der Lötschicht durchlaufen und sich in der Nähe des Wärmeerzeugungsbereichs des Chip befinden, den Wärmewiderstand und die Temperatur von Chip -Anbringung erheblich. Wie in 5 gezeigt [39].

Abbildung 5

Eine schematische Darstellung einer typischen CSP-Anordnung mit Flip-Chip

Zusammenfassend wirken sich Lötläer auf den Wärmewiderstand und die Temperatur von Chip -Anbringung einen wichtigen Einfluss. Durch die Einführung einer dünnen Schicht aus thermischem Grenzflächenmaterial (TIM) und der weiteren Untersuchung der Hohlraummorphologie kann die thermische Leitfähigkeit der gepackten Elektronik im Chipmaßstab verbessert werden und die Zuverlässigkeit verbessert werden.

3.3. Hohlräume auflösen

Als SMT zum ersten Mal entwickelt wurde, war die Dampfphase -Lötung aufgrund seiner hervorragenden Wärmeübertragungsfähigkeit die bevorzugte Reflow -Löttechnik. VPS ist keine neu entwickelte Lötmethode; Es wurde in den 1970er Jahren erfunden. Seitdem haben sich der Prozess und die Geräte verbessert. In der Vergangenheit verwendeten VPS gefährliche Chemikalien als Wärmeübertragungsgase, aber mit der Einführung von Galden-Flüssigkeit (dh Perfluoropolyether, PFPE), das auch als nicht hazierendes, inerter Material angesehen wird, das nicht korrover, nicht toxisch und nicht flammbar ist. (z. B. Perfluoropolyether) sind nicht so gefährlich, wie sie auch sein könnten. und die verwendeten Chemikalien (Galden) sind harmlos und umweltfreundlich [40].

Einzigartig für die VPS -Methode ist die Verwendung der Einkapselung einer Dampfphase einer speziellen Wärmeübertragungsflüssigkeit, um die Lötung von gedruckten Leiterplatten (PCBs) zu vervollständigen. Die Wärmeerzeugung und -übertragung des Reflow -Prozesses wird durch die latente Wärme des Kondensates dieser Flüssigkeit erreicht. Die Hauptvorteile dieser Methode sind die Beseitigung von Überhitzung, die Verhinderung von Schatteneffekten (insbesondere in großen Komponenten) und die Einschränkung der Inzidenz von Hohlräumen in Lötverbeinen [41].

Das heutige Dampfphase-Schweißen verwendet eine sauerstofffreie Umgebung und beseitigt die Möglichkeit einer Überhitzung und Vakuumanwendung, eine Methode, die höherwertige Gelenke gewährleistet und Hohlräume innerhalb des Lötens minimiert [42]. Das Schweißen des Vakuumdampfphasen wird unter Verwendung des Prinzips der Kondensationswärmeübertragung erreicht. Der erste Schritt besteht darin, die vorbereitete Komponente in den Ofen zu platzieren und dann den Boden mit einer Dampfflüssigkeit zu füllen. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Heizung zu arbeiten und die Wasserdampfflüssigkeit ist verdunstet und steigt. Bis der Wasserdampf mit den kalten Leiterplattenkomponenten und den Kühlrohre in Kontakt kommt, wird viel Wasserdampf erzeugt, was das Phänomen der Kondensation ist. Das Löten schmilzt wegen der Freisetzung von latenter Wärme. Ein schematisches Diagramm der Vakuumdampfphase -Lötung ist in Abbildung 6 dargestellt [43].

Abbildung 6

Das schematische Diagramm der Vakuumdampfphase -Lötung

Um das Kavitationsproblem zu lösen, haben Forschungswissenschaftler numerische Simulationsstudien durchgeführt, um die Wärme- und Massenübergangsprozesse in Vakuumdampfphasen -Schweißsystemen während des Pumpprozesses zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass in einer sauerstofffreien Schweißatmosphäre höhere Wärmeübertragungsraten erzeugt werden können. Das Vakuumschweißen mit niedrigem Dampfdruck/-konzentration kann die Anzahl der Poren in den Schweißverbindungen verringern [44]. Der Effekt der Verringerung der Dampfkonzentration auf geschweißte Verbindungen unter verschiedenen Ofeneinstellungen wurde durch ein dreidimensionales numerisches Durchflussmodell untersucht, das auf den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen und der Standard-KE-Turbulenzmethode basiert. Es wurde festgestellt, dass die Dampfextraktion einen signifikanten Einfluss auf das Wärmeübertragungsprozess in der Schweißkammer hat, was zu einer vorzeitigen Verstimmung der geschweißten Verbindungen führen und die Effizienz der Entfernung von Hohlräumen verringert. Daher ist eine ordnungsgemäße Einstellung der Ofeneinstellungen erforderlich, um den Wärmeverlust während des Extraktionsprozesses zu minimieren und die Effizienz der Entfernung von Hohlräumen zu verbessern [44].

Einige Forschungswissenschaftler haben auch herausgefunden, dass die richtige Menge an Lötpaste auch einer der Schlüssel ist, um die Bildung von Hohlräumen zu verhindern, die den Fluss des Flusses in der Lötpaste um die richtige Menge, insbesondere den Fluss mit höherer Aktivität, erhöht und die Inzidenz von Hohlräumen erheblich reduzieren kann. Sie wählten zwei Flüsse (NC559-TPF, TSF-6516 und zwei Lötpasten (Bleilötpaste und Blei-freie Lötpaste). Lötenschicht [45];

Anschließend haben einige Forscher und Gelehrte transiente Wärmelimulationsmethoden verwendet, indem sie die Temperaturänderung der Probe im Gasphasenschweißprozess simuliert, um das optimierte Gasphasenschweißtemperaturprofil, die optimierte Gasphasenschweißprofil, und das Schweißparameter unter Verwendung von X-Stray-Inspektionen abzuleiten, und die Ergebnisse des WELTERS. und erfüllen die hochwertigen Schweißstandards, um die Qualität der Baugruppe des Produkts zu verbessern [47].

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Vakuumdampf -Phase -Schweißtechnik, die Erhöhung der Flussmenge in der rechten Menge und die Einführung eines optimierten Dampfphase -Schweißtemperaturprofils angemessen festgelegt werden, die Hohlraumbildungsrate effektiv reduziert werden und die Qualität des Gelenks verbessert werden kann.

4. Deep UV -LED -Anwendungsmarkt

Tiefe UV -LEDs (UVC -LEDs) sind LEDs, die bei Wellenlängen im Bereich von 200 bis 280 nm arbeiten. Sie können eine energiereiche Tiefe-UV-Strahlung ausgeben, die eine starke bakterizide und inaktivierende Wirkung auf Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen aufweist. Das Folgende ist die Anwendungsgeschichte von tiefen UV -LEDs [48]:

Die Sterilisation von Luft, Wasser und Oberflächen bleibt eine herausragende Herausforderung bei der Bewältigung aktueller Krisen, der Bekämpfung zukünftiger Epidemien und der Verbesserung der allgemeinen Gesundheit [49]. Wasser und Luft sind die effizientesten Medien für die Ausbreitung von Bakterien, und die Fähigkeit zur Reduzierung der Bakterienwerte ist für ein sicheres Trinken für Millionen von Menschen weltweit von entscheidender Bedeutung [50]. Tiefe UV -LEDs werden in Wasser- und Luftreinigungssystemen häufig eingesetzt. Sie werden verwendet, um Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen abzutöten, um saubereres Wasser und Luft bereitzustellen.

Abbildung 7

Die erste Generation Edelstahl DUV LED -Wasserdesinfektionskammer. Adaptiert aus IUVA 2012 'Integration von tiefen Ultravioletten-Licht-Emitting-Dioden-Technologie in den Point-of-benutzten Trinkwasser

Tiefe UV -LEDs werden auch in medizinischen Geräten zur Desinfektion und Sterilisation verwendet. Sie können verwendet werden, um chirurgische Instrumente, medizinische Versorgung und Krankenhauszimmer zu reinigen, um das Risiko einer Kreuzinfektion zu verringern [53]. Da ein einzelner Chip Schwierigkeiten bei der Erzielung der UV-Intensität für die gewünschte Anwendung hat, muss dies durch integrierte Multi-Chip-Verpackungen erreicht werden. Um UV-LEDs für Sterilisationsanwendungen auf den Standard zu bringen, ist Chip-on-Board (COB) eine bewährte Technologie, mit der mehrere Chips direkt auf ein einzelnes Substrat verpackt werden können, sodass die UV-LEDs eine bessere Verwendung von UV-LEDs bei Sterilisation und viruzidalen Anwendungen ermöglichen [54].

Im Zusammenhang mit Lebensmittelsicherheit und Hygiene werden tiefe UV -LEDs in der Lebensmittelverarbeitung und -aufbewahrung verwendet, um die Frische von Lebensmitteln zu sterilisieren und aufrechtzuerhalten. Sie können verwendet werden, um Bakterien, Formen und andere Mikroorganismen abzutöten, die Verderblichkeit von Nahrungsmitteln zu verhindern und Krankheiten auszubreiten [55];

Im Bereich der Kosmetik- und Körperpflegeprodukte werden tiefe UV -LEDs in Kosmetik- und Körperpflegeprodukten verwendet, um Bakterien und Pilze abzutöten, wodurch die Produkte hygienisch und sicher bleiben.

Im Bereich Krankenhaus- und Laborumgebungen werden tiefe UV -LEDs in Krankenhaus- und Laborumgebungen verwendet, um sauberere Luft und Oberflächen bereitzustellen [56]. Sie können Bakterien und Viren wirksam töten und die Ausbreitung von Infektionen verhindern. Zum Beispiel hat die globale Verbreitung neuer Coronavirus-Krankheiten (Covid-19) im Jahr 2019 Bedenken hinsichtlich der Prävention und Kontrolle von SARS-CoV-2 ausgelöst. Eine Maschine, die das Virus für kurze Zeit tötet, verringert die Wahrscheinlichkeit, die Infektion durch Aerosole und Kontakt zu verbreiten [57]. Eine andere Studie ergab, dass 222 nm Algan Deep UV-LEDs für die Desinfektion von SARS-2 (COVID-19) signifikant effizienter waren [58]. Die Herstellung von tiefen UV-lichtemittierenden Dioden spielt somit eine große Rolle beim Abhalten, beispielsweise in die Luft einzudringen [59].

Es gibt viele Gründe, DUV -LEDs zur Desinfektion zu verwenden. Einerseits ist die DUV -LED -Desinfektion stärker als die Chlor -Desinfektion, was schädliche Substanzen erzeugt. Andererseits sind traditionelle Quecksilberlampen zerbrechlich, schwer und enthalten giftige Chemikalien, die einen erheblichen Einfluss auf die Umwelt haben. Der letzte Grund ist, dass DUV -LEDs eine gute Wahl für Entwicklungsländer sind, in denen sauberes Wasser fehlt und Wasser reinigen müssen, um die Ausbreitung von Infektionskrankheiten zu verhindern. [60].

Da die Technologie der tiefen UV -LEDs weiter voranschreitet und die Kosten sinken, werden ihre Anwendungsbereiche weiter erweitert. In Zukunft wird erwartet, dass DUV -LEDs eine wichtigere Rolle in den Bereichen Medizin, Gesundheit und Umweltschutz spielen. Obwohl die Effizienz von DUV -LEDs noch verbessert werden muss, wurden sie in der Industrie und in verschiedenen Sterilisationsgeräten weit verbreitet.

5. Schlussfolgerung

Die Forschung zu tiefen Ultravioletten -LEDs begann im frühen 21. Jahrhundert, aber es gibt immer noch technische Schwierigkeiten bei der Verpackung, und die Effizienz der vorbereiteten LEDs ist gering. In den 2010er Jahren wurde die Verpackungstechnologie allmählich verbessert, die leuchtende Effizienz und Stabilität von tiefen ultravioletten LEDs wurde verbessert und das Anwendungsfeld wurde zu erweitern. Im Jahr 2017 begannen die tiefen, ultravioletten LED-Verpackungstechnologie weiter und hocheffiziente Produkte mit hoher Zuverlässigkeit. Nach 2021 wird die Marktgröße von tiefen ultravioletten LEDs Milliarden von Dollar erreichen, die hauptsächlich für Desinfektion, Wasserqualitätstests, fluoreszierende Lichtquellen und andere Felder verwendet werden.

In den letzten Jahren hat die Forschung zu tief ultravioletten LED -Verpackungen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Insbesondere haben die Forscher wichtige Fortschritte bei der Substratauswahl gemacht. Das derzeitige gemeinsame Aluminiumoxid -Keramik -Substrat entwickelt sich allmählich zu einem höheren Niveau an Siliziumsubstrat, das die Leistung der Wärmeableitung verbessern und den Arbeitseffekt von LED verbessern kann. Gleichzeitig ist die Verpackungsstruktur ebenfalls ständig innovativ. Beispielsweise kann die Einführung von flüssigen Verpackungsstrukturen und das Hinzufügen von Reflektoren und anderen Technologien das Reflexionsvermögen des Lichts verbessern und damit die Helligkeit und Effizienz der LED verbessern.

Darüber hinaus wurden eingehendere Forschungen zur Anwendung von tiefen Ultravioletten-LEDs durchgeführt, und sie wurden auf dem Markt weit verbreitet. Diese LEDs spielen eine wichtige Rolle bei der Wasser- und Luftreinigung, in der Medizinprodukte, der Lebensmittelsicherheit und -hygiene, Kosmetik- und Körperpflegeprodukte, Krankenhaus- und Laborumgebungen sowie Abwasserbehandlung.

Wir können jedoch nicht ignorieren, dass die tiefe UV -LED -Verpackung immer noch einige Probleme hat, die gelöst werden müssen. Insbesondere die Vermeidung der Bildung von Hohlräumen im Verpackungsprozess erfordert eine kontinuierliche Verbesserung des Prozesses. Die Bildung von Hohlräumen kann die Helligkeit und Stabilität von LEDs beeinflussen, sodass Prozessverbesserungen von entscheidender Bedeutung sind.

Kurz gesagt, mit der kontinuierlichen Entwicklung und Verbesserung der tiefen, ultravioletten LED -Verpackungstechnologie wird erwartet, dass es in Zukunft bessere Anwendungsaussichten geben wird. Weitere Probleme im Verpackungsprozess müssen jedoch gelöst werden, um die umfassendere Anwendung von tiefen UV -LEDs auf dem Markt durch kontinuierliche Prozessverbesserung und -forschung zu erreichen.

Finanzierungsunterstützung

Key F & D -Programm der Provinz Jiangsu (Zuschuss Nr. BE2023048)

Ethische Aussage

Diese Studie enthält keine Studien mit menschlichen oder tierischen Probanden, die von einem der Autoren durchgeführt werden.

Interessenkonflikte

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte für diese Arbeit haben.

Datenverfügbarkeitserklärung

Daten sind beim entsprechenden Autor auf angemessene Anfrage verfügbar.

Autorenbeitragserklärung

Jichen Shen: Konzeptualisierung, Methodik, formale Analyse, Untersuchung, Ressourcen, Datenkuration, Schreiben - ursprünglicher Entwurf, Visualisierung. Tianqi Wu: Software. Jun Zou: Schreiben - Bewertung & Bearbeitung, Überwachung. Peng Wu: Validierung. Yitao Liao: Projektverwaltung.

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