激光焊接應(yīng)用于紫外 LED氣密性封裝

馮廣智 葉言明 沈華明 陳冬冬 周智維 李軍 周天琛

摘要：針對紫外 LED 激光氣密性封裝焊接工藝技術(shù)進行攻關(guān)，結(jié)合多年自主研發(fā)激光封焊設(shè)備、LED 封裝材料和激光焊接工藝開發(fā)的經(jīng)驗，對紫外 LED 激光氣密性封裝關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。對比分析了激光氣密性封焊較其他封焊方法優(yōu)勢。應(yīng)用自主研發(fā)的激光封焊設(shè)備進行完整的封焊工藝流程，驗證了鐳通自主研發(fā)的激光封焊設(shè)備及紫外光窗的工業(yè)化生產(chǎn)可行性。通過對單脈沖能量、基板與管殼間隙等工藝參數(shù)的調(diào)整，結(jié)合焊縫深度和氣密性測試，驗證激光氣密性封裝工藝的可行性，并且得到合適的工藝窗口。突破激光氣密性封焊熔池深度控制、氣密性優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。為紫外 LED 激光氣密性封裝焊接的工業(yè)化量產(chǎn)提供實際數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：激光焊接;激光氣密性封焊;紫外 LED 封焊

中圖分類號：TG456.7???????????? 文獻標(biāo)志碼：A????? ??文章編號：1009-9492（2021）12-0097-04

Application of Laser Welding in UV LED Airtight Packaging

Feng Guangzhi1， 2，Ye Yanming1， 2，Shen Huaming1， 2，Chen Dongdong1， 2，Zhou Zhiwei1， 2，Li Jun1， 2，Zhou Tianchen1， 3

（1. Zhuhai Leitong Laser Technology Co.， Ltd.， Zhuhai， Guangdong 519099， China;2. Zhongshan Leitong Laser Technology Co.， Ltd.，Zhongshan， Guangdong 528437， China;3. Changchun University of Technology， Changchun 130013， China）

Abstract： The key technology of laser hermetic encapsulation of UV LEDs was studied by combining years of experience in independent research and development of laser sealing equipment， LED packaging materials and laser welding process development. The advantages of laser hermetic sealing over other sealing methods were compared and analyzed. The self-developed laser sealing equipment was applied to perform a complete sealing process， and the feasibility of industrial production of self-developed laser sealing equipment and UV windows were verified. Through the adjustment of process parameters such as single pulse energy， substrate and shell gap， combined with weld depth and hermeticity test， the feasibility of laser hermetic sealing process was verified and the suitable process window was obtained. Key technologies such as weld pool depth control and gas tightness optimization of laser gas tight seal welding are broken through， the practical data basis is provided for industrial mass production of UV LED laser hermetic package welding.

Key words： laser welding; laser hermetic sealing; UV LED sealing

0 引言

紫外 LED 具有環(huán)保無汞、壽命長、功耗低、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)輕巧等諸多優(yōu)勢。紫外 LED 在環(huán)境、生命科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于其發(fā)射波長和光子能量的不同，近紫外 LED 廣泛應(yīng)用于油墨印刷、樹脂固化、照明、標(biāo)識等領(lǐng)域，而深紫外 LED 在消毒、空氣和水凈化、醫(yī)療、生化檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。因氣密性封裝可以有效提升 LED 的使用壽命，本文目的在于采用激光焊進行紫外 LED 的氣密性封裝，探究激光封焊工藝參數(shù)和氣密性的關(guān)系，驗證該自主研發(fā)紫外光窗的氣密性能，獲得合適的工藝窗口，以延長紫外 LED 的使用壽命。

目前國內(nèi)外存在紫外 LED 氣密性封裝形式主要可分為3類：有機粘合劑包覆封裝、玻璃結(jié)構(gòu)貼裝和 TO 型封裝[1]。而就 TO 型封裝而言，市場上存在激光封焊和超聲封焊兩種方法。

相比于傳統(tǒng)焊接方法，激光焊接具有以下顯著特點：（1） 高功率激光束經(jīng)過聚焦后，光斑直徑很小，功率密度高、能量集中，可達105～108 W/cm2，遠遠超過普通熔焊（102～104 W/cm2），焊縫深寬比大，一般達到5∶1以上;（2）焊接速度快，熱影響區(qū)窄小，工件變形小，焊縫成型美觀，焊后基本不需要后續(xù)處理，特別適合高精度工件之間的連接;（3）適用于高熔點、高熱導(dǎo)率、物理性能差異較大的異種或同種金屬材料焊接;（4）激光束能量可精密控制，移動速度可調(diào)，可與機器人共同組成多功能的加工系統(tǒng)，自動化程度高，可焊接難以接近的部位，尤其是光纖技術(shù)的快速發(fā)展，大大提高了其靈活性;（5）相比其他焊接方法，激光焊接加工的工件裝配精度高，可以進行精密定位，焊縫間隙要求在很窄范圍內(nèi)[2-3]。

QCW激光器較其他激光器相比，其主要優(yōu)勢：能量輸出更穩(wěn)定、精細;具有大脈沖能量和高峰值功率的特性，脈沖能量穩(wěn)定性高;光斑更小;可選擇在脈沖模式和連續(xù)模式進行切換;設(shè)備體積小，具有多樣兼容性。這些特點使得光纖激光焊接比其他焊接方法更適合于小尺寸工件，例如半導(dǎo)體氣密性封裝的焊接。

1 氣密性封裝焊接

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿，已經(jīng)成為全球經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎之一，在促進經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級方面扮演著越來越重要的角色。全球主要經(jīng)濟體也開始將半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上升為國家戰(zhàn)略發(fā)展核心地位[4]。我國已經(jīng)是世界上較大的半導(dǎo)體市場，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈也已日趨完善，截至2021年，我國半導(dǎo)體國內(nèi)市場已經(jīng)達到數(shù)千億美元的量級，且市場需求還在進一步增加。在美國限制對華出口半導(dǎo)體的大背景下，中國出臺了一些列措施促進國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)分為集成電路和半導(dǎo)體分立器件兩類。其中一部分半導(dǎo)體器件的芯片容易受到外界空氣、水汽的影響而失效，所以對這類器件需要采用氣密性封裝。這類半導(dǎo)體器件包括 UVLED、晶振、聲表濾波器以及某些 MEMS、傳感器、微波器件等。

因此氣密性封裝技術(shù)成為半導(dǎo)體器件的一類獨特的封裝技術(shù)，就 UV LED 封裝而言，針對紫外 LED 的封裝，主要采用下列方法。

（1） 包覆封裝。有機材料的包覆技術(shù)雖然成本低，但有機材料易通過吸收紫外進而產(chǎn)生光化學(xué)分解，導(dǎo)致透明度、光效降低，影響器件可靠性。

石英玻璃包覆封裝同樣使用有機材料作為粘合劑，器件在粘合層存在嚴重的反射損耗。日本日亞公司（NICHIA）早在2002年就推出了365 nm 以上的淺紫外 LED 器件，仍采用白光 LED 封裝工藝，不需要額外的材料和設(shè)備，工藝成熟度高，成本相對較低[5]。但在紫外波段使用有機材料進行封裝，有機材料會在紫外線的作用下發(fā)生分子離解破壞，出現(xiàn)老化，影響器件的可靠性[6]。

針對有機材料存在的上述問題，近年來國內(nèi)外研究者逐漸采用玻璃、藍寶石等無機材料代替有機材料封裝白光以及紫外 LED 器件，特別是深紫外 LED 器件。玻璃具有物化性能穩(wěn)定，如耐熱和抗?jié)裥院谩⑼该鞫雀咭约澳透g等，且具有制備工藝簡單、成本低等優(yōu)點，是一種非常理想的光學(xué)材料。

（2） TO 型封裝。采用藍寶石作為透明窗口，金屬管殼作為散熱支撐結(jié)構(gòu)，通過激光焊接將金屬管殼焊接在基板上，實現(xiàn)了對 UV LED 的氣密性密封封裝。整個結(jié)構(gòu)不存在有機材料，有效防止紫外老化，提高了 UVLED 器件的使用壽命和穩(wěn)定性[7]。

（3） 紫外 LED 表面貼裝封裝。包括三維玻璃蓋板和三維陶瓷基板封裝形式。前者將芯片貼裝在平面陶瓷基板上，利用三維玻璃蓋板與陶瓷基板間鍵合使芯片密封在玻璃腔體內(nèi)。因石英玻璃不易加工，很難制備出含腔體的三維玻璃蓋板，且需要滿足玻璃蓋板腔體與封裝基板間可靠鍵合，制備難度較大。

目前，美國、日本和韓國在紫外 LED 技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，可以生產(chǎn)波長范圍為255～400 nm的全系列紫外 LED 芯片與器件。前國內(nèi)的 LED 加工企業(yè)生產(chǎn)紫外 LED 多采用半球形材料的直接封裝，國外的紫外 LED 企業(yè)多采用直接封裝，或采用將石英玻璃板進行 LED 表面貼裝封裝，但因其需要低溫粘結(jié)，防止粘結(jié)過程的高溫損傷紫外 LED 芯片的性能，所以其加工難度較高。

所謂氣密性封裝就是用不透氣、不透水的材料制成的腔體將半導(dǎo)體芯片與周圍的環(huán)境隔離開，通過消除密封過程中來自封裝腔體的水汽并阻止工作壽命器件封裝周圍空氣和水汽的侵入，來獲得良好的長期可靠性。氣密性封裝是高可靠性的基礎(chǔ)。大量經(jīng)驗證明，工作期間器件表面凝結(jié)的水是導(dǎo)致應(yīng)用失效的主要原因。尤其在軍用及航天工業(yè)中使用的半導(dǎo)體器件常常在極端環(huán)境下工作，更是需要氣密性封裝來實現(xiàn)高可靠性長壽命。

普遍使用的氣密性封裝材料是金屬、陶瓷、玻璃，這3種材料對水汽的滲透率很低，比任何塑料都低幾個數(shù)量級，因此采用塑料材料的封裝是無法實現(xiàn)長期的氣密性和半導(dǎo)體器件可靠性的。

氣密性封裝半導(dǎo)體器件的封裝結(jié)構(gòu)多種多樣，但卻有共同的特征（如圖1所示），由管殼、蓋帽、芯片、電極4個部分組成，通過氣密性焊接方法把芯片密封在由管殼和蓋帽組成的腔體中，管殼上會有電極用于半導(dǎo)體器件的外部電接觸。

應(yīng)用于半導(dǎo)體器件氣密性封裝的氣密性焊接方法主要有電阻壓焊、平行縫焊、釬焊、激光焊，其優(yōu)缺點如表1所示。

電阻壓焊使用比較成熟，即利用管殼和蓋帽之間的接觸電阻發(fā)熱實現(xiàn)焊接，主要用于尺寸較大的 TO 型金屬管殼器件，不適用于微小尺寸的氣密性封裝，也不適用于陶瓷管殼封裝。

平行縫焊的基本原理也是電阻焊，其采用兩個電導(dǎo)率高的銅質(zhì)滾輪分別壓在管殼上的兩端，兩個滾輪之間施加電流，同樣利用蓋帽和管殼之間的接觸電阻發(fā)熱焊接，滾輪在滾動過程中實現(xiàn)焊接路徑的逐點焊接。平行縫焊只能實現(xiàn)平面矩形和圓弧的焊接，并且半導(dǎo)體器件不能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)板密排，要留出半導(dǎo)體器件之間的外部間隙給滾輪以操作空間;半導(dǎo)體器件的管殼和蓋帽也必須留出較大的工藝邊來給滾輪的滾壓以空間，對于光電器件來說，同樣尺寸的器件工藝邊大，也就意味著留給發(fā)光窗口的面積較少了，會減少光電器件的出光效率。

釬焊是一種高可靠性的氣密性封裝方法，通常采用金錫合金 Au80Sn20作為焊料，即焊料中80%是金，20%是錫，因此焊料成本很高，造成半導(dǎo)體器件的封裝成本很高。

傳統(tǒng)焊接更多是依賴于焊接人員自身的工作、工藝技術(shù)經(jīng)驗實現(xiàn)高質(zhì)量焊接，而激光焊接可通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)對焊接結(jié)果進行高精度控制[8]。激光焊接在近些年應(yīng)用越來越廣，其具有非接觸式焊接，局部升溫，任意焊接路徑，焊縫窄可支持微小器件焊接，焊接穩(wěn)定性好，成本低，無污染等優(yōu)點，正在逐漸取代部分傳統(tǒng)焊接方法。

綜上，激光焊接相比于其他焊接方法，具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢，以下將主要介紹利用激光封焊在 UVLED 焊接應(yīng)用中的實驗。

2 紫外 LED氣密性封裝的必要性

紫外 LED 對外界環(huán)境中水蒸氣等有害氣體十分敏

感，水蒸氣浸入封裝體內(nèi)會對芯片和電路層造成破壞，影響 LED 使用壽命。有機材料在長期使用過程中存在嚴重的熱降解和紫外線老化，為了提高紫外 LED 可靠性，在全無機封裝材料基礎(chǔ)上還必須采用氣密封裝，將芯片封裝在密閉腔體內(nèi)（空氣或惰性氣體環(huán)境等），以避免外界環(huán)境影響[8-9]。

3 紫外 LED光窗激光氣密性封焊試驗

3.1 試驗參數(shù)

為了探究焊接參數(shù)對焊接效果及氣密性的影響，尋找合適的工藝窗口，對影響焊接結(jié)果的工藝參數(shù)進行實驗分析[10]。采用鐳通激光自主開發(fā)的激光封焊設(shè)備（1064 nmQCW 激光器，聚焦鏡160 mm ，脈沖頻率100 Hz ，焊接速度10 mm/s ，單脈沖能量10 mJ ，視覺定位精度0.005μm ，焊接精度0.02 mm）對 UVLED 器件進行焊接。該激光封焊設(shè)備采用掃描振鏡實現(xiàn)光束的調(diào)節(jié)，其特點：（1） 焊接精度高、焊縫寬度較小且可調(diào)、熱影響區(qū)域小[11];（ 2）具有焊縫質(zhì)量高，沒有氣孔，成型好等優(yōu)點[12]。

焊件蓋帽采用鐳通激光自主研發(fā)的紫外光窗。UV- LED 器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 實驗結(jié)果

單脈沖能量及焊接效果如表2所示。由表可知，當(dāng)單脈沖能量大于12.12 mJ 時，可以獲得無裂紋的焊縫。且當(dāng)單脈沖能量為21.51 mJ和23.46 mJ時，焊縫均勻且無裂紋。

單脈沖能量對應(yīng)焊縫深度如圖3所示。單脈沖能量對應(yīng)氣密性如圖4所示。由圖3可知，焊接深度隨單脈沖能量的增加而增加。由圖4可知，氣密性隨單脈沖能量的增加而增加，且在單脈沖能量為21.51 mJ 和23.46 mJ 時氣密性達到9×10-11最佳值。但當(dāng)單脈沖能量為27.13 mJ 時，焊接深度為0.08 mm ，此時氣密性由9×10-11迅速下降至5×10-11，說明焊縫深度的變化直接影響氣密性，且需要通過調(diào)整單脈沖能量，將焊縫深度調(diào)節(jié)到合適4 基板與管殼間隙對焊接結(jié)果影響

本實驗選擇不同的基板與管殼間隙，單脈沖能量固定。通過在紅墨水與水配比1∶1的液體中進行1 h以上的煮沸試驗，進行氣密性測試。如表3所示，實驗結(jié)果表明當(dāng)基板與管殼間隙為0.08 mm和0.1 mm時，氣密性測試不達標(biāo)。當(dāng)板與殼間隙在0.05 mm和0.01 mm時，氣密性達標(biāo)，且隨著板與殼間隙的減小，氣密性由10-2到10-3量級的提高。焊縫情況隨著板與殼間隙的減小，由最初的焊縫燒穿到形成穩(wěn)定且寬度均勻的焊縫，說明板-殼間隙影響熔池的熱量分布，從而影響熔池形貌和氣密性。

上述實驗提供了紫外 LED 激光氣密性封裝的單脈沖能量、基板與管殼間隙兩個工藝窗口，為紫外 LED 激光氣密性封裝的工業(yè)化量產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)束語

本實驗證明了激光焊接用于紫外 LED 激光氣密性封焊是完全可行的，鐳通激光自主開發(fā)的激光封焊設(shè)備和封裝材料已被多個 LED 上市公司采購，經(jīng)過多年使用證明，激光封焊是可以實現(xiàn)批量穩(wěn)定性的氣密性封焊工藝。并且激光封焊除了在 UVLED 領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的封裝之外，在晶振、微波器件、MEMS器件等領(lǐng)域都可以實現(xiàn)氣密性的封裝，只是在不同的器件領(lǐng)域應(yīng)配合不同的管殼和蓋帽結(jié)構(gòu)，鐳通激光將繼續(xù)致力于半導(dǎo)體器件激光封焊設(shè)備和工藝水平的提升，同時配合開發(fā)半導(dǎo)體器件氣密性封裝的蓋帽結(jié)構(gòu)。

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第一作者簡介：馮廣智（1984-），黑龍江人，碩士研究生，工程師，研究領(lǐng)域為激光微納加工制造。

（編輯：刁少華）