一、前言

　　大功率LED封裝由于結構和工藝復雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點，特別是大功率 白光LED封裝更是研究熱點中的熱點。LED封裝的功能主要包括：1.機械保護，以提高可靠性;2.加強散熱，以降低芯片結溫，提高LED性能;3.光學 控制，提高出光效率，優化光束分布;4.供電管理，包括交流/直流轉變，以及電源控制等。

　　LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發展，LED封裝先后經歷 了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態照明技術發展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、更高的要求。為了有效 地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術思路來進行封裝設計。

　　二、大功率LED封裝關鍵技術

　　大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是 關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產成本而言，LED封裝設計應與芯片設計同時進行，即芯片設計時就應該考 慮到封裝結構和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對芯片結構進行調整，從而延長了產品研發周期和工藝成本，有時甚至不可能。

　　具體而言，大功率LED封裝的關鍵技術包括：

　　(一)低熱阻封裝工藝

　　對于現有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80%左右轉變成為熱量，且LED芯片面積小，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱界面材料)與工藝、熱沉設計等。

　　LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結構)內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量，并傳導到熱沉上，實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬(如鋁，銅)、陶瓷(如AlN，SiC) 和復合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發光功率和效 率;Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2(a)，并開發了相應的LED封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應 的陶瓷基板，然后將LED芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控制補償電路，不僅結構簡單，而且由于材料熱 導率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AlN)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成，沒有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強，如圖2(b)所示。其中氮化鋁(AlN)的熱導率為160W/mk，熱膨脹系數與硅的熱膨脹系數相當，從而降低了封裝熱應力。

　　研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基 板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)選擇 十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者 內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。

　　(二)高取光率封裝結構與工藝

　　在LED使用過程中，輻射復合產生的光子在向外發射時產生的損失，主要包括三個方面：芯片內部結構缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射 率差引起的反射損失;以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高 的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進行機械保護， 應力釋放，并作為一種光導結構。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩定性好，流動性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕 性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點，明顯優于環氧樹 脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環 境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。

　　熒光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性(熱和化學)等，其中，發光效率和轉換效率是關 鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低,出光減少，輻射波長也會發生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速熒光粉的老 化。原因在于熒光粉涂層是由環氧或硅膠與熒光粉調配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時，易發生溫度猝滅和老化，使發光效率降低。此外，高溫 下灌封膠和熒光粉的熱穩定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的 不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm)，因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納米熒光粉，可使折射率提 高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10%-20%)，并能有效改善光色質量。

　　傳統的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制，導致出射光色彩不一致，出現 偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發的保形涂層(Conformal coating)技術可實現熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖3(b)。但研究表明，當熒光粉直接涂覆在芯片表面時，由于光散射的存在，出光效 率較低。有鑒于此，美國RenssELaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝(Scattered Photon Extraction method，SPE)，通過在芯片表面布置一個聚焦透鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效 (60%)，如圖3(c)。

　　總體而言，為提高LED的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通過將熒光粉內摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少LED出光方向的光學界面數，也是提高出光效率的有效措施。

　　(三)陣列封裝與系統集成技術

　　經過40多年的發展，LED封裝技術和結構先后經歷了四個階段，如圖4所示。

　　1、引腳式(Lamp)LED封裝

　　引腳式封裝就是常用的3-5mm封裝結構。一般用于電流較小(20-30mA)，功率較低(小于0.1W)的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規模集成時也可作為顯示屏。其缺點在于封裝熱阻較大(一般高于100K/W)，壽命較短。

　　2、表面組裝(貼片)式(SMT-LED)封裝

　　表面組裝技術(SMT)是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術。具體而言，就是用特定的工具或設備將芯片引 腳對準預先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB 表面上，經過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。SMT技術具有可靠性高、高頻特性好、易于實現自動化等優點，是電子行業最流 行的一種封裝技術和工藝。

　　3、板上芯片直裝式(COB)LED封裝

　　COB是Chip On Board(板上芯片直裝)的英文縮寫，是一種通過粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB板上，再通過引線鍵合實現芯片與PCB板間電互連的封裝技 術。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纖維增強的環氧樹脂)，也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料(如鋁基板或覆銅陶瓷基板等)。而引線鍵合 可采用高溫下的熱超聲鍵合(金絲球焊)和常溫下的超聲波鍵合(鋁劈刀焊接)。COB技術主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝，同SMT相比，不僅大大提 高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻(一般為6-12W/m.K)。

　　4、系統封裝式(SiP)LED封裝

　　SiP(System in Package)是近幾年來為適應整機的便攜式發展和系統小型化的要求，在系統芯片System on Chip(SOC)基礎上發展起來的一種新型封裝集成方式。對SiP-LED而言，不僅可以在一個封裝內組裝多個發光芯片，還可以將各種不同類型的器件 (如電源、控制電路、光學微結構、傳感器等)集成在一起，構建成一個更為復雜的、完整的系統。同其他封裝結構相比，SiP具有工藝兼容性好(可利用已有的 電子封裝材料和工藝)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分塊測試，開發周期短等優點。按照技術類型不同，SiP可分為四種：芯片層疊型，模組 型，MCM型和三維(3D)封裝型。

　　目前，高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流 密度、使用大尺寸芯片等措施來實現。而這些都會增加LED的功率密度，如散熱不良，將導致LED芯片的結溫升高，從而直接影響LED器件的性能(如發光效 率降低、出射光發生紅移，壽命降低等)。多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限于價格、可用的空間、電氣連 接，特別是散熱等問題。由于發光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結構和合適的封裝工藝。常用的熱沉結構分為被動和主動散熱。 被動散熱一般選用具有高肋化系數的翅片，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環境中。該方案結構簡單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數較低，只適合 于功率密度較低，集成度不高的情況。對于大功率LED封裝，則必須采用主動散熱，如翅片+風扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。

　　在系統集成方面，臺灣新強光電公司采用系統封裝技術(SiP), 并通過翅片+熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如圖5(a)。由于封裝熱阻較低(4.38℃/W),當環境 溫度為25℃時，LED結溫控制在60℃以下，從而確保了LED的使用壽命和良好的發光性能。而華中科技大學則采用COB封裝和微噴主動散熱技術，封裝出 了220W和1500W的超大功率LED白光光源，如圖5(b)。

　　(四)封裝大生產技術

　　晶片鍵合(Wafer bonding)技術是指芯片結構和電路的制作、封裝都在晶片(Wafer)上進行，封裝完成后再進行切割，形成單個的芯片(Chip);與之相對應的芯 片鍵合(Die bonding)是指芯片結構和電路在晶片上完成后，即進行切割形成芯片(Die)，然后對單個芯片進行封裝(類似現在的LED封裝工藝)，如圖6所示。 很明顯，晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由于封裝費用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改變現有的LED封裝形式(從芯片鍵合到晶片鍵合)，將 大大降低封裝制造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞，提高封裝成品率和可靠性，因 而是一種降低封裝成本的有效手段。

　　此外，對于大功率LED封裝，必須在芯片設計和封裝設計過程中，盡可能采用工藝較少的封裝形式(Package-less Packaging)，同時簡化封裝結構，盡可能減少熱學和光學界面數，以降低封裝熱阻，提高出光效率。

　　(五)封裝可靠性測試與評估

　　LED器件的失效模式主要包括電失效(如短路或斷路)、光失效(如高溫導致的灌封膠黃化、光學性能劣化等)和機械失效(如引線斷裂，脫焊等)， 而這些因素都與封裝結構和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間(MTTF)來定義，對于照明用途，一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70%(對 顯示用途一般定義為初始值的50%)的使用時間。由于LED壽命長，通常采取加速環境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內容主要包括高溫儲存 (100℃，1000h)、低溫儲存(-55℃，1000h)、高溫高濕(85℃/85%，1000h)、高低溫循環(85℃～-55℃)、熱沖擊、耐腐 蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而，加速環境試驗只是問題的一個方面，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。

　　三、固態照明對大功率LED封裝的要求

　　與傳統照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實現動態或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時保持具有高的顯色指數，滿足不同的應用需要。但對其封裝也提出了新的要求，具體體現在：

　　(一)模塊化

　　通過多個LED燈(或模塊)的相互連接可實現良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術，可以將多個點光源或LED模塊按照隨意形狀進行組合，滿足不同領域的照明要求。

　　(二)系統效率最大化

　　為提高LED燈具的出光效率，除了需要合適的LED電源外，還必須采用高效的散熱結構和工藝，以及優化內/外光學設計，以提高整個系統效率。

　　(三)低成本

　　LED燈具要走向市場，必須在成本上具備競爭優勢(主要指初期安裝成本)，而封裝在整個LED燈具生產成本中占了很大部分，因此，采用新型封裝結構和技術，提高光效/成本比，是實現LED燈具商品化的關鍵。

　　(四)易于替換和維護

　　由于LED光源壽命長，維護成本低，因此對LED燈具的封裝可靠性提出了較高的要求。要求LED燈具設計易于改進以適應未來效率更高的LED芯片封裝要求，并且要求LED芯片的互換性要好，以便于燈具廠商自己選擇采用何種芯片。

　　LED燈具光源可由多個分布式點光源組成，由于芯片尺寸小，從而使封裝出的燈具重量輕，結構精巧，并可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的 不足在于沒有現成的設計標準，但同時給設計提供了充分的想象空間。此外，LED照明控制的首要目標是供電。由于一般市電電源是高壓交流電 (220V，AC)，而LED需要恒流或限流電源，因此必須使用轉換電路或嵌入式控制電路，以實現先進的校準和閉環反饋控制系統。此外，通過數字照明控制技術，對固態光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來實現，從而在用戶、信息與光源間建立了新的關聯，并且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。

　　四、結束語

　　LED封裝是一個涉及到多學科(如光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等)的研究課題。從某種角度而言，LED封裝不僅是一門制造技術 (Technology)，而且也是一門基礎科學(Science)，良好的封裝需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質的理解和應用。LED封裝設 計應與芯片設計同時進行，并且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中，雖然材料(散熱基板、熒光粉、灌封膠)選擇很重要，但封裝結構(如熱 學界面、光學界面)對LED光效和可靠性影響也很大，大功率白光LED封裝必須采用新材料，新工藝，新思路。對于LED燈具而言，更是需要將光源、散熱、 供電和燈具等集成考慮。