LED封裝所驅動的功率大小受限于封裝體熱阻與所搭配之散熱模塊(Rca),，兩者決定LED的系統(tǒng)熱阻和穩(wěn)態(tài)所能忍受的最大功率值。為降低封裝熱阻,，業(yè)者試圖加大封裝體內(nèi)LED晶粒分布距離,，然LED晶粒分布面積不宜太大，過大的發(fā)光面積會使后續(xù)光學難以處理，也限制該產(chǎn)品的應用,。不可一味將更多的LED晶粒封裝于單一體內(nèi),，以求達到高功率封裝目的，因為仍有諸多因素待考慮,，尤其是對于應用面,。
多晶粒封裝材料不斷發(fā)展
隨著LED封裝功率提升，多晶粒封裝(Multi-chip Package)成為趨勢,，傳統(tǒng)高功率LED封裝多采用塑料射出之預成型導線架(Pre-mold Lead Frame)方式(圖1a),，封裝載體(Carrier)又稱為芯片承載(Die Pad)，為一連續(xù)的金屬塊,，已無法滿足多晶粒串接之電性需求,，電性串并聯(lián)方式直接影響LED晶粒電測分檔(Bin)的精密程度、可靠度壽命以及封裝體在應用時所需要的驅動電路設計,。于是眾多LED封裝型式陸續(xù)被提出,，圖2舉出幾個代表性高功率LED封裝典型例子。
圖1 常見高功率LED封裝結構示意
圖2 典型具代表性之高功率LED封裝
廣為業(yè)界使用的高功率LED封裝結構,，主要的差異大致可從封裝載體之材料選用做區(qū)分，實現(xiàn)方式不外乎采用高導熱陶瓷基材或直接在金屬基材上做植晶封裝(圖1b),，成為板上芯片(Chip On Board， COB)的封裝形式,。但因為高導熱陶瓷基材價格居高不下,，另有經(jīng)濟的選擇,，為使用低導熱積層陶瓷配合熱導通孔(Thermal Via)的設計(圖1c),，熱導通孔內(nèi)添入燒結金屬(如銀材)作為導熱路徑;此外,，亦另有先進的作法,，是使用半導體制程硅材為載體(圖1d)達到熱電分離，同時兼具高功率密度和低熱阻(<0.5℃/W)特性,，可望將高功率LED封裝導入另一項革命,。隨著LED功率和功率密度升級,，將加速LED在各應用領域逐次取代傳統(tǒng)光源。
一級光學鏡片封裝材料選用舉足輕重
耐高溫且穩(wěn)定的封合膠體(Encapsulation)已被廣泛采用,，不同硅膠基材間的取舍，除了加工性外,，主要在于折射率的考慮，其將影響封裝體的光學特性,，此包括光分配(Beam Distribution)與出光效率等,。為維持穩(wěn)定一致的光學質量,，賦予一級光學鏡片(Primary Lens)有其必要性,，好的鏡片設計可提供更佳的光輸出質量,，如更均勻的光強度,、色坐標分布等,，對于LED的有效出光有絕對的影響,。
一級光學鏡片的設計，各家自有其道,，一般在第一階出光多采用大出光角(≧120o)方式,，再透過后續(xù)的二階光學處理調(diào)整達所需要的光形，大出光角的另一好處,，是有利于將光萃取出來，呈現(xiàn)更好的發(fā)光效率值,。
一級光學材料的選用是很大的關鍵點，在過去,，受限于可光學成型材料的瓶頸,，多數(shù)以光學聚碳酸脂(PC)或光學壓克力(PMMA)材質為主(低階產(chǎn)品甚或有使用氧樹脂的例子)，現(xiàn)階段因硅膠材性質已多有突破,，陸續(xù)被使用在一級光學鏡片,，然因膠材乃屬黏彈性非堅硬結構,，在光學精準性上會受到交鏈反應收縮程度差異影響，同時因硅膠容易吸收水氣,，在高潮濕環(huán)境下,，硅膠鏡片可能因吸濕膨脹而使原先設計的配光發(fā)生變化,，硅膠材應用在高功率LED封裝,，適處于推廣階段。至于在光學鏡片材料選用上,，還有另一種可行方式,，對于實現(xiàn)更精致光學質量與高度可靠度需求者，可選用穩(wěn)定的玻璃鏡片，滿足長壽命和容許惡劣使用環(huán)境下嚴格考驗,。
有效降低熱阻值為首要課題
LED封裝推向高功率，首要面對熱的挑戰(zhàn),。熱效應始終為各種材料特性退化的一大加速因子,，如何掌控結點溫度,，成為決定LED封裝功率值的主要因素,，現(xiàn)階段固態(tài)照明產(chǎn)生白光的主流機制,，仍以可見藍光(450～470奈米)透過熒光材(Phosphor)激發(fā)黃色光譜混合，而產(chǎn)生人類視覺上的白光,。
市面上可見之藍光晶粒技術已達一定水平，晶粒本身對熱沖擊的忍受程度相當大(溫度每提升10℃,、發(fā)光效率衰退小于1%)，然而熱對于所有類型熒光材的效應則相對敏感，熒光材之光轉換效率隨溫度上升而降低(圖3),，同時影響熒光材料壽命，特別當熒光材料溫度超過70℃以上時會急速衰退,，此意味著LED結點溫度(Junction Temperature,， Tj)須有效控制在70℃以下，始能有效確保LED可用壽命(一般壽命以L70計算,，LED衰退至原來亮度70%之時間)，作為壽命判斷依據(jù),，而此要求一般皆在20,，000小時以上。因此,，當討論LED最高功率以及效能時，須考慮其于正常操作狀態(tài)下，達熱穩(wěn)定時之結果去推算始具意義,。LED封裝體自身之熱阻,，決定該封裝所能承受的最大功率,，如何有效降低Rjc值,，是為高功率LED封裝須面對的一大挑戰(zhàn),。
圖3 熒光材光轉換效率隨溫度之變化
成本,、電性、可靠度為封裝體晶粒配置三大評估標準
LED晶粒的工作電流密度有其上限(以40×40密爾(mil)芯片面積為例,，依芯片等級,，驅動電流從350～1，000毫安皆有,，然而提高LED功率最直接的作法,，是提高LED封裝內(nèi)的總晶粒面積，作法不外乎增加晶粒大小,，或是提高晶粒數(shù)目(采用多晶封裝方式),，各有其優(yōu)缺點，可從晶粒成本,、電性考慮,、以及可靠度壽命等角度予以評估：
成本考慮
以大尺寸80密爾晶粒為例，其面積相當于四個40密爾晶粒,，然對于晶粒價格而言,，80密爾的晶粒成本,，因良率因素,，必定高于四個40密爾的成本,。
電性連接方式
從電性的角度來看,，80密爾晶粒相當于將四個40密爾晶粒以并聯(lián)形式連接(圖4a),，而若使用四個40密爾晶粒,，則可以選擇透過打線(Wire Bonding)方法以串聯(lián)形式連接(圖4b)，串聯(lián)與并聯(lián)方式的差異,，可反應在性能表現(xiàn),，了解每顆LED晶粒的順相電壓(Forward Voltage,， Vf)皆有差異,，換句話說，也就是各晶粒單元的內(nèi)阻值不一,，四顆晶粒并聯(lián)驅動，必有電流分布不均問題,，電流分配較大的晶粒,，光轉換效率大同時也加速晶粒老化，電流分配不足的晶粒,，則無法釋放出足夠的光能，結果使整體的發(fā)光效率不如預期,。
圖4 于相同的晶粒面積條件下，不同晶粒大小相對應之電性連接示意
可靠度壽命
大晶粒因有電流分布不均現(xiàn)象，電流密度大的區(qū)域加速老化，LED老化的結果是阻值降低，導致該區(qū)域電流密度(Current Density)愈來愈大,，也形成所謂的熱點(Hot Spot),，惡性循環(huán)的結果會加速LED衰退,。因此,，LED在相同電流密度操作下，大晶粒的可靠度壽命較小晶粒短,。
總的來說,，采用串聯(lián)形式是比較有利的作法，然大尺寸晶粒卻有其他方面的優(yōu)勢,，在光學處理上,，大尺寸晶粒相較于多個小尺寸晶粒，更趨近于點光源,，較容易處理,。大、小晶粒尺寸間的取舍端視應用領域而定,，在實際操作上,，仍須考慮封裝的制程可行性以及LED驅動電路組件的搭配性。
整合共通平臺有助于降低開發(fā)成本
回顧2001年,，Lumiled Luxeon首推出1瓦高功率LED盛極一時,，以當時的封裝，可謂經(jīng)典設計,，眾多周邊廠商紛紛推出搭配Luxeon的周邊零件,，包括二次光學、散熱基板,、熱模塊,、驅動電路等，采取Luxeon封裝可毋須顧慮光學模塊，并有各式驅動電路可供用,，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時程,。反觀現(xiàn)階段高功率LED封裝，各廠自有其獨特規(guī)格,，彼此間完全沒有可共通的零配件可交互使用,，即使是當年紅極一時的Lumiled(現(xiàn)已并入飛利浦)，亦打破過去一貫的設計傳統(tǒng),，使得原先配合之周邊零組件廠無所適從。在沒有整合共通平臺的發(fā)展下,，可以預期的結果是各廠自行開發(fā)其高功率LED封裝規(guī)格,，使得下游系統(tǒng)應用廠使用更加困難，除非鎖定某單一LED供應源,，否則若欲同時有二至三種供貨來源,，則須投入倍數(shù)的開發(fā)成本于同一產(chǎn)品上。通用平臺的無法實現(xiàn),，可以預期最后的局勢為弱肉強食,，而非共享甜美果實的結局。
演色性,、色彩均勻,、價格挑戰(zhàn)越來越大
白光LED近年來突飛猛進，高功率LED取代傳統(tǒng)光源展現(xiàn)在節(jié)能的效益已獲證實,，2008年初可以量產(chǎn)的白光LED封裝已突破每瓦70流明水平,，超越傳統(tǒng)通用照明最為普及的省電燈泡(管)?？梢灶A見在未來的一年,，大于每瓦100流明的可商業(yè)化白光LED即將面世。在一味追求高發(fā)光效率的同時,，亦期待LED業(yè)界在光學質量同樣獲得提升,，包括：
對演色性的追求
使用于室內(nèi)照明的光源，人們強調(diào)光源的演色性,，目的在使被照物體呈現(xiàn)更自然色彩,，如何提升演色性(CRI>80)，這部分須仰賴晶粒廠與熒光材廠的齊力配合,，使激發(fā)光譜更加寬廣,、且更接近于大自然光源。
提升光色彩均勻度
許多LED投射出的光色彩均勻度不理想,，經(jīng)?？梢娬邽橥鈬S圈問題(光靠近外圈之色溫低于中心區(qū)域)，即便是國際知名LED封裝大廠亦難解此課題，此須同時從封裝結構,，光學設計以及熒光體涂布制程技術等并行處理,。
價格普及化
高功率LED封裝的最大市場，在于廣大的通用照明,，未來LED何時能廣泛被應用,，只剩價格問題，預估LED封裝成品價格低于100流明下1.5美元的性價比,，同時LED效能仍須維持在每瓦70流明以上之水平,，而交流對直流(AC-DC)驅動電路價格低于每瓦0.3美元，則將是高功率LED在固態(tài)照明正式被啟動的時間點,。
LED性能對產(chǎn)品壽命影響巨大
在LED特性的表現(xiàn)上,，封裝業(yè)的角度僅呈現(xiàn)組件之初始特性(Initial Characteristic， i.e.,， Tj=25℃),，然在實際應用上，用戶想知道的是產(chǎn)品在持續(xù)操作之穩(wěn)定狀態(tài)(Steady State)下的數(shù)據(jù),，如何讓終端的系統(tǒng)整合業(yè)者,，以高功率LED封裝設計產(chǎn)品時能有效掌控LED特性，須忠實提供客戶關于LED封裝體熱阻,、LED光通量隨結點溫度(Tj)變化之關系以及結點溫度對于LED壽命的影響,。