摘 要：本文從光學(xué),、熱學(xué)、電學(xué),、可靠性等方面,詳細(xì)評述了大功率白光LED封裝的" title="封裝的">封裝的設(shè)計和研究進展,，并對大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)進行了評述。提出LED的封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進行,，并且需要對光,、熱、電,、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)一考慮,。在封裝過程中，雖然材料（散熱基板" title="基板">基板,、熒光粉,、灌封膠）選擇很重要，但封裝結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)界面，從而降低封裝熱阻" title="熱阻">熱阻,，提高出光效率" title="光效率">光效率,。文中最后對LED燈具的設(shè)計和封裝要求進行了闡述。
關(guān)鍵詞：固態(tài)照明 大功率LED 白光LED 封裝
一,、前言
大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)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(jié)溫，提高LED性能,；3.光學(xué)控制,，提高出光效率，優(yōu)化光束分布,；4.供電管理,，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等,。
LED封裝方法,、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu),、光電/機械特性,、具體應(yīng)用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展,，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED),、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段,。隨著芯片功率的增大,，特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求，對LED封裝的光學(xué),、熱學(xué),、電學(xué)和機械結(jié)構(gòu)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(shù)思路來進行封裝設(shè)計,。
二,、大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)
大功率LED封裝主要涉及光、熱,、電,、結(jié)構(gòu)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(guān)鍵，電,、結(jié)構(gòu)與工藝是手段,，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言,，LED封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進行,，即芯片設(shè)計時就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本,，有時甚至不可能,。
圖1 大功率白光LED封裝技術(shù)
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具體而言，大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括：
（一）低熱阻封裝工藝
對于現(xiàn)有的LED光效水平而言,，由于輸入電能的80％左右轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)計等。
LED封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻,。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量,，并傳導(dǎo)到熱沉上，實現(xiàn)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Al2O3,，AlN，SiC）和復(fù)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(fā)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(fā)了相應(yīng)的LED封裝技術(shù),。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應(yīng)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(qū)動電路及控制補償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單,，而且由于材料熱導(dǎo)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(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié)而成,，沒有使用黏結(jié)劑,，因此導(dǎo)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(dǎo)率為160W/mk,，熱膨脹系數(shù)為4.0×10－6/℃（與硅的熱膨脹系數(shù)3.2×10－6/℃相當(dāng)）,，從而降低了封裝熱應(yīng)力。
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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(guān)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(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠,，由于熱導(dǎo)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(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)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(jié)構(gòu)與工藝
在LED使用過程中,，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失,，主要包括三個方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率" title="折射率">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(yīng)力釋放,，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此,，要求其透光率高,，折射率高，熱穩(wěn)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(yīng)力、耐老化等特性,。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠,。硅膠由于具有透光率高，折射率大,，熱穩(wěn)定性好,，應(yīng)力小，吸濕性低等特點,，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂,，在大功率LED封裝中得到廣泛應(yīng)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(huán)境溫度影響較大,。隨著溫度升高,，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)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(fù)合，形成白光,。其特性主要包括粒度,、形狀、發(fā)光效率,、轉(zhuǎn)換效率,、穩(wěn)定性（熱和化學(xué)）等，其中,，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)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(fā)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(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成,，散熱性能較差,，當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時，易發(fā)生溫度猝滅和老化,，使發(fā)光效率降低,。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)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(zhì)量。
傳統(tǒng)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(dǎo)致出射光色彩不一致,，出現(xiàn)偏藍光或者偏黃光,。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層（Conformal coating）技術(shù)可實現(xiàn)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(dāng)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)。
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圖3 大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)
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(nèi)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(xué)界面數(shù),，也是提高出光效率的有效措施。
（三）陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù)
經(jīng)過40多年的發(fā)展,，LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個階段,，如圖4所示。
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圖4 LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展
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1,、引腳式（Lamp）LED封裝
引腳式封裝就是常用的?3－5mm封裝結(jié)構(gòu),。一般用于電流較?。?0－30mA），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(guī)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(shù)（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(shù),。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對準(zhǔn)預(yù)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(jīng)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(shù)具有可靠性高,、高頻特性好、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技術(shù)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(xiàn)芯片與PCB板間電互連的封裝技術(shù)。PCB板可以是低成本的FR－4材料（玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂）,，也可以是高熱導(dǎo)的金屬基或陶瓷基復(fù)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(shù)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(tǒng)封裝式（SiP）LED封裝
SiP（System in Package）是近幾年來為適應(yīng)整機的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求，在系統(tǒng)芯片System on Chip（SOC）基礎(chǔ)上發(fā)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(nèi)組裝多個發(fā)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(xué)微結(jié)構(gòu)、傳感器等）集成在一起,，構(gòu)建成一個更為復(fù)雜的,、完整的系統(tǒng),。同其他封裝結(jié)構(gòu)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(fā)周期短等優(yōu)點。按照技術(shù)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(xiàn),。而這些都會增加LED的功率密度,，如散熱不良,，將導(dǎo)致LED芯片的結(jié)溫升高，從而直接影響LED器件的性能（如發(fā)光效率降低,、出射光發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)和合適的封裝工藝,。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動和主動散熱。被動散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片,，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中,。該方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高,，但由于自然對流換熱系數(shù)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(fēng)扇、熱管,、液體強迫對流,、微通道致冷、相變致冷等,。
在系統(tǒng)集成方面,，臺灣新強光電公司采用系統(tǒng)封裝技術(shù)(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(dāng)環(huán)境溫度為25℃時,，LED結(jié)溫控制在60℃以下,，從而確保了LED的使用壽命和良好的發(fā)光性能。而華中科技大學(xué)則采用COB封裝和微噴主動散熱技術(shù),，封裝出了220W和1500W的超大功率LED白光光源,，如圖5（b）。
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（四）封裝大生產(chǎn)技術(shù)
晶片鍵合（Wafer bonding）技術(shù)是指芯片結(jié)構(gòu)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(yīng)的芯片鍵合（Die bonding）是指芯片結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(chǎn)的潔凈度,，防止鍵合前的劃片,、分片工藝對器件結(jié)構(gòu)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,。
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此外,，對于大功率LED封裝，必須在芯片設(shè)計和封裝設(shè)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(jié)構(gòu)，盡可能減少熱學(xué)和光學(xué)界面數(shù),，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(dǎo)致的灌封膠黃化,、光學(xué)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(jié)構(gòu)和工藝有關(guān),。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(huán)境試驗的方法進行可靠性測試與評估,。測試內(nèi)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(huán)（85℃～－55℃）,、熱沖擊,、耐腐蝕性,、抗溶性、機械沖擊等,。然而,，加速環(huán)境試驗只是問題的一個方面，對LED壽命的預(yù)測機理和方法的研究仍是有待研究的難題,。
三,、固態(tài)照明對大功率LED封裝的要求
與傳統(tǒng)照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產(chǎn)生有色光,，不僅效率高,、光色純，而且可以實現(xiàn)動態(tài)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(shù),，滿足不同的應(yīng)用需要,。但對其封裝也提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：
（一）模塊化
通過多個LED燈（或模塊）的相互連接可實現(xiàn)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(shù)，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(lǐng)域的照明要求,。
（二）系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和工藝,，以及優(yōu)化內(nèi)/外光學(xué)設(shè)計，以提高整個系統(tǒng)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(yōu)勢（主要指初期安裝成本），而封裝在整個LED燈具生產(chǎn)成本中占了很大部分,，因此,，采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，提高光效/成本比,，是實現(xiàn)LED燈具商品化的關(guān)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(shè)計易于改進以適應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)成的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),，但同時給設(shè)計提供了充分的想象空間。此外,，LED照明控制的首要目標(biāo)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(zhuǎn)換電路或嵌入式控制電路（ASICs）,，以實現(xiàn)先進的校準(zhǔn)和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。此外,，通過數(shù)字照明控制技術(shù),，對固態(tài)光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來實現(xiàn)，從而在用戶,、信息與光源間建立了新的關(guān)聯(lián),，并且可以充分發(fā)揮設(shè)計者和消費者的想象力。
四,、結(jié)束語
LED封裝是一個涉及到多學(xué)科（如光學(xué),、熱學(xué)、機械,、電學(xué),、力學(xué)、材料,、半導(dǎo)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(shù)（Technology）,，而且也是一門基礎(chǔ)科學(xué)（Science）,，良好的封裝需要對熱學(xué)、光學(xué),、材料和工藝力學(xué)等物理本質(zhì)的理解和應(yīng)用,。LED封裝設(shè)計應(yīng)與芯片設(shè)計同時進行，并且需要對光,、熱,、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)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(jié)構(gòu)（如熱學(xué)界面、光學(xué)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。
致 謝：
衷心感謝馬澤濤、袁柳林,、周波,、陳偉、石雄,、宋鏡明,、劉宗源、王愷,、程婷等的辛勤工作與研究成果,。
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