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(diǎn),，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn),。LED封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù),，以提高可靠性,；2.加強(qiáng)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(jī)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(duì)LED封裝的光學(xué),、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)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(jìn)行封裝設(shè)計(jì),。
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(dú)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(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即芯片設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,，從而延長(zhǎng)了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本,，有時(shí)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(duì)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(jì)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(shí)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(hù)電路,、驅(qū)動(dòng)電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guó)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(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng),，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(duì)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(huì)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(qiáng)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(shí)產(chǎn)生的損失,，主要包括三個(gè)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(duì)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(duì)芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù),，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(dòng)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(diǎn),，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(qiáng)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(zhǎng)也會(huì)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(huì)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(shí),，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(yuǎn)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(diǎn)涂在芯片上,。由于無法對(duì)熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致,，出現(xiàn)偏藍(lán)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(shí)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(shí)，由于光散射的存在,，出光效率較低,。有鑒于此，美國(guó)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(gè)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(shì),，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(gè)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(shí)也可作為顯示屏,。其缺點(diǎn)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(duì)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(jī)械和電氣連接,。SMT技術(shù)具有可靠性高、高頻特性好,、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),，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(shí)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(qiáng)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(jī)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(duì)SiP－LED而言,，不僅可以在一個(gè)封裝內(nèi)組裝多個(gè)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(gè)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(cè)試,，開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn),。而這些都會(huì)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(gè)最可行的方案,，但是LED陣列封裝的密度受限于價(jià)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(dòng)和主動(dòng)散熱,。被動(dòng)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(duì)流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，可靠性高,，但由于自然對(duì)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(duì)于大功率LED封裝，則必須采用主動(dòng)散熱,，如翅片＋風(fēng)扇,、熱管、液體強(qiáng)迫對(duì)流,、微通道致冷,、相變致冷等。
　　在系統(tǒng)集成方面,，臺(tái)灣新強(qiáng)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(shí),，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(dòng)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(jìn)行，封裝完成后再進(jìn)行切割,，形成單個(gè)的芯片（Chip）,；與之相對(duì)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(jìn)行切割形成芯片（Die）,，然后對(duì)單個(gè)芯片進(jìn)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(fèi)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(duì)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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