中心論題：

• 大功率LED封裝關鍵技術
• 固態照明對大功率LED封裝的要求

解決方案：

• 采用低熱阻封裝工藝
• 采用高取光率封裝結構與工藝
• 采用陣列封裝與係統集成技術
• 進行封裝可靠性測試與評估
  

前言
大功率LED封裝由於結構和工藝複雜
，並直接影響到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.光學控製，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，以及電源控製等。
　　
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封裝先後經曆了支架式(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。

大功率LED封裝關鍵技術
大功率LED封裝主要涉及光、熱
、電、結構與工藝等方麵，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feng裝zhuang設she計ji應ying與yu芯xin片pian設she計ji同tong時shi進jin行xing
，即ji芯xin片pian設she計ji時shi就jiu應ying該gai考kao慮lv到dao封feng裝zhuang結jie構gou和he工gong藝yi。否fou則ze，等deng芯xin片pian製zhi造zao完wan成cheng後hou，可ke能neng由you於yu封feng裝zhuang的de需xu要yao對dui芯xin片pian結jie構gou進jin行xing調tiao整zheng

，從cong而er延yan長chang了le產chan品pin研yan發fa周zhou期qi和he工gong藝yi成cheng本ben，有you時shi甚shen至zhi不bu可ke能neng。 

具體而言，大功率LED封裝的關鍵技術包括：

a.低熱阻封裝工藝
對於現有的LED光效水平而言，由於輸入電能的80％左右轉變成為熱量
，且LED芯片麵積小
，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、熱界麵材料）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）內部熱阻和界麵熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量，並傳導到熱沉上，實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽
、金屬（如鋁，銅）
、陶瓷（如Al2O3
，AlN，SiC）和複合材料等。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公司則研製了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a）
，並開發了相應的LED封裝技術。該技術首先製備出適於共晶焊的大功率LED芯片和相應的陶瓷基板，然後將LED芯片與基板直接焊接在一起。由於該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控製補償電路，不僅結構簡單
，而且由於材料熱導率高，熱界麵少，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公司研製的高導熱性覆銅陶瓷板
，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）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
，熱膨脹係數為4.0×10－6/℃（與矽的熱膨脹係數3.2×10－6/℃相當），從而降低了封裝熱應力。 
 

 
研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)
，封(feng)裝(zhuang)界(jie)麵(mian)對(dui)熱(re)阻(zu)影(ying)響(xiang)也(ye)很(hen)大(da)

，如(ru)果(guo)不(bu)能(neng)正(zheng)確(que)處(chu)理(li)界(jie)麵(mian)，就(jiu)難(nan)以(yi)獲(huo)得(de)良(liang)好(hao)的(de)散(san)熱(re)效(xiao)果(guo)。例(li)如(ru)，室(shi)溫(wen)下(xia)接(jie)觸(chu)良(liang)好(hao)的(de)界(jie)麵(mian)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)界(jie)麵(mian)間(jian)隙(xi)，基(ji)板(ban)的(de)翹(qiao)曲(qu)也(ye)可(ke)能(neng)會(hui)影(ying)響(xiang)鍵(jian)合(he)和(he)局(ju)部(bu)的(de)散(san)熱(re)。改(gai)善(shan)LED封裝的關鍵在於減少界麵和界麵接觸熱阻，增強散熱。因此
，芯片和散熱基板間的熱界麵材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠
，由於熱導率較低
，一般為0.5-2.5W/mK
，致使界麵熱阻很高。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麵材料

，可大大降低界麵熱阻。

b.高取光率封裝結構與工藝
在LED使用過程中，輻射複合產生的光子在向外發射時產生的損失，主要包括三個方麵：芯片內部結構缺陷以及材料的吸收；光子在出射界麵由於折射率差引起的反射損失；yijiyouyurushejiaodayuquanfanshelinjiejiaoeryinqidequanfanshesunshi。yinci，henduoguangxianwufacongxinpianzhongchushedaowaibu。tongguozaixinpianbiaomiantufuyicengzheshelvxiangduijiaogaodetoumingjiaoceng(灌封膠)，youyugaijiaocengchuyuxinpianhekongqizhijian
，congeryouxiaojianshaoleguangzizaijiemiandesunshi，tigaolequguangxiaolv。ciwai，guanfengjiaodezuoyonghaibaokuoduixinpianjinxingjixiebaohu，yinglishifang，bingzuoweiyizhongguangdaojiegou。yinci
，yaoqiuqitouguanglvgao，zheshelvgao
，rewendingxinghao，liudongxinghao，yiyupentu。weitigaoLED封裝的可靠性
，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、nailaohuadengtexing。muqianchangyongdeguanfengjiaobaokuohuanyangshuzhiheguijiao。guijiaoyouyujuyoutouguanglvgao，zheshelvda，rewendingxinghao，yinglixiao
，xishixingdidengtedian，mingxianyouyuhuanyangshuzhi，zaidagonglvLED封(feng)裝(zhuang)中(zhong)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)
，但(dan)成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)。研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，提(ti)高(gao)矽(gui)膠(jiao)折(zhe)射(she)率(lv)可(ke)有(you)效(xiao)減(jian)少(shao)折(zhe)射(she)率(lv)物(wu)理(li)屏(ping)障(zhang)帶(dai)來(lai)的(de)光(guang)子(zi)損(sun)失(shi)，提(ti)高(gao)外(wai)量(liang)子(zi)效(xiao)率(lv)，但(dan)矽(gui)膠(jiao)性(xing)能(neng)受(shou)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)。隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)，矽(gui)膠(jiao)內(nei)部(bu)的(de)熱(re)應(ying)力(li)加(jia)大(da)，導(dao)致(zhi)矽(gui)膠(jiao)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)降(jiang)低(di)
，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)LED光效和光強分布。
　　
熒光粉的作用在於光色複合，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se度du的de變bian化hua，較jiao高gao的de溫wen度du還hai會hui加jia速su熒ying光guang粉fen的de老lao化hua。原yuan因yin在zai於yu熒ying光guang粉fen塗tu層ceng是shi由you環huan氧yang或huo矽gui膠jiao與yu熒ying光guang粉fen調tiao配pei而er成cheng，散san熱re性xing能neng較jiao差cha，當dang受shou到dao紫zi光guang或huo紫zi外wai光guang的de輻fu射she時shi，易yi發fa生sheng溫wen度du猝cu滅mie和he老lao化hua，使shi發fa光guang效xiao率lv降jiang低di。此ci外wai，高gao溫wen下xia灌guan封feng膠jiao和he熒ying光guang粉fen的de熱re穩wen定ding性xing也ye存cun在zai問wen題ti。由you於yu常chang用yong熒ying光guang粉fen尺chi寸cun在zai1um以上，折射率大於或等於1.85，而矽膠折射率一般在1.5左右。由於兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠大於光散射極限（30nm），因而在熒光粉顆粒表麵存在光散射，降低了出光效率。通過在矽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％）

，並能有效改善光色質量。
　　
傳chuan統tong的de熒ying光guang粉fen塗tu敷fu方fang式shi是shi將jiang熒ying光guang粉fen與yu灌guan封feng膠jiao混hun合he
，然ran後hou點dian塗tu在zai芯xin片pian上shang。由you於yu無wu法fa對dui熒ying光guang粉fen的de塗tu敷fu厚hou度du和he形xing狀zhuang進jin行xing精jing確que控kong製zhi，導dao致zhi出chu射she光guang色se彩cai不bu一yi致zhi，出chu現xian偏pian藍lan光guang或huo者zhe偏pian黃huang光guang。而erLumileds公司開發的保形塗層（Conformal coating）技術可實現熒光粉的均勻塗覆，保障了光色的均勻性，如圖3（b）。但研究表明，當熒光粉直接塗覆在芯片表麵時

，由於光散射的存在，出光效率較低。有鑒於此，美國Rensselaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method
，SPE)
，通過在芯片表麵布置一個聚焦透鏡，並將含熒光粉的玻璃片置於距芯片一定位置
，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(de)出(chu)光(guang)效(xiao)率(lv)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，封(feng)裝(zhuang)膠(jiao)層(ceng)有(you)逐(zhu)漸(jian)被(bei)高(gao)折(zhe)射(she)率(lv)透(tou)明(ming)玻(bo)璃(li)或(huo)微(wei)晶(jing)玻(bo)璃(li)等(deng)取(qu)代(dai)的(de)趨(qu)勢(shi)，通(tong)過(guo)將(jiang)熒(ying)光(guang)粉(fen)內(nei)摻(chan)或(huo)外(wai)塗(tu)於(yu)玻(bo)璃(li)表(biao)麵(mian)，不(bu)僅(jin)提(ti)高(gao)了(le)熒(ying)光(guang)粉(fen)的(de)均(jun)勻(yun)度(du)

，而(er)且(qie)提(ti)高(gao)了(le)封(feng)裝(zhuang)效(xiao)率(lv)。此(ci)外(wai)
，減(jian)少(shao)LED出光方向的光學界麵數

，也是提高出光效率的有效措施。

c.陣列封裝與係統集成技術
經過40多年的發展
，LED封裝技術和結構先後經曆了四個階段
，如圖4所示。 

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

表麵組裝（貼片）式（SMT－LED）封裝：表麵組裝技術（SMT）是一種可以直接將封裝好的器件貼
、焊到PCB表(biao)麵(mian)指(zhi)定(ding)位(wei)置(zhi)上(shang)的(de)一(yi)種(zhong)封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu)。具(ju)體(ti)而(er)言(yan)，就(jiu)是(shi)用(yong)特(te)定(ding)的(de)工(gong)具(ju)或(huo)設(she)備(bei)將(jiang)芯(xin)片(pian)引(yin)腳(jiao)對(dui)準(zhun)預(yu)先(xian)塗(tu)覆(fu)了(le)粘(zhan)接(jie)劑(ji)和(he)焊(han)膏(gao)的(de)焊(han)盤(pan)圖(tu)形(xing)上(shang)

，然(ran)後(hou)直(zhi)接(jie)貼(tie)裝(zhuang)到(dao)未(wei)鑽(zuan)安(an)裝(zhuang)孔(kong)的(de)PCB 表麵上，經過波峰焊或再流焊後
，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、易於實現自動化等優點，是電子行業最流行的一種封裝技術和工藝。

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複合材料（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技術主要用於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）。

係統封裝式（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係統小型化的要求，在係統芯片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、控製電路、光學微結構
、傳感器等）集成在一起
，構建成一個更為複雜的
、完整的係統。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，易於分塊測試
，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於價格
、可用的空間、電dian氣qi連lian接jie，特te別bie是shi散san熱re等deng問wen題ti。由you於yu發fa光guang芯xin片pian的de高gao密mi度du集ji成cheng，散san熱re基ji板ban上shang的de溫wen度du很hen高gao
，必bi須xu采cai用yong有you效xiao的de熱re沉chen結jie構gou和he合he適shi的de封feng裝zhuang工gong藝yi。常chang用yong的de熱re沉chen結jie構gou分fen為wei被bei動dong和he主zhu動dong散san熱re。被bei動dong散san熱re一yi般ban選xuan用yong具ju有you高gao肋lei化hua係xi數shu的de翅chi片pian
，通tong過guo翅chi片pian和he空kong氣qi間jian的de自zi然ran對dui流liu將jiang熱re量liang耗hao散san到dao環huan境jing中zhong。該gai方fang案an結jie構gou簡jian單dan，可ke靠kao性xing高gao
，但dan由you於yu自zi然ran對dui流liu換huan熱re係xi數shu較jiao低di
，隻zhi適shi合he於yu功gong率lv密mi度du較jiao低di，集ji成cheng度du不bu高gao的de情qing況kuang。對dui於yu大da功gong率lvLED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。
　　
在係統集成方麵，台灣新強光電公司采用係統封裝技術(SiP), 並通過翅片＋熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研製出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如圖5（a）。由於封裝熱阻較低（4.38℃/W）,當環境溫度為25℃時，LED結溫控製在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）。 

d.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製作、封裝都在晶片（Wafer）上進行
，封裝完成後再進行切割

，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後

，即進行切割形成芯片（Die），然後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。由於封裝費用在LED器件製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），將大大降低封裝製造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產的潔淨度
，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，對於大功率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麵數，以降低封裝熱阻，提高出光效率。

e.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
，對於照明用途
，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。由於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℃）、熱衝擊
、耐腐蝕性、抗溶性
、機械衝擊等。然而，加速環境試驗隻是問題的一個方麵
，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。

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guang色se純chun
，而er且qie可ke以yi實shi現xian動dong態tai或huo漸jian變bian的de色se彩cai變bian化hua。在zai改gai變bian色se溫wen的de同tong時shi保bao持chi具ju有you高gao的de顯xian色se指zhi數shu，滿man足zu不bu同tong的de應ying用yong需xu要yao。但dan對dui其qi封feng裝zhuang也ye提ti出chu了le新xin的de要yao求qiu，具ju體ti體ti現xian在zai：

a.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。

b.係統效率最大化
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
，以提高整個係統效率。

c.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。

d.易於替換和維護
由於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燈具設計易於改進以適應未來效率更高的LED芯片封裝要求
，並且要求LED芯片的互換性要好，以便於燈具廠商自己選擇采用何種芯片。
　　
LED燈(deng)具(ju)光(guang)源(yuan)可(ke)由(you)多(duo)個(ge)分(fen)布(bu)式(shi)點(dian)光(guang)源(yuan)組(zu)成(cheng)，由(you)於(yu)芯(xin)片(pian)尺(chi)寸(cun)小(xiao)，從(cong)而(er)使(shi)封(feng)裝(zhuang)出(chu)的(de)燈(deng)具(ju)重(zhong)量(liang)輕(qing)
，結(jie)構(gou)精(jing)巧(qiao)，並(bing)可(ke)滿(man)足(zu)各(ge)種(zhong)形(xing)狀(zhuang)和(he)不(bu)同(tong)集(ji)成(cheng)度(du)的(de)需(xu)求(qiu)。唯(wei)一(yi)的(de)不(bu)足(zu)在(zai)於(yu)沒(mei)有(you)現(xian)成(cheng)的(de)設(she)計(ji)標(biao)準(zhun)
，但(dan)同(tong)時(shi)給(gei)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)充(chong)分(fen)的(de)想(xiang)象(xiang)空(kong)間(jian)。此(ci)外(wai)
，LED照明控製的首要目標是供電。由於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製電路（ASICs）
，以(yi)實(shi)現(xian)先(xian)進(jin)的(de)校(xiao)準(zhun)和(he)閉(bi)環(huan)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。此(ci)外(wai)，通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)照(zhao)明(ming)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，對(dui)固(gu)態(tai)光(guang)源(yuan)的(de)使(shi)用(yong)和(he)控(kong)製(zhi)主(zhu)要(yao)依(yi)靠(kao)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)和(he)管(guan)理(li)軟(ruan)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)，從(cong)而(er)在(zai)用(yong)戶(hu)、信息與光源間建立了新的關聯，並且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。

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封裝不僅是一門製造技術（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，並且需要對光、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（如熱學界麵

、光學界麵）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。對於LED燈具而言，更是需要將光源
、散熱
、供電和燈具等集成考慮。