LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式（Lamp LED）、贴片式（SMD LED）、功率型LED（Power LED）等发展阶段。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。

 

        一、POWER大功率LED封装关键技术

 

        大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能

 

        具体而言，大功率LED封装的关键技术包括：

 

        （一）低热阻封装工艺

 

        对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80％左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。

 

        LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2（a），并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2（b）所示。其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃（与硅的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当），从而降低了封装热应力。

 

        研究表明，封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。

 

        （二）封装大生产技术

 

        晶片键合（Wafer bonding）技术是指芯片结构和电路的制作、封装都在晶片（Wafer）上进行，封装完成后再进行切割，形成单个的芯片（Chip）；与之相对应的芯片键合（Die bonding）是指芯片结构和电路在晶片上完成后，即进行切割形成芯片（Die），然后对单个芯片进行封装（类似现在的LED封装工艺），如图6所示。很明显，晶片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改变现有的LED封装形式（从芯片键合到晶片键合），将大大降低封装制造成本。此外，晶片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效手段。

 

        此外，对于大功率LED封装，必须在芯片设计和封装设计过程中，尽可能采用工艺较少的封装形式（Package-less Packaging），同时简化封装结构，尽可能减少热学和光学界面数，以降低封装热阻，提高出光效率。

 

        （三）封装可靠性测试与评估

 

        LED器件的失效模式主要包括电失效（如短路或断路）、光失效（如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等）和机械失效（如引线断裂，脱焊等），而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿命以平均失效时间（MTTF）来定义，对于照明用途，一般指LED的输出光通量衰减为初始的70％（对显示用途一般定义为初始值的50％）的使用时间。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存（100℃，1000h）、低温储存（－55℃，1000h）、高温高湿（85℃/85％，1000h）、高低温循环（85℃～－55℃）、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。

 

        三、固态照明对大功率LED封装的要求

 

        与传统照明灯具相比，LED灯具不需要使用滤光镜或滤光片来产生有色光，不仅效率高、光色纯，而且可以实现动态或渐变的色彩变化。在改变色温的同时保持具有高的显色指数，满足不同的应用需要。但对其封装也提出了新的要求，具体体现在：

 

        （一）模块化

 

　　通过多个LED灯（或模块）的相互连接可实现良好的流明输出叠加，满足高亮度照明的要求。通过模块化技术，可以将多个点光源或LED模块按照随意形状进行组合，满足不同领域的照明要求。

 

        （二）系统效率最大化

 

　　为提高LED灯具的出光效率，除了需要合适的LED电源外，还必须采用高效的散热结构和工艺，以及优化内/外光学设计，以提高整个系统效率。

 

        （三）低成本

 

　　LED灯具要走向市场，必须在成本上具备竞争优势（主要指初期安装成本），而封装在整个LED灯具生产成本中占了很大部分，因此，采用新型封装结构和技术，提高光效/成本比，是实现LED灯具商品化的关键。

 

        （四）易于替换和维护

 

        由于LED光源寿命长，维护成本低，因此对LED灯具的封装可靠性提出了较高的要求。要求LED灯具设计易于改进以适应未来效率更高的LED芯片封装要求，并且要求LED芯片的互换性要好，以便于灯具厂商自己选择采用何种芯片。

 

        LED灯具光源可由多个分布式点光源组成，由于芯片尺寸小，从而使封装出的灯具重量轻，结构精巧，并可满足各种形状和不同集成度的需求。唯一的不足在于没有现成的设计标准，但同时给设计提供了充分的想象空间。此外，LED照明控制的首要目标是供电。由于一般市电电源是高压交流电（220V，AC），而LED需要恒流或限流电源，因此必须使用转换电路或嵌入式控制电路（ASICs），以实现先进的校准和闭环反馈控制系统。此外，通过数字照明控制技术，对固态光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理软件来实现，从而在用户、信息与光源间建立了新的关联，并且可以充分发挥设计者和消费者的想象力。

 

        四、结束语

 

        LED封装是一个涉及到多学科（如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等）的研究课题。从某种角度而言，LED封装不仅是一门制造技术（Technology），而且也是一门基础科学（Science），良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中，虽然材料（散热基板、荧光粉、灌封胶）选择很重要，但封装结构（如热学界面、光学界面）对LED光效和可靠性影响也很大，大功率白光LED封装必须采用新材料，新工艺，新思路。对于LED灯具而言，更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。深圳市极光光电有限公司专业LED封装20年经验，可提供各种照明解决方案。